【产品设计】电路产品设计关键点

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前言

好的产品离不开以下因素：

足够的技术

电子电路产品是复杂的理论知识集合产物，并且需要实战经验作支持，因为产品蕴含的风险在产品初期不易察觉，因此要求电子设计工程师知识全面、功底深厚。

成本控制能力

电路产品一直给人的印象是“低成本、高附加值”，确实，随着制造行业水平不断提高，制板、焊接的成本一直在下降，现在的芯片、元件也十分抗造，特别是“摩尔定律”让人们轻信信息产业永远向前，但是，元件越来越好、价格越来越便宜只是信息产业的一个方面，实际上，一个产品在漫长的生命周期里，产品会遇到元件价格起伏、供货得不到保障、厂家可能换型等等问题，任何一个问题都可能导致产品无法正常存续，但是这些问题在设计阶段是可以预见和防范。

设计团队的综合素养

电子设计看起来是工程师一人负责的，他能做的工作包括：原理设计、PCB设计、程序设计、打样、小批试验，其实在整个设计流程中，能被看到的工作只是一部分，在项目开发节点上，设计总监要介入审核；在定型归档阶段，标准化专员要监督设计文件是否正确；在小批试制阶段，生产线要反馈生产中出现的问题…经验证明，任何一个环节的动作都能对产品最终形态产生影响。因此，合格的产品是团队协助的产物。

本文总结梳理了电路产品设计的几个关键环节，按照从概貌到细节、从上层到底层顺序将各个关键环节分别介绍：

从“明确需求”开始，介绍认识整机、模块以及概念性创新产品的需求区别；

接着是“方案设计”，首先明确团队重要成员——产品总监的职责，然后介绍方案设计的优选原则和方案验证的方法；

在“具体设计”环节，里程牌节点能让设计师明确当前产品开发的进度情况，这里要求设计师具有跨专业、触类旁通的综合素养，以及必须具备全局意识的职业道德要求；

在“打样、调试”阶段，介绍了几个加快产品进度的实践经验；

一、明确需求

产品设计来自实际需求，设计、制造产品的目的是满足需求、解决实际问题，实际需求可能来自：

1. 老产品电路升级需求

这是最常见的需求来源，老产品需要升级为新产品，新产品中仍然需要一块电路板，这个新电路板要满足新产品的逐项需求，例如尺寸、功耗、接口数量等等。

电子工程师要做的第一步：在现有的电路部件中，寻找出能满足新需求的电路板出来，可能是完全一样现成的电路板、也可能是功能相近的原理图纸，（但是需要电参数上做修改工作）。例如准备设计新款智能洗衣机的液晶面板之前，先找到前一代产品的液晶面板的控制板，评估看看哪些参数可以满足新需求，哪些还不能。

做以上评估是非常有必要的，因为项目经理已经告诉了工程师：这次要上市的新产品售价很低，因此只有低成本设计和制造才能获得利润。同时项目经理还批评了工程师，说他开发的上一代洗衣机的液晶面板控制器花的时间太长，险些贻误了上市时间

如果现有电路板有太多不能满足新产品要求的地方，那么第二步就要将设计需求整理清楚，为后面的电路设计做充分准备。

2.专用设备的需求

专用设备产品有很强的特定需求，一般有如下特点：

1、专用设备对电气性能要求高，为了达到要求，电路上不优先考虑制造成本；
2、专用设备应用领域狭窄，几乎没有通用性，也不存在继承、复用的可能；
3、专用设备的电路板是核心，结构、外观等其他专业设计为其服务、辅助产品完善；

举个例子，芯片厂商会为自家芯片设计"demo评估测试板"，这类产品就属于专用设备，它的功能是对测试芯片的功能和性能；并且这个电路板只能为这一种芯片服务；而且没有外壳，仅仅只依靠板子。

3.创新产品

上述两种需求都属于“被动”需求，创新产品是前瞻预见的产品，其自身需求都是预想的结果。这类需求来自既有产品自我升级需要、潜在问题的解决愿望等等不一而足。

1、需求来自设计产品部门内部，而不是来自外部市场；

2、因为没有限制，所以产品性能很强，功能很全，准备以后产品化阶段时，留有可以性能降额、功能减配的可能性

单片机开发板这类产品可算是创新类产品，这种产品为用户提供一个做各种学习、 搭建各种试验的平台。

二、方案设计

明确了产品需求后，第二步是进行方案设计，这一步是把需求转为实际的工作步骤。

1.产品总监是方案第一制定人

产品总监负责产品需求的细化，任务分配到各个工程师的时候，已经是具体化的任务清单了。

首先，产品总监会将电气原理图或者是原理框图绘制好，原理图已经包含了主控芯片型号、接插件型号等关键部件；

第二，经过产品总监与工程师的面对面沟通，工程师需要了解产品的功能、I/O节点的预留数量等其他细节内容；

第三，产品总监会指定与电子工程师配合的结构工程师人选，两人一起负责电路板与结构件的配合设计。

经过这一步，确认了两个重要信息：第一是方案一定是可行的；第二是落实了重要器件的选型。

2.优选成熟的设计方案

在各个电路产品中，都由基本类似的电路功能模块构成，例如DC-DC电路、LDO电路、RS485、RS232，单片机电路、传感器输入回路、I/O回路，这些功能模块选用的芯片型号、及周边元件参数、元件封装都有成熟的应用经验，在用到这些模块时，应优选现成的设计方案；

除了芯片和元件，接插件的型号、脚序功能，也有既有成熟方案，虽然会根据设计具体需求不同有调整，但是基本原则不变，例如，接插件的间距应在2.0mm、2.5mm、4.2mm、5.08mm这几种选择，除非必要，尽量不选择1.25mm间距的；一般引脚第1位为正极、最后1位为负极；板端接插件选直插形式的，不选贴片的。

线路设计的成熟方案来源有两个，一是量产过的产品，从上面直接借鉴过来；二是芯片的数据手册的推荐方案，该信息将关键回路的线径、元件与芯片管脚的距离，要求得很清楚，应高度关注，认真考虑吸收采纳。

优秀的芯片，其官方数据手册几乎都有介绍元件布局范例和走线设计推荐的专门章节

3.方案验证的两个方法

如果在既有模块方案中，没有能满足需求的，应进行方案验证，遵循如下方法：

① 参数值、预留元件都完全按照数据手册选择，布线方案高度参考数据手册的推荐，将电路模块嵌入到电路设计中，按照最终目标设计，留出必要测试点，然后及时下单打样；

②按照极限参数进行测试，常用的极限参数有，最高输入电压，最大输出电流、最快的上升下降时间等；

③高温测试，45℃环境、模块装备齐全下进行高温测试，观察电路是否正常工作。

方案验证的两条原则：

将新电路一次性融入到整个电路中进行验证，不要孤立验证；
在打样后优先测试验证，不要等到最后再测试。

三、具体设计

确认了方案之后，开始进行具体设计，在此阶段，有如下几个关键需要遵循：

1.里程碑节点

原理图审核节点：

原理图设计完成后，需要呈请设计总监进行审核，原理图虽然是在方案设计初期由设计总监进行，但是具体参数、具体细节仍然由设计者负责把控。在该审核节点，设计总监会提出设计方案意见，以及冗余设计的要求，但不会全面检查设计细节。

电路布局审核节点：

电路板尺寸、形状以及元件封装确定下来，在元件布局时，要考虑接插件的位置，和电气性能的优劣，设计总监会在此阶段协助设计者找出潜在风险。

线路设计审核节点：

线路设计进行到敷铜完成时，不要继续细化ERC或者丝印符号整理，这时应及时呈请设计总监再次进行审核，一般从方案确定到线路设计完成，至少需要1周，在此时间里，结构方案、电气方案很可能会调整，因此对电路设计必要的修改要求自然不在话下，所以进行到70%-80%进度时要及时进行沟通。

再次强调产品总监的作用：工程师和产品总监看问题的角度不同，工程师较为具体，总监更为全面。可将产品总监视为“客户”，对待客户不能马虎，因为客户也是付钱的“金主”

2.结构设计

成品电路板是整机部件的一个组件，要安装在结构件中，与结构工程师的配合十分重要，一般结构设计与电路设计是同时进行的，并且结构设计的变动次数更多，在整个设计过程中，电路设计工程师要不断与结构工程师进行沟通，具体内容如下：

固定孔的位置和尺寸

结构件上使用什么螺钉尺寸，电路板有对应的孔径要求，对应关系详见表格；

电路板厚度

电路板厚度可选的有：1.6mm、1.2mm、1.0mm，前两种用的最多，在空间狭小的结构中，板厚对整体布局影响凸显，要沟通好使用哪种厚度；

电路板上下的空间

在小型模块产品中，空间利用率比整机产品高很多，结构件和电路板虽然不至于到“犬牙交错”的程度，但是“安装工序可逆”已经是做不到了，要注意功率电感、电解电容、插座与结构的干涉情况，不仅如此，插头的拔插空间也要考虑在内，并且，电路板背面的漏出引脚的长度也要一并考虑。

散热

散热有主动散热和被动散热两个方案，理想的主动散热指的是在电路设计上就采取降低输出功率、参数降额、增大容差的方法，以此达到降低无效功率输出的目的。

实际中更多采用被动散热方式，除了增加功率回路的敷铜面积外，就是要依靠金属结构件与发热元件接触传导散热，这就要明确电路板上发热集中的区域在哪里，金属构件要在相应的区域凸起。为了增加导热效果，需要在构件和芯片之间安装导热垫，导热垫的延展程度、裁切大小、形状都要明确下来。如果出现需要增加散热风扇的情况，要额外增加器材选型、测试等一系列工作。

人机交互

电路板会有拨码开关、LED、微动开关、数码管、短路帽、测试端口、按键板等部件，不同于接插件，这些部件是有可能经常人为操作的。

在与结构设计沟通过程中，要考虑到：

① LED发散角度、亮度、颜色；

② 短路帽会因为震动脱落，是否必须使用；

③ 拨码开关的功能是否在壳体上明示出来；

④ 微动开关按钮杆的长度，是否伸出壳体外部还是隐藏于内部；

⑤ 蜂鸣器的音量是否足够，是否需要增加功放电路和扬声器；

⑥ 如果线缆与电路板直接焊接，是否要考虑线缆如何捆扎固定；

3.全局考虑

读者会发现，一款电路产品设计过程中，设计师完全自己独立负责的工作部分其实占比很小，大多数时间和精力是在于设计团队成员的沟通上，这是因为电路设计是时间成本较高、修改难度较大的工作，如果初期方案不合理或者细节考虑不周，那么即使是一个元件的布局调整，所花费的时间也很长，对开发进度影响很大。

这里笔者对设计师提出了全局考虑的建议，考虑方面有以下几点：

冗余设计

这里举例说明：

例子1：产品要求红绿两色LED做工作和电源指示灯，考虑到是产品既用在室内，也用在户外，在电路上选用中功率、甚至是大功率开关管，并设计多种工作电压，这样做虽然增加有限的成本，但是增加了LED的适用场合；

例子2：在有单片机的电路，在电路板空间足够的前提下，额外增加微动开关、LED指示灯、蜂鸣器等人机交互元件，这些部件对调试程序很有帮助；

兼容设计

例子1：在使用继电器干接点时，在触点的公共端增加电源选通开关或者0Ω电阻，可以通过简单操作让干接点变成“湿节点”；

例子2：电源端口管脚排序与其他电路的排序一致，这样可以让线缆设计趋于统一；

1脚位电源正极，最末脚位是负极

防呆设计

这是对接插件选型的要求，一个电路板上的不同插座应该尽量做到彼此不同，包括同型号系列但是不同脚位数量，或者相同脚位数量但是形状不同，插头插座一一对应，彼此分开能防止插错；

实际中可能做不到每两种插座不相同，但是电源插座与信号要分开、强弱信号插座不能混同，总之要保证：即使不小心插错了，也不会导致电路板不可逆的损坏。

四、打样、调试

经过审核后，PCB可以打样加工了。到了这一步，需要以下几个条件满足：

产品需求不再变化

结构设计是否有变化，功能是否增加冗余考虑，元器件的供货是否出现问题，新品元件是否断货，I/O引脚数量是否有改变。设计师应该时刻关注产品设计团队的动向，并及时了解元器件的货源、价格变动情况。

明确分步单走还是协同一致

在产品开发过程中，配合要求程度不是完全一样的，有的是“电路板设计等结构件设计完成才能进行”，有的是反过来，设计者要了解清楚这个情况：如果是前一种，那么电路板可以尽早出图、打样，这样可以为软件调试留足时间，也可以提早发现电路板设计的错误。

足够好原则

先把关键环节把握好：引脚间距、芯片脚序、规则约束中是否允许短路、冷偏门的元件是否已经买到、元件与结构是否严重干涉，这些问题确认无误既是足够正确，符号丝印是否干涉、插座选卧式还是直插，如果至今悬而未决，可以不必细究。

贯彻足够好原则的前提是：程序开发时间紧迫；急需验证而不是马上定型，等。设计工作既要细致，同时也要求周到，这个全局意识如果把握不好，及时与设计总监沟通。

对于开发周期长的项目，每一次打样制板都可视为一次里程碑阶段点，打样发图后，将转出Gerber的文件、原理图项目文件、焊接清单（如果此时不整理焊接清单，那么请将原理图中所有元件参数修改正确）这些文件压缩保存，（History文件夹可以删去），标注清晰节点时间。

为了防止文件丢失或者损坏，除了备份在移动硬盘里，也可以以邮件附件形式保存在服务器上

关于GERBER文件

GERBER文件包含了电路板制作加工的所有信息，包括钻孔文件、走线文件、丝印文件等，这个文件各个制板软件都是通用的，我们只需要将该文件交付给PCB制板公司即可。

GERBER文件只是加工制造文件，不会透露电路原理信息，为商业保密考虑，不允许将电路板板的项目文件提交给外部组织。

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总结

1、电路产品设计关键点很多，按照顺序应该先分析需求，再提出解决方案，最后才是具体设计；

2、电路产品成本支出在元件材料和人工设计两个方面，应该在需求分析阶段就做全局把控，产品设计需要团队配合完成；

3、电路工程师要掌握的能力很多，既需要专业技术能力，也包括团队协调能力。