多途径开拓电子原型设计

新产品辅助开发工具可谓层见迭出，品类也愈加广泛。也正是得益于台式计算机硬件性能的不断升级、愈加丰富的云资源以及高级仿真工具，工程师们可以在虚拟域和物理域中利用原型设计对电子系统的性能进行高度精确的建模。
在虚拟域中，工程师现在不仅可以分析混合信号电路的频率特性和噪声水平，甚至能够预先评估单个集成电路的电磁兼容性，之后再将其安装于印刷电路板(PCB)上。也就是说，工程师无需投资高性能测试设备对电路设计进行广泛分析，通过模拟即可实现高可信度设计;同时，还能有效避免电路布局失误，从而只需租用设备就能更快更便捷地完成最终测试。
一些经济型工具，如Altium系列设计软件和National Instruments的LabView，不仅提供执行 SPICE仿真的工具——这对于评估基本原理图的模拟性能至关重要，同时还提供多种任务功能组件，可准确预测原型设计进行PCB布设和装配后的性能状况。例如，PCB叠层计算器可以确定与布线路径相关的寄生参数，而信号完整性分析仪可发现潜在的串扰和噪声问题。
硬件原型设计和小批量生产
很多情况下，只有硬件原型能够提供模拟功能。这就意味着，工程师团队可能需要部署硬件来测试虚拟环境中难以执行或过于耗时的设计假设。例如，面向微控制器运行环境而设计的可编程软件控制环路需要对现实世界的信号进行实时仿真，以评估其在各种目标场景中能否稳定运行，然而，软件指令集模拟器可能无法及时交付结果或无法运行真实的输入数据。另外，评估射频(RF)设计中不同天线的性能时，通过对硬件原型进行各种不同配置能够更好地执行评估任务。
还有一种情况，就是当项目进入现场试验和早期客户验收测试阶段。尤其是物联网项目，开发团队必须了解网络中多个设备之间以及与云平台之间的协作运行情况。这就促使他们考虑采用原型设计，甚至小批量生产方案，以便能够获得充足硬件来满足现场试验要求。
开发团队需衡量多种因素才能选定最佳方案，是为现有单板机(SBC)添加定制I/O子板，还是向电子制造服务(EMS)合作伙伴订购小批量生产，亦或是其他方案。举例来说，如果开发团队的目的是要确保软件在核心功能的硬件在环测试中运行如常，而现成的板卡却没有所需接口或者性能不足，那么就更适合使用兼容型SBC并制作原型I/O板卡。即便最终设计方案需要定制PCB设计，甚至使用不同的板载微控制器，原型也能提供足够有用的信息来验证设计合理性，并最大限度地减少量产版所需软件修改工作。开发团队还可以将自定义I/O隔离至子板，最大程度地减少构建可行原型所需的时间和成本。
定制原型设计
在某些情况下，将现成硬件与定制 I/O结合使用，其作用不及定制设计的原型。比如：验证信号完整性相关设计假设所需的PCB设计要求尽可能接近最终产品模型;现场试验所使用硬件通常需要适合高度受限的物理或功率包络。因此，内部实验室需衡量自身构建工作原型的能力，以及EMS合作伙伴提供完全组装硬件的交货时间和成本，从而制定设计决策。
如果硬件部件的复杂性相对较低，那么采用面包板设计则是可行选择。这尤其适用于结合使用SBC与自定义I/O 子板的设计，只需将少量组件组装到面包板上。如果大部分组件是离散的，采购兼容面包板平台的通孔设备将能实现更简便设计。此外，原型设计团队可以通过经验丰富的分销商获得有关封装选择的专业建议，从而打造出表面贴装组件并实现最终生产。
封装选择很关键
无论设计团队是选择从EMS供应商订购完全组装好的原型，还是在内部实验室执行部分组装，都需要考虑封装这个重要因素。目前设计团队常用的策略之一是使用Altium和Autodesk等的工具进行PCB原型设计，然后在实验室中组装所需组件。要采用这一策略，设计团队必须既有设计洞察力，又能获得低成本的实验室工具和测试设备。
与面包板设计方案相比，设计人员不仅可以选择采用通孔封装组件，还可以选择那些用于表面贴装的组件。然而，在实验室环境实际组装和焊接的组件，在实践中却受到限制，这是因为人手与自动拾放设备之间存在精度差异，后者能够以亚毫米级精度装配微小元件。某种程度上来说，如果热焊料得以合理准确地沉积于PCB表面，则其表面张力将有助于将小的离散元件拉入到位。然而，与0402或更小的表面贴装器件相比，采用较大表面贴装封装或通孔封装的手动分立器件显然安装起来更为容易。
此外，与使用球栅阵列(BGA)的器件相比，边缘带引脚的表面贴装器件(如四方扁平封装器件)也更易于在实验室环境中进行组装和焊接，它能让工程师在焊接前查看引脚是否准确对齐。由于诸多表面贴装 IC 所用封装类型多种多样，因此工程师可使用QFP变体进行小批量生产和原型设计，量产阶段则使用BGA或芯片级封装变体。至于哪些组件设计适合采用双轨方法(即原型设计使用一种封装形式，最终PCB生产则使用成本更低或更紧凑的变体)，一些具有设计支持经验的分销商，能够提供专业建议。同时，工程师还可以利用模拟工具，来识别信号完整性或I/O布线的任何可能性变化，从而进行相应设计优化以实现从原型开发走向全面量产。
便于实验室组装的台式工具
市面上的多种常用台式工具，例如细尖烙铁头，能够用于实验室内组装工作。其中，显微镜是在裸PCB上安装细间距器件的重要辅助工具;立体变焦显微镜通常用于提供环形照明，以协助精确放置组件及回流后检查;焊膏注射也是一款重要辅助工具，它通常使用压缩空气反复地将受控量的焊膏涂敷至PCB。对于带有大量紧密引脚的封装(例如QFP)而言，高度控制的焊膏分配将极大地简化安装工作。
对于回流焊操作，工程师可以使用回流加热板逐次回流一小部分电路板。或者，可以在转移到台式回流炉之前将所有组件安装好。制造过程中都会或多或少地发生焊接故障，因此测试和返工工具至关重要。e络盟备有全套实验室专业工具，并拥有内部技术专家，能够为原型组装和返工工作提供专业建议。
总结
设计团队在产品开发过程中创建和使用原型时往往面临诸多选择和权衡。借助经验丰富的分销商，他们能够从多个方面获得专业建议，无论是采购适合实验室组装的组件、确定面向EMS合作伙伴的最佳交付形式，还是更改封装和供应方案以适应最终生产。此外，当选择内部实验室来执行组装任务时，设计团队还可以从分销商那里便捷地获取最适合实验室使用的工具。这样一来，工程师就可以更从容地发挥自身创造力和技能，将产品创意变成现实。
作者：SimonMeadmoreEET电子工程专辑原创

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