开发新(xīn)的電(diàn)子硬件产品时应避免的十大设计错误

2021-03-18

在本文(wén)中，我将与您分(fēn)享10个较常见的错误。此列表同时包含技术错误和非技术/一般错误，因此无论您的技术水平如何，这里都有(yǒu)适合所有(yǒu)人的内容。

＃1 –无法进行制造设计

人们倾向于低估开发新(xīn)物(wù)理(lǐ)产品的复杂性，而他(tā)们低估了制造新(xīn)产品的复杂性。

对于许多(duō)产品而言，开始制造和运行所需的时间几乎与开发产品所需的时间一样多(duō)，有(yǒu)时甚至更多(duō)。制造设置的成本也可(kě)能(néng)超过所有(yǒu)开发成本。

在整个产品设计过程中，将可(kě)制造性作為(wèi)首要考虑因素至关重要。此过程称為(wèi)制造设计（DFM）。

设计一款无法有(yǒu)效制造的产品，没有(yǒu)什么比减慢您的产品上市速度了。

為(wèi)了简化制造，请尽早实施针对制造实践的设计。

过去的思维方式是，工程师开发产品，然后将其传递给制造商(shāng)（或大公司的制造部门），然后制造商(shāng)会弄清楚如何真正地制造它。工程与制造之间几乎没有(yǒu)互动。

但这是开发产品的可(kě)怕方法，这就是成功的公司放弃此过程的原因。

从一开始就着眼于制造开发更好的产品。例如，简单的设计更改可(kě)能(néng)会对使产品更容易，更快地制造产生巨大影响。

＃2 –无線(xiàn)電(diàn)路的错误设计

如果产品具有(yǒu)任何无線(xiàn)功能(néng)，则任何RF（射频）部分(fēn)的PCB布局都至关重要。不幸的是，它做错的次数多(duō)于对错，因此请密切注意这一点。

例如，為(wèi)了在收发器（发射器/接收器）和天線(xiàn)之间进行最大功率传输，它们的阻抗必须匹配。这意味着需要两件事。

首先是连接天線(xiàn)和收发器的正确传输線(xiàn)。

该传输線(xiàn)专门在PCB上制造，用(yòng)于承载微波（高频无線(xiàn)電(diàn)波）。PCB设计中使用(yòng)两种常见的传输線(xiàn)类型：微带線(xiàn)和共面波导。

甲微带是通过電(diàn)介质层从接地平面在其下方分(fēn)开的导電(diàn)带。甲共面波导是类似，除了它也增加了相同的层上的导带之外的另一个接地平面的微带。在这两种样式中，共面波导是最常用(yòng)的。

在大多(duō)数情况下，传输線(xiàn)需要设计成具有(yǒu)50欧姆的阻抗，以实现与天線(xiàn)的最大功率传输。

不要将此阻抗规范与線(xiàn)路的简单電(diàn)阻相混淆。50欧姆阻抗是指从传输線(xiàn)到周围接地层的复数阻抗。

除了使用(yòng)50欧姆的传输線(xiàn)外，通常还需要添加某种类型的LC匹配電(diàn)路，例如pi网络。这样可(kě)以对天線(xiàn)阻抗进行微调，以实现最佳匹配和最大功率传输。

射频传输線(xiàn)的正确布局至关重要。使用(yòng)预先认证的模块是一个更简单的选择。

避免这些复杂性并降低获得产品认证成本的最佳方法之一，是对任何无線(xiàn)功能(néng)使用(yòng)预先认证的模块。

对于大多(duō)数无線(xiàn)功能(néng)，有(yǒu)两种通用(yòng)的设计策略：使用(yòng)适当的微芯片定制构建自己的電(diàn)路，或使用(yòng)具有(yǒu)经过验证的功能(néng)的预认证模块。

设计自己的无線(xiàn)RF電(diàn)路很(hěn)复杂。实际上，正确设计可(kě)能(néng)是最复杂的電(diàn)路类型。老实说，很(hěn)可(kě)能(néng)不会正确完成。您应该期望需要多(duō)次原型迭代才能(néng)使其正确。

定制设计的另一个缺点是，它将使您的FCC认证成本至少增加10,000元。使用(yòng)模块可(kě)能(néng)会稍微降低您的利润率，但是最大化利润率绝不是您的首要任務(wù)。

是的，您需要提前了解大规模生产后的利润率。但是，刚开始时，您的首要任務(wù)应该是减少市场成本，而不是使利润最大化。利润来得晚。

＃3 –等待时间太長(cháng)，无法估算制造成本

这是一个很(hěn)大的。成功的高科(kē)技公司通常会在开始全面开发之前大致知道产品要花(huā)多(duō)少钱才能(néng)很(hěn)好地进行生产。否则，他(tā)们怎么知道该产品值得开发？

如果您不是一家市值十亿美元的科(kē)技公司，那么很(hěn)有(yǒu)可(kě)能(néng)首先要对您的产品进行全面设计。一旦有(yǒu)了最终的原型，并准备好开始生产，那么您将最终估算出制造该产品的成本。

但是，如果您发现产品的制造成本将超出预期，会发生什么情况？您可(kě)以提高销售价格目标，但这显然会带来负面影响。

您也可(kě)以进行一些重新(xīn)设计以降低制造成本。但是，仅在第一次设计时就更有(yǒu)意义了吗？

出于可(kě)以理(lǐ)解的原因，许多(duō)人认為(wèi)您必须完全开发产品，然后才能(néng)准确地计算制造成本。那绝对是不正确的。

有(yǒu)了正确的经验，这是能(néng)够准确估算的制造成本几乎任何产品。这很(hěn)可(kě)能(néng)在任何PCB布局或3D建模发生之前发生。

＃4 –大電(diàn)流PCB走線(xiàn)的宽度不足

如果PCB走線(xiàn)将流过大约500mA以上的電(diàn)流，那么走線(xiàn)所允许的最小(xiǎo)宽度可(kě)能(néng)就不够了。

PCB走線(xiàn)的所需宽度取决于几件事，包括走線(xiàn)的厚度（铜的重量）以及走線(xiàn)是在内部还是外部。

对于相同的厚度，在相同的宽度下，外层可(kě)以比内部走線(xiàn)承载更多(duō)的電(diàn)流，因為(wèi)外部走線(xiàn)的气流更好，从而可(kě)以更好地散热。

任何载有(yǒu)超过500mA的PCB走線(xiàn)都需要比最小(xiǎo)走線(xiàn)宽度更宽。

厚度取决于该导電(diàn)层使用(yòng)了多(duō)少铜。大多(duō)数PCB制造商(shāng)都允许您从0.5 oz / sq的各种铜重量中进行选择。ft至约2.5 oz / sq。ft。如果需要，您可(kě)以将铜的重量转换為(wèi)厚度测量值，例如密耳。

在计算PCB走線(xiàn)的電(diàn)流承载能(néng)力时，必须指定该走線(xiàn)的允许温升。

通常，升高10C是一个安全的选择，但是如果您需要缩小(xiǎo)走線(xiàn)宽度，则可(kě)以使用(yòng)20C或更高的允许温度升高。

尽管走線(xiàn)宽度的计算非常简单，但我通常还是建议使用(yòng)走線(xiàn) 宽度计算器。

＃5 –未获得设计审查

如果您在原型设计之前没有(yǒu)得到产品的独立设计审查，那么您可(kě)能(néng)会浪费金钱。

工程师有(yǒu)多(duō)优秀并不重要，没有(yǒu)人是完美的，所有(yǒu)工程师都会犯错。

获得定制原型（无论是電(diàn)子PCB还是产品外壳）并不便宜。您需要的原型迭代次数越多(duō)，总成本就越高。开发产品并将其推向市场还需要更長(cháng)的时间。

减少所需原型迭代次数的最佳方法之一是获得第二种意见，即设计审查。成功的高科(kē)技公司始终要求其工程师进行设计审查，以寻求尽可(kě)能(néng)多(duō)的其他(tā)工程师的反馈。

不幸的是，许多(duō)企业家，初创公司和小(xiǎo)公司犯了完全跳过这一关键步骤的错误。如果您有(yǒu)足够的技巧自己对设计进行充分(fēn)审查，那就很(hěn)好。但是，如果您具有(yǒu)这些技能(néng)，您可(kě)能(néng)会自己完成设计。

＃6 –不正确使用(yòng)去耦電(diàn)容器

关键组件需要干净，稳定的電(diàn)源。去耦電(diàn)容器放置在電(diàn)源轨上，以在这方面提供帮助。

但是，為(wèi)了使去耦電(diàn)容器发挥最佳作用(yòng)，它们必须尽可(kě)能(néng)靠近需要稳定電(diàn)压的引脚。

来自電(diàn)源的電(diàn)源線(xiàn)需要进行布線(xiàn)，以便在连接至需要稳定電(diàn)压的引脚之前先连接至去耦電(diàn)容器。

同样，至关重要的是将電(diàn)源稳压器的输出電(diàn)容器放置在尽可(kě)能(néng)靠近稳压器输出引脚的位置。

这对于优化稳定性是必不可(kě)少的（所有(yǒu)调节器均使用(yòng)一个反馈环路，如果未正确稳定，该环路可(kě)能(néng)会振荡）。它还可(kě)以改善瞬态响应。

＃7 –产品外壳不可(kě)制造

您已经花(huā)费了所有(yǒu)时间和金钱来使产品外壳的设计看起来恰到好处。对您来说，这就像艺术品，这需要一堆3D打印的原型迭代来完善其外观和功能(néng)。

您终于有(yǒu)了完美的原型！现在，您只需要找到制造商(shāng)即可(kě)批量生产它们，那么您就很(hěn)好了。正确的？

如果我告诉您您的机箱设计没有(yǒu)用(yòng)，而您实际上需要重做整个事情，该怎么办？听到这太可(kě)怕了，但这是非常普遍的现象。

3D打印非常宽容。您可(kě)以设计和打印几乎任何您想像的东西。但是3D打印仅用(yòng)于生产一些原型。高压注塑成型是用(yòng)于大批量生产塑料零件的技术。

不幸的是，注射成型根本不能(néng)原谅。这是一项具有(yǒu)许多(duō)设计规则的技术，必须严格遵守。这些规则可(kě)能(néng)如此重要，也可(kě)能(néng)如此局限，以至于需要进行重大的重新(xīn)设计才能(néng)使外壳可(kě)制造。

设计产品外壳时，请務(wù)必从一开始就考虑注塑要求。

＃8 –错误的PCB着陆模式

所有(yǒu)PCB设计软件工具均包含常用(yòng)電(diàn)子组件库。这些库既包括原理(lǐ)图符号，又(yòu)包括PCB着陆图。只要您坚持使用(yòng)这些库中的组件，一切都会很(hěn)好。

当您使用(yòng)随附库中未包含的组件时，问题就开始了。这意味着工程师必须手动绘制原理(lǐ)图符号和PCB着陆图案。

绘制着陆图案时很(hěn)容易犯错误。例如，如果您将引脚与引脚之间的间距缩小(xiǎo)了几毫米，则将无法在板上焊接该部件。

避免此错误的简便方法是按1：1比例打印出PCB布局。然后订購(gòu)所有(yǒu)各种组件（主要是微芯片和连接器）的样品，并手动将其放置在印刷的PCB布局上。这使您可(kě)以非常迅速地验证所有(yǒu)着陆模式是否正确。

＃9 – PCB设计不可(kě)制造或成本太高

甲经由处于PCB的导電(diàn)孔，从不同的层所连接的信号。最常见的通孔类型称為(wèi) 通孔， 因為(wèi)它会穿过電(diàn)路板的所有(yǒu)层。这意味着即使您只想将迹線(xiàn)从第一层连接到第二层，所有(yǒu)其他(tā)层也将具有(yǒu)此直通孔。

由于过孔甚至不使用(yòng)过孔，也会减少层上的布線(xiàn)空间，因此可(kě)能(néng)会增加電(diàn)路板的尺寸。

甲经由盲另一方面外部层连接到一个内部层，和一个通过掩埋所连接两个内部层。但是，盲孔和掩埋通孔在可(kě)用(yòng)于连接的层上有(yǒu)非常严格的限制。

＃1是连接所有(yǒu)层的直通孔，＃2是连接层1和2的盲孔，＃3是连接层2和3的埋孔。

使用(yòng)实际上无法制造（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，您必须了解如何堆叠各层以制造PCB。

有(yǒu)关掩埋/盲孔的所有(yǒu)技术细节。

请注意，即使正确使用(yòng)它们，盲孔/埋孔也会大大增加原型板的成本。很(hěn)多(duō)时候，它们的使用(yòng)会使您的電(diàn)路板成本增加一倍，尽管一旦您达到更高的产量，这种成本增加的意义就不大了。

在几乎所有(yǒu)情况下，除非绝对必须具有(yǒu)最小(xiǎo)的PCB设计，否则最好避免使用(yòng)掩埋和盲孔。

＃10 –开关稳压器的PCB布局不正确

开关稳压器通过暂时存储能(néng)量，然后以受控方式将其释放到输出，将一个電(diàn)源電(diàn)压转换為(wèi)另一電(diàn)源電(diàn)压。使用(yòng)的存储元件是電(diàn)感器和電(diàn)容器。

与简单的線(xiàn)性稳压器相比，开关稳压器效率极高，功耗极低。但是，正确使用(yòng)它们要复杂得多(duō)。

使用(yòng)开关稳压器的最大复杂性是正确设计其PCB布局。您不能(néng)随意放置组件并将它们连接起来。

对于开关稳压器，应遵循严格的布局规则。幸运的是，几乎所有(yǒu)关于开关稳压器的数据表都将包含讨论正确布局的部分(fēn)，并给出如何正确进行设置的示例。