电气产品从头到尾的设计

关键的外卖

• 什么是电子产品设计?它是如何开始的?
• 设计的原型空间一脚踩在概念上，一脚踩在实用性上。
• 最后的修订必须考虑到大规模生产的经济性。

电气产品设计开始于像perfboard这样简单的东西，但很快就会变得复杂起来。

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需要将他们的专业知识用于大多数人都没有意识到的设计方面，更不用说主题的深度了。从最初的构想到创建、批准、原型，以及其他，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既定的目标和功能。

作为一个跨学科的领域组合，电气产品设计可能很快就会陷入行业术语的泥潭，或者保持在一个高度抽象的水平，这也可能会让那些不熟悉这个过程的人感到困惑。总的来说，设计师必须认识到不同的功能和参数如何影响电路板设计的各个方面，这些方面似乎完全被删除了。

电子产品设计如何开始?

电气产品设计是一个涉及多个学科的庞大课题。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。任何伟大产品的起源都可能始于创意团队的一个简单想法，市场调查的反馈，或者对现有设计的进一步完善或重新想象。产品开发中最大的挑战之一是确定范围——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不集中的设计，只能通过更长的交付时间或后来放弃功能来解决。然而，面向未来的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。这些相互抵消的投入推动了产品设计，大量的资源致力于达到最佳点。

粗糙的构建

经过设计团队的制定，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:设计师希望提供一个有形的项目，表明既定的目标和基准是可实现的。为了实现这一目标，使用一个简单的构建来仅显示与大多数材料和信号完整性实践相分离的板的裸露特征，这些实践旨在减轻不良互连技术的有害影响。perfboard或stristriboard设计在许多方面都是高度不优化的，由于通孔是这一设计阶段唯一可接受的技术(不包括分岔板)，组件选择是最明显的缺陷。

成本分析

成本分析将是预规划的另一个重要阶段。特别是在大公司中，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会有很大的不同。市场营销和分析可以帮助确定价格点、初始生产运行的规模，以及其他将决定产品发布目标和终身成功的关键财务成分。

采购

采购对于任何水平的生产都是必要的，但对于用于大规模生产的电路板来说，情况尤其如此。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，目前芯片供应严重滞后，这比以往任何时候都更加重要早期提供了组件选择足以满足有限的供应数量。总有一些回旋的空间，因为由于一些广泛的延迟，团队需要在采购中保持最低程度的灵活性，但越早提交清单，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合理的支点。原型用于设计(通过确认逻辑)以及制造工作(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。由于PCB设计的复杂性和复杂性，电路板需要额外的修订几乎是普遍的。设计团队的方法应该是尽量减少修改的数量，同时仍然允许在构建中进行充分的实验。

尽管与开发和测试相比，制造过程所花费的时间可能只是一小部分，但制造过程更容易遇到瓶颈，特别是在外部生产中。虽然原型设计需要从“为制造而设计”的思想中筛选出构建，但在如何设计方面有很大的宽容设计师和制造者可以接近这个。为此，这里列出了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:在短时间内构建最终设计的合理近似。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(在规范和合理范围内)到互连和其他有利于可制造性的PCB特性。
  
• 决定流动性一个板子不太可能在原型和最终产品之间发生重大变化——通过改变特征、材料或结构来收集足够的技术知识，以至于两个设计阶段存在显著差异。然而，在开发过程中，原型阶段可能是一个低风险的环境，可以对设计进行重大修改，前提是这些更改不会打乱任何其他参数或规格。从更广泛的意义上讲，这允许电路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，从而减少总体周转时间。
  
• 未来的可扩展性-设计本质上需要扩展、收缩、适应新的功能，并去除不必要的功能;最终产品很少能够完美地呈现最初的原型，并进行合理的优化设计。一些小的设计选择——比如切换到更小的封装来适应电路的重复，或者允许测试人员交换阻抗因子来微调参数，而不需要小的和难以焊接的SMT部件——可以产生不同的效果。

虽然所有级别的原型设计都必须牢记为制造而设计的实践，但如何构建仍然有很大的空间。最初的原型修改可能只是一个相对简单的转向工作，以测试材料参数与广义布局相结合。软件与板载硬件的兼容性是一个重要的测试点，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)。对于艰苦的实地部署，也可能存在压力测试的问题。无论如何，测试小组越早开始对制成品进行工作，就越早能够缓解重要的操作规范和对外部因素(如热和湿度)的响应，以适应现场条件操作。

一个板的好坏取决于它的过程的总和——在增加生产之前测试这些是一个好主意!

批量生产的最终设计

如果原型设计是概念的证明，那么批量生产就是为市场做准备的既定修改。虽然在原型和修改过程中有很多修改的空间，但此时的设计应该是固定不变的，减去任何可以提高性能或降低成本的小优化。一些小的改变，比如最小化通孔数量，可以大大节省大量的生产成本。设计必须在可生产性和产量与最佳性能之间取得平衡，这有时会发生冲突。设计师要确保严密的制造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问题之外，还有一些优化调整要合并，以确保设计能够最大化空间和性能。下面列出了其中一些:

• 为可制造性而设计-从原型开发阶段过渡到最终产品需要分析设计中制造和组装时的任何低效率。从这种角度来看，即使是中等规模的生产批次，也有可能大幅降低成本，提高性能。实际上，DfM板不仅是设计的优化，而且是各种制造过程中可用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，但必须通过边缘连接器和顶部和底部的测试点放置来方便地访问电路板的测试功能。根据生产的确切截止日期，某些测试方法将比其他方法更适合于大容量吞吐量钉床测试夹具飞行探测系统就是一个明显的例子。由于夹具的设计和制造时间，当生产数量较低时，钉床比飞探头慢得多，但测试本身要快得多，使得设计前一种测试方法更有利于减少质量控制期间的周转时间。

电气产品设计的高级、一般流程图。

电气产品设计涉及大量的课题，是多个专业领域的成果。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一过程。与OrCAD PCB设计，这很容易集成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为设计人员提供了丰富的选择，以接近PCB布局设计。对于额外的功能，用户可以探索Cadence的PCB设计和分析软件用于更高级别的仿真、诊断、建模等。