降低成本的工程設(shè)計(jì)

電子系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)格局要求新設(shè)計(jì)必須在性能上與市場(chǎng)上其他類似系統(tǒng)區(qū)分開(kāi)來(lái)。然而，隨著技術(shù)和制造能力的不斷進(jìn)步，即使是獨(dú)特的靜態(tài)設(shè)計(jì)最終也將面臨成本壓力。最好的設(shè)計(jì)必須從一開(kāi)始就考慮所有可用的降低成本的機(jī)會(huì)。為了降低 PCB 系統(tǒng)的總成本，在首次構(gòu)建之前需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)決策。這些項(xiàng)目涉及設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以控制的領(lǐng)域。

用于 PCB 組裝的表面貼裝技術(shù) (SMT) 通常是制造新設(shè)計(jì)的成本最低且麻煩最少的工藝。在可能的情況下，減少或移除所有電鍍通孔 (PTH) 組件，因?yàn)樗鼈冃枰嘿F的手動(dòng)組裝工作。某些加固型外部連接器可能僅提供通孔選項(xiàng)。如果需要，考慮使用帶有附加緊固件的表面貼裝連接器。

PTH 組件通常比 SMT 組件更堅(jiān)固、更堅(jiān)固。這使它們成為連接器的理想選擇。在必須使用 PTH 組件的情況下，請(qǐng)與您的 CM 討論“Paste in Hole” (PIH) 技術(shù)。這是在 PCB 上的電鍍通孔中和周圍篩選焊膏的過(guò)程。然后，將通孔元件的引線放置到這些準(zhǔn)備好的通孔中。PCB 僅經(jīng)過(guò)一次回流焊接工藝，因此可以同時(shí)端接通孔和 SMT 組件。PIH 使雙面電路板的加工變得更容易、更快、更便宜。

PIH 需要設(shè)計(jì)的兩個(gè)先決條件。首先，組件的絕緣材料必須能夠承受鉛或無(wú)鉛回流溫度。檢查相關(guān)組件的數(shù)據(jù)表以驗(yàn)證此信息。其次，引線周圍的垂直和水平間隙必須足夠大，以允許足夠量的印刷焊膏。需要此空間以允許熔融焊膏從 PCB 表面暢通無(wú)阻地轉(zhuǎn)移到電鍍通孔中。

對(duì)于組件數(shù)量相對(duì)較少的設(shè)計(jì)，盡可能使用單面 PCB SMT。雖然這可能僅適用于有限數(shù)量的系統(tǒng)，但它可以顯著降低裝配復(fù)雜性。組裝過(guò)程越簡(jiǎn)單，成本就越高越好。由于不必要的復(fù)雜性和組件損壞而導(dǎo)致的組裝返工延遲了生產(chǎn)量并增加了成本。

PCB 的尺寸將直接影響其成本，因?yàn)檫@將決定每個(gè)面板的系統(tǒng)數(shù)量。布局的尺寸應(yīng)盡可能小，同時(shí)還要考慮 PCB 內(nèi)信號(hào)和接地層的最少數(shù)量。盡管可以從以前的設(shè)計(jì)中重復(fù)使用電路塊，但由于其互補(bǔ)功能，它在不同系統(tǒng)中的使用可能需要新的布局。

埋在 PCB 內(nèi)的盲孔通常用于最大限度地減少對(duì)頂部和底部平面的空間影響。但是，請(qǐng)與您的 CM 一起了解盲孔的制造能力及其對(duì)成本的影響。您的 CM 還可以幫助您了解每個(gè)面板的 PCB 數(shù)量的最大陣列尺寸。這將使一次構(gòu)建的電路板數(shù)量最大化。

物料清單 (BOM) 中的每個(gè)組件都應(yīng)為系統(tǒng)提供獨(dú)特的價(jià)值。要測(cè)試這種情況，請(qǐng)考慮如果缺少組件，系統(tǒng)是否會(huì)運(yùn)行不正常、運(yùn)行不佳甚至完全失敗。對(duì)于大多數(shù)組件，這顯然是正確的。然而，例如，冗余并聯(lián)旁路電容器可能經(jīng)常潛入設(shè)計(jì)中的每個(gè)有源組件電源引腳。

有時(shí)，設(shè)計(jì)師可能會(huì)簡(jiǎn)單地重復(fù)使用遺留設(shè)計(jì)塊，因?yàn)椤八恢倍际沁@樣完成的”。然而，除非制造商的數(shù)據(jù)表要求在每個(gè)電源引腳上進(jìn)行極端旁路，否則可能會(huì)有一些旁路電容釋放的機(jī)會(huì)。此外，檢查信號(hào) I/O 上的所有上拉和下拉電阻，以確定設(shè)計(jì)中是否確實(shí)需要這些電阻。如果有源組件已經(jīng)提供了內(nèi)部上拉或下拉，那么這個(gè)外部電阻可能是多余的。

組件制造商就像任何其他行業(yè)一樣對(duì)他們的產(chǎn)品進(jìn)行細(xì)分和營(yíng)銷。出于成本原因，重要的是查看組件的所有廣告功能。只購(gòu)買(mǎi)那些需要的性能特性。在“比要求更好”的特性上畫(huà)一條線，這些特性只會(huì)增加成本，而不會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)額外的價(jià)值：

• 容差——無(wú)源元件供應(yīng)商通過(guò)提供多個(gè)容差范圍的電容器、電阻器、電感器和其他（例如 1%、5%、10% 和 20%）來(lái)細(xì)分他們的產(chǎn)品。這有助于他們以客戶愿意為其制造所達(dá)到的公差精度支付的最高價(jià)格出售其工廠的全部產(chǎn)能。同樣，為了測(cè)試系統(tǒng)容差的相關(guān)性，請(qǐng)考慮如果組件超出容差，您的系統(tǒng)是否會(huì)運(yùn)行不正常、性能不佳甚至完全失敗。如果不是，請(qǐng)考慮擴(kuò)大對(duì)價(jià)格較低的無(wú)源元件的容忍度。

• 功率要求和尺寸 - 無(wú)源組件根據(jù)其最大功耗進(jìn)行額定，例如 ? 瓦電阻器。評(píng)估每個(gè)無(wú)源組件所需的最大功率要求，并僅在 BOM 中包含所需的標(biāo)準(zhǔn)。這通常也驅(qū)動(dòng)到最小尺寸的組件。

• 有源電路性能——最好的系統(tǒng)可能需要最高性能的有源元件。當(dāng)時(shí)鐘頻率、開(kāi)關(guān)速度、信噪比或高增益驅(qū)動(dòng)差異化時(shí)，最高性能的半導(dǎo)體無(wú)可替代。但是，對(duì)于那些并非如此的應(yīng)用領(lǐng)域，請(qǐng)確保系統(tǒng)沒(méi)有“過(guò)度設(shè)計(jì)”，使用比所需性能更高的集成電路，因?yàn)檫@只會(huì)增加成本。查看可以為簡(jiǎn)單起見(jiàn)重復(fù)使用但導(dǎo)致性能高于系統(tǒng)要求的遺留電路塊。

• 內(nèi)存大小——盡管內(nèi)存幾乎總是以 2n 位的大小提供，但未使用的空內(nèi)存沒(méi)有額外的價(jià)值。盡可能壓縮固件或計(jì)算內(nèi)存，只使用系統(tǒng)所需的最小內(nèi)存大小。

• 溫度等級(jí)——組件供應(yīng)商通常在多個(gè)溫度等級(jí)中區(qū)分他們的產(chǎn)品以細(xì)分市場(chǎng)。消費(fèi)類 (0-70C)、工業(yè)類 (-25-85C) 和汽車類 (-40-105C) 的定價(jià)依范圍而定。確保 BOM 中組件的溫度等級(jí)滿足且不超過(guò)您的系統(tǒng)應(yīng)用要求。必要時(shí)降低組件的溫度等級(jí)。

• 供應(yīng)商選擇——可能存在成本較低的等效或引腳兼容的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品?？紤]所有適用的組件供應(yīng)商。

對(duì)于系統(tǒng)中的任何自定義組件，確定是否可以通過(guò)具有競(jìng)爭(zhēng)性報(bào)價(jià)的多個(gè)供應(yīng)商采購(gòu)。從單一供應(yīng)商處獨(dú)家采購(gòu)的定制組件將付出高昂的成本。如果可能的話，請(qǐng)讓兩個(gè)或更多供應(yīng)商擁有可互換的零件，每個(gè)供應(yīng)商都會(huì)贏得部分產(chǎn)量。

考慮與系統(tǒng)的物流計(jì)劃員密切合作，無(wú)論是在內(nèi)部還是與您的交鑰匙 CM，以采購(gòu)更大數(shù)量的組件。一旦您的系統(tǒng)在成熟的運(yùn)行率下穩(wěn)定生產(chǎn)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，大批量購(gòu)買(mǎi)可能有助于降低組件定價(jià)。作為一般經(jīng)驗(yàn)法則，組件定價(jià)通常繼續(xù)與數(shù)量成反比，直到數(shù)量超過(guò) >100,000-250,000。在超出此數(shù)量的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，定價(jià)確定了一個(gè)下限，額外的數(shù)量不再推動(dòng)明顯降低的組件成本。

審查盡可能多的分銷商的組件成本，以獲得最佳定價(jià)?；蛘?，交鑰匙 CM 可以訪問(wèn)廣泛的分銷商選擇，并可以匯總他們的訂單以獲得更好的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。在某些大批量的情況下，直接從組件制造商處購(gòu)買(mǎi)特定的高價(jià)值組件可能是繞過(guò)分銷商加價(jià)的一種選擇。組件供應(yīng)商會(huì)告知您有資格成為直接 OEM 帳戶的數(shù)量或美元價(jià)值。盡可能在 BOM 中使用相同的 R 或 C 值來(lái)整合各種組件。這將推動(dòng)更少離散值的更大數(shù)量。

由于許多設(shè)計(jì)在準(zhǔn)備好進(jìn)行最終生產(chǎn)之前要經(jīng)過(guò)多次測(cè)試和調(diào)試迭代，因此第一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的嵌入式測(cè)試模式電路可能在生產(chǎn)中不再有價(jià)值。除非需要測(cè)試點(diǎn)或調(diào)試電路來(lái)觀察生產(chǎn)期間或之后的行為，否則請(qǐng)考慮刪除系統(tǒng)生產(chǎn)版本的測(cè)試模式或非必要功能。這可能包括用新的跡線或焊料替換零歐姆電阻測(cè)試點(diǎn)。此外，最終的 PCB 布局設(shè)計(jì)應(yīng)縮小尺寸以去除任何電路調(diào)試區(qū)域。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可能對(duì)組件包裝漠不關(guān)心，而不是定價(jià)。然而，它可能會(huì)在制造過(guò)程中造成組裝的過(guò)度復(fù)雜性。與您的 CM 合作，了解組件包裝形式如何由于其取放機(jī)械的易用性而降低成本。非標(biāo)準(zhǔn)包裝可能需要更多處理或推動(dòng) CM 使用效率較低或成本較高的舊設(shè)備。

雖然磁帶和卷軸通常是最常見(jiàn)的包裝，但一些較舊的老式模擬組件可能仍僅以電子管格式提供。更大和更復(fù)雜的半導(dǎo)體也可能僅以托盤(pán)形式提供。了解這些設(shè)計(jì)和訂購(gòu)權(quán)衡對(duì)您的制造設(shè)施的影響。

在將新設(shè)計(jì)移交給 CM 進(jìn)行生產(chǎn)之前，請(qǐng)考慮在設(shè)計(jì)階段降低成本的所有途徑。雖然通常首先考慮 PCB 布局以降低成本，但也有許多選項(xiàng)需要審查 BOM 及其采購(gòu)。成本與性能之間可能存在一些折衷。這些是與設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的適當(dāng)討論，以確保系統(tǒng)不會(huì)過(guò)度設(shè)計(jì)，而是針對(duì)市場(chǎng)將支持的內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。這將在制造過(guò)程中實(shí)現(xiàn)最大的效率靈活性。