电气产品设计从头到尾

关键的外卖

• 什么是电子产品设计?它是如何开始的?
• 设计的原型空间一方面是概念，另一方面是实用。
• 最后的修订必须考虑到大规模生产的经济性。

电气产品设计从一些简单的东西开始，比如perfboard，但很快就会增加复杂性。

产品设计是一个复杂的领域，电气产品设计也不例外。许多来自不同领域的专业人士都需要将他们的专业知识用于大多数人都不知道的设计方面，更不用说主题的深度了。从最初的开始到创建、批准、创建原型，以及之后，团队必须步调一致地工作，以确保项目在不牺牲性能的情况下满足其指定的目标和功能。

作为一个跨学科的领域组合，电气产品设计可能会很快陷入行业术语或保持在一个高度抽象的水平，这也可能会让不熟悉该过程的人感到困惑。总的来说，设计师必须认识到不同的功能和参数如何影响董事会设计的方面，似乎完全删除。

电气产品设计如何开始?

电气产品设计是一个涉及多个学科的广泛课题。对于任何产品来说，最重要的是从它的功能范围开始——它能做什么以及如何做。任何伟大产品的诞生都可以从创意团队的一个简单想法开始，从市场调查的反馈开始，或者从对现有设计的进一步细化或重新想象开始。产品开发中最大的挑战之一是确定一个范围——如果没有对设备的目标设定一些硬性限制，功能包含可能会导致臃肿和整体的无重点设计，这只能通过更长的交付时间或稍后放弃功能来解决。然而，防未来设计依赖于确保项目能够熟练地处理当前的需求，并合理地预测未来的趋势。这些反补贴投入驱动着产品设计，大量资源被用于达到最佳点。

粗糙的构建

在设计团队制定一些方案后，一个粗略的构建将被模拟出来，以提供最早的概念验证级别。性能不是目标，而是功能:设计师想要提供一个有形的项目，显示既定的目标和基准是可实现的。为了达到这一目的，一个简单的构建被用来显示仅裸露的功能，脱离了大多数材料和信号完整性实践，旨在减轻不良互连技术的有害影响。由于通孔是这一设计阶段唯一可接受的技术(不包括断接板)，因此在许多方面，预制板或分板设计都是非常不优化的，其中最明显的缺陷是组件的选择。

成本分析

成本分析将是预先规划的另一个重要阶段。特别是在大型公司中，这可以说是设计之前最重要的阶段，是产品经济可行性的决定性因素。根据目标市场、电子产品类别和使用寿命的不同，一个成功的产品发布和生命周期看起来会有很大的不同。营销和分析可以帮助确定价格点、初始生产运行的规模，以及其他将塑造产品发布目标和终身成功的关键财务成分。

采购

采购对于任何生产水平都是必要的，但对于用于大规模生产的电路板则是例外。随着半导体行业采取行动解决过去几年全球供应链中断造成的短缺问题，目前芯片供应出现大量缺货，这比以往任何时候都更加重要组件选择在早期提供足够团队满足有限的供应数量。总是有一些回旋余地，因为团队需要在采购中考虑到最小程度的灵活性，因为一些广泛的延迟，但列表提交得越早，设计团队就能越快地构建土地模式并准备设计。

原型在开发中的作用

设计现在已经准备好进入第二个主要阶段:原型设计。原型的重要性不能被夸大，因为它的灵活性和成本便利性允许设计团队在不牺牲开发时间的情况下获得一个合理的支点。原型用于橡皮图章设计(通过确认逻辑)和制造工作(通过确认设备功能)。重要的是，它可以作为概念验证，将图纸和模拟带到可以提供即时反馈的有形产品中。

在这一点上，设计灵活性是关键，从原理图一直到制造板。随着PCB设计的复杂性和复杂性，它几乎是普遍的董事会将需要额外的修订。设计团队的方法应该是最小化修改的数量，同时仍然允许在构建中进行充分的实验。

虽然花在制造上的时间可能只是花在开发和测试上的一小部分，但制造过程更容易出现瓶颈，特别是对于外部产品。虽然原型设计需要将“为制造而设计”的理念融入到构建中，但在如何进行设计方面却有很大的宽容设计师和制造商可以接近这个。为此，以下是一些可以在设计原型阶段使用的常见设计原则:

• 简单over-optimization-低产量意味着未优化的板可以专注于手头的任务:在短时间内建立一个合理的近似最终设计。总体制造时间和劳动力的放松意味着设计师可以采取不那么严格的方法(在规格和理由之内)到互连和其他PCB特性，否则将有利于可制造性。
  
• 决定流动性-在原型和最终产品之间，一个板不太可能发生显著的变化——通过改变功能、材料或结构来收集到足够的技术知识，从而使两个设计阶段显著不同。然而，在开发过程中，原型阶段可能是一个低风险的环境，可以对设计进行显著的修补，前提是这些更改不影响任何其他参数或规范。从更广泛的意义上说，这允许板的设计元素随着时间的推移进行优化，分配一系列可接受的选项，减少整体周转时间。
  
• 未来的可扩展性-设计本质上需要扩展、收缩、适应新的功能，并删除不必要的功能;很少有最终产品能够完美地呈现出最初的原型，并进行适当的优化设计。一些小的设计选择——如切换到更小的封装以适应电路的重复，或允许测试人员更换阻抗因子以微调参数，而不需要小的和难以焊接的SMT部件——可以产生不同。

尽管所有级别的原型都必须牢记“为制造而设计”的实践，但是对于如何构建仍然有很大的自由度。最初的原型修改可能只是一个相对简单的转向工作，目的是测试材料参数与通用布局相结合。软件与板载硬件的兼容性将是测试的一个重要点，开发人员将希望在最早的机会实现他们的代码，以优化物理特性(例如，倾斜、上升/下降时间等)。还可能需要对艰苦的实地部署进行压力测试。无论这意味着什么，测试小组越早开始对制造产品的工作，重要的操作规范和对外部因素(如热和湿度)的响应就能越早缓解现场条件下的操作。

一个板子的好坏取决于它的过程的总和——在增加生产之前测试这些过程是个好主意!

批量生产的最终设计

如果原型是概念的证明，那么批量生产就是为市场做准备的固定修改。虽然在原型制作和修改过程中有很大的修改空间，但此时的设计应该是一成不变的，减去任何可以提高性能或降低成本的小优化。小的改变，比如最小化通孔数量，可以比大的生产批量节省大量的成本。设计必须平衡可生产性和产量与最佳性能之间的关系，这有时会发生冲突。设计师要确保严谨的制作工艺或特种材料是设计真正需要的，以免包含它们的成本成倍增加。

除了整理设计和解决任何松散的部分之外，还有一些优化调整需要合并，以确保设计的产生能够最大化空间和性能。其中一些列举如下:

• 为可制造性设计-从原型开发阶段到最终产品的过渡包括在制造和装配方面分析设计的任何低效率。从这个角度来看，即使是中等规模的生产批次也有可能显著降低成本和提高性能。实际上，DfM板不仅是对设计的优化，而且是对可用于各种制造过程的机械和技术的优化。
  
• 测试设计-测试和质量保证可以有多种形式，但它是必要的，一个板的测试功能是很容易通过边缘连接器和测试点放置在顶部和底部。根据生产的确切截止，某些测试方法将比其他方法更适合于高容量吞吐量钉床测试夹具在飞行探测系统上是一个明显的例子。由于夹具的设计和制造时间，当生产数量较低时，钉床比飞探针机要慢得多，但测试本身要快得多，使设计前一种测试方法在质量控制期间更有利于减少转动次数。

电气产品设计的高级流程图。

电气产品设计涉及的课题众多，是多个专业领域的结晶。虽然抽象意义上的设计可能是复杂的，但PCB设计工具可以简化这个过程。与OrCAD PCB设计，这很容易整合设计工作流程从原理图级到设计板，在满足所有必要的工程要求的同时，性能优异。直观的用户界面和强大的工具集赋予设计者丰富的选项，以接近PCB布局设计。至于其他功能，用户可以浏览Cadence的PCB设计和分析软件用于更高级别的模拟、诊断、建模等。