開(kāi)發(fā)新的電子硬件產(chǎn)品時(shí)應避免的十大設計錯誤

2021-03-18

在本文中，我將與您分享10個(gè)較常見(jiàn)的錯誤。此列表同時(shí)包含技術(shù)錯誤和非技術(shù)/一般錯誤，因此無(wú)論您的技術(shù)水平如何，這里都有適合所有人的內容。

＃1 –無(wú)法進(jìn)行制造設計

人們傾向于低估開(kāi)發(fā)新物理產(chǎn)品的復雜性，而他們低估了制造新產(chǎn)品的復雜性。

對于許多產(chǎn)品而言，開(kāi)始制造和運行所需的時(shí)間幾乎與開(kāi)發(fā)產(chǎn)品所需的時(shí)間一樣多，有時(shí)甚至更多。制造設置的成本也可能超過(guò)所有開(kāi)發(fā)成本。

在整個(gè)產(chǎn)品設計過(guò)程中，將可制造性作為首要考慮因素至關(guān)重要。此過(guò)程稱(chēng)為制造設計（DFM）。

設計一款無(wú)法有效制造的產(chǎn)品，沒(méi)有什么比減慢您的產(chǎn)品上市速度了。

為了簡(jiǎn)化制造，請盡早實(shí)施針對制造實(shí)踐的設計。

過(guò)去的思維方式是，工程師開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，然后將其傳遞給制造商（或大公司的制造部門(mén)），然后制造商會(huì )弄清楚如何真正地制造它。工程與制造之間幾乎沒(méi)有互動(dòng)。

但這是開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的可怕方法，這就是成功的公司放棄此過(guò)程的原因。

從一開(kāi)始就著(zhù)眼于制造開(kāi)發(fā)更好的產(chǎn)品。例如，簡(jiǎn)單的設計更改可能會(huì )對使產(chǎn)品更容易，更快地制造產(chǎn)生巨大影響。

＃2 –無(wú)線(xiàn)電路的錯誤設計

如果產(chǎn)品具有任何無(wú)線(xiàn)功能，則任何RF（射頻）部分的PCB布局都至關(guān)重要。不幸的是，它做錯的次數多于對錯，因此請密切注意這一點(diǎn)。

例如，為了在收發(fā)器（發(fā)射器/接收器）和天線(xiàn)之間進(jìn)行最大功率傳輸，它們的阻抗必須匹配。這意味著(zhù)需要兩件事。

首先是連接天線(xiàn)和收發(fā)器的正確傳輸線(xiàn)。

該傳輸線(xiàn)專(zhuān)門(mén)在PCB上制造，用于承載微波（高頻無(wú)線(xiàn)電波）。PCB設計中使用兩種常見(jiàn)的傳輸線(xiàn)類(lèi)型：微帶線(xiàn)和共面波導。

甲微帶是通過(guò)電介質(zhì)層從接地平面在其下方分開(kāi)的導電帶。甲共面波導是類(lèi)似，除了它也增加了相同的層上的導帶之外的另一個(gè)接地平面的微帶。在這兩種樣式中，共面波導是最常用的。

在大多數情況下，傳輸線(xiàn)需要設計成具有50歐姆的阻抗，以實(shí)現與天線(xiàn)的最大功率傳輸。

不要將此阻抗規范與線(xiàn)路的簡(jiǎn)單電阻相混淆。50歐姆阻抗是指從傳輸線(xiàn)到周?chē)拥貙拥膹蛿底杩埂?span>

除了使用50歐姆的傳輸線(xiàn)外，通常還需要添加某種類(lèi)型的LC匹配電路，例如pi網(wǎng)絡(luò )。這樣可以對天線(xiàn)阻抗進(jìn)行微調，以實(shí)現最佳匹配和最大功率傳輸。

射頻傳輸線(xiàn)的正確布局至關(guān)重要。使用預先認證的模塊是一個(gè)更簡(jiǎn)單的選擇。

避免這些復雜性并降低獲得產(chǎn)品認證成本的最佳方法之一，是對任何無(wú)線(xiàn)功能使用預先認證的模塊。

對于大多數無(wú)線(xiàn)功能，有兩種通用的設計策略：使用適當的微芯片定制構建自己的電路，或使用具有經(jīng)過(guò)驗證的功能的預認證模塊。

設計自己的無(wú)線(xiàn)RF電路很復雜。實(shí)際上，正確設計可能是最復雜的電路類(lèi)型。老實(shí)說(shuō)，很可能不會(huì )正確完成。您應該期望需要多次原型迭代才能使其正確。

定制設計的另一個(gè)缺點(diǎn)是，它將使您的FCC認證成本至少增加10,000元。使用模塊可能會(huì )稍微降低您的利潤率，但是最大化利潤率絕不是您的首要任務(wù)。

是的，您需要提前了解大規模生產(chǎn)后的利潤率。但是，剛開(kāi)始時(shí)，您的首要任務(wù)應該是減少市場(chǎng)成本，而不是使利潤最大化。利潤來(lái)得晚。

＃3 –等待時(shí)間太長(cháng)，無(wú)法估算制造成本

這是一個(gè)很大的。成功的高科技公司通常會(huì )在開(kāi)始全面開(kāi)發(fā)之前大致知道產(chǎn)品要花多少錢(qián)才能很好地進(jìn)行生產(chǎn)。否則，他們怎么知道該產(chǎn)品值得開(kāi)發(fā)？

如果您不是一家市值十億美元的科技公司，那么很有可能首先要對您的產(chǎn)品進(jìn)行全面設計。一旦有了最終的原型，并準備好開(kāi)始生產(chǎn)，那么您將最終估算出制造該產(chǎn)品的成本。

但是，如果您發(fā)現產(chǎn)品的制造成本將超出預期，會(huì )發(fā)生什么情況？您可以提高銷(xiāo)售價(jià)格目標，但這顯然會(huì )帶來(lái)負面影響。

您也可以進(jìn)行一些重新設計以降低制造成本。但是，僅在第一次設計時(shí)就更有意義了嗎？

出于可以理解的原因，許多人認為您必須完全開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，然后才能準確地計算制造成本。那絕對是不正確的。

有了正確的經(jīng)驗，這是能夠準確估算的制造成本幾乎任何產(chǎn)品。這很可能在任何PCB布局或3D建模發(fā)生之前發(fā)生。

＃4 –大電流PCB走線(xiàn)的寬度不足

如果PCB走線(xiàn)將流過(guò)大約500mA以上的電流，那么走線(xiàn)所允許的最小寬度可能就不夠了。

PCB走線(xiàn)的所需寬度取決于幾件事，包括走線(xiàn)的厚度（銅的重量）以及走線(xiàn)是在內部還是外部。

對于相同的厚度，在相同的寬度下，外層可以比內部走線(xiàn)承載更多的電流，因為外部走線(xiàn)的氣流更好，從而可以更好地散熱。

任何載有超過(guò)500mA的PCB走線(xiàn)都需要比最小走線(xiàn)寬度更寬。

厚度取決于該導電層使用了多少銅。大多數PCB制造商都允許您從0.5 oz / sq的各種銅重量中進(jìn)行選擇。ft至約2.5 oz / sq。ft。如果需要，您可以將銅的重量轉換為厚度測量值，例如密耳。

在計算PCB走線(xiàn)的電流承載能力時(shí)，必須指定該走線(xiàn)的允許溫升。

通常，升高10C是一個(gè)安全的選擇，但是如果您需要縮小走線(xiàn)寬度，則可以使用20C或更高的允許溫度升高。

盡管走線(xiàn)寬度的計算非常簡(jiǎn)單，但我通常還是建議使用走線(xiàn) 寬度計算器。

＃5 –未獲得設計審查

如果您在原型設計之前沒(méi)有得到產(chǎn)品的獨立設計審查，那么您可能會(huì )浪費金錢(qián)。

工程師有多優(yōu)秀并不重要，沒(méi)有人是完美的，所有工程師都會(huì )犯錯。

獲得定制原型（無(wú)論是電子PCB還是產(chǎn)品外殼）并不便宜。您需要的原型迭代次數越多，總成本就越高。開(kāi)發(fā)產(chǎn)品并將其推向市場(chǎng)還需要更長(cháng)的時(shí)間。

減少所需原型迭代次數的最佳方法之一是獲得第二種意見(jiàn)，即設計審查。成功的高科技公司始終要求其工程師進(jìn)行設計審查，以尋求盡可能多的其他工程師的反饋。

不幸的是，許多企業(yè)家，初創(chuàng )公司和小公司犯了完全跳過(guò)這一關(guān)鍵步驟的錯誤。如果您有足夠的技巧自己對設計進(jìn)行充分審查，那就很好。但是，如果您具有這些技能，您可能會(huì )自己完成設計。

＃6 –不正確使用去耦電容器

關(guān)鍵組件需要干凈，穩定的電源。去耦電容器放置在電源軌上，以在這方面提供幫助。

但是，為了使去耦電容器發(fā)揮最佳作用，它們必須盡可能靠近需要穩定電壓的引腳。

來(lái)自電源的電源線(xiàn)需要進(jìn)行布線(xiàn)，以便在連接至需要穩定電壓的引腳之前先連接至去耦電容器。

同樣，至關(guān)重要的是將電源穩壓器的輸出電容器放置在盡可能靠近穩壓器輸出引腳的位置。

這對于優(yōu)化穩定性是必不可少的（所有調節器均使用一個(gè)反饋環(huán)路，如果未正確穩定，該環(huán)路可能會(huì )振蕩）。它還可以改善瞬態(tài)響應。

＃7 –產(chǎn)品外殼不可制造

您已經(jīng)花費了所有時(shí)間和金錢(qián)來(lái)使產(chǎn)品外殼的設計看起來(lái)恰到好處。對您來(lái)說(shuō)，這就像藝術(shù)品，這需要一堆3D打印的原型迭代來(lái)完善其外觀(guān)和功能。

您終于有了完美的原型！現在，您只需要找到制造商即可批量生產(chǎn)它們，那么您就很好了。正確的？

如果我告訴您您的機箱設計沒(méi)有用，而您實(shí)際上需要重做整個(gè)事情，該怎么辦？聽(tīng)到這太可怕了，但這是非常普遍的現象。

3D打印非常寬容。您可以設計和打印幾乎任何您想像的東西。但是3D打印僅用于生產(chǎn)一些原型。高壓注塑成型是用于大批量生產(chǎn)塑料零件的技術(shù)。

不幸的是，注射成型根本不能原諒。這是一項具有許多設計規則的技術(shù)，必須嚴格遵守。這些規則可能如此重要，也可能如此局限，以至于需要進(jìn)行重大的重新設計才能使外殼可制造。

設計產(chǎn)品外殼時(shí)，請務(wù)必從一開(kāi)始就考慮注塑要求。

＃8 –錯誤的PCB著(zhù)陸模式

所有PCB設計軟件工具均包含常用電子組件庫。這些庫既包括原理圖符號，又包括PCB著(zhù)陸圖。只要您堅持使用這些庫中的組件，一切都會(huì )很好。

當您使用隨附庫中未包含的組件時(shí)，問(wèn)題就開(kāi)始了。這意味著(zhù)工程師必須手動(dòng)繪制原理圖符號和PCB著(zhù)陸圖案。

繪制著(zhù)陸圖案時(shí)很容易犯錯誤。例如，如果您將引腳與引腳之間的間距縮小了幾毫米，則將無(wú)法在板上焊接該部件。

避免此錯誤的簡(jiǎn)便方法是按1：1比例打印出PCB布局。然后訂購所有各種組件（主要是微芯片和連接器）的樣品，并手動(dòng)將其放置在印刷的PCB布局上。這使您可以非常迅速地驗證所有著(zhù)陸模式是否正確。

＃9 – PCB設計不可制造或成本太高

甲經(jīng)由處于PCB的導電孔，從不同的層所連接的信號。最常見(jiàn)的通孔類(lèi)型稱(chēng)為 通孔， 因為它會(huì )穿過(guò)電路板的所有層。這意味著(zhù)即使您只想將跡線(xiàn)從第一層連接到第二層，所有其他層也將具有此直通孔。

由于過(guò)孔甚至不使用過(guò)孔，也會(huì )減少層上的布線(xiàn)空間，因此可能會(huì )增加電路板的尺寸。

甲經(jīng)由盲另一方面外部層連接到一個(gè)內部層，和一個(gè)通過(guò)掩埋所連接兩個(gè)內部層。但是，盲孔和掩埋通孔在可用于連接的層上有非常嚴格的限制。

＃1是連接所有層的直通孔，＃2是連接層1和2的盲孔，＃3是連接層2和3的埋孔。

使用實(shí)際上無(wú)法制造（或原型制作）的盲孔/埋孔非常容易。要了解掩埋和盲孔的局限性，您必須了解如何堆疊各層以制造PCB。

有關(guān)掩埋/盲孔的所有技術(shù)細節。

請注意，即使正確使用它們，盲孔/埋孔也會(huì )大大增加原型板的成本。很多時(shí)候，它們的使用會(huì )使您的電路板成本增加一倍，盡管一旦您達到更高的產(chǎn)量，這種成本增加的意義就不大了。

在幾乎所有情況下，除非絕對必須具有最小的PCB設計，否則最好避免使用掩埋和盲孔。

＃10 –開(kāi)關(guān)穩壓器的PCB布局不正確

開(kāi)關(guān)穩壓器通過(guò)暫時(shí)存儲能量，然后以受控方式將其釋放到輸出，將一個(gè)電源電壓轉換為另一電源電壓。使用的存儲元件是電感器和電容器。

與簡(jiǎn)單的線(xiàn)性穩壓器相比，開(kāi)關(guān)穩壓器效率極高，功耗極低。但是，正確使用它們要復雜得多。

使用開(kāi)關(guān)穩壓器的最大復雜性是正確設計其PCB布局。您不能隨意放置組件并將它們連接起來(lái)。

對于開(kāi)關(guān)穩壓器，應遵循嚴格的布局規則。幸運的是，幾乎所有關(guān)于開(kāi)關(guān)穩壓器的數據表都將包含討論正確布局的部分，并給出如何正確進(jìn)行設置的示例。