避免可靠性风险的技巧：电子设计中的关键考虑因素

 

随着电子设备的复杂性不断增加，设计人员面临着确保产品可靠性，平衡可制造性、用户体验、不断增长的功率需求和环境耐用性的挑战。为了在保护产品和品牌声誉的同时实现设计目标，可采用以下几种方法。

 

电子设备和系统变得更小、更快、更强大，且紧密相联。随着客户期望的提高，提供可靠性能的产品越发复杂。工程师和系统架构师被迫在产品性能与业务需求/市场期望之间进行权衡，因此往往会采用折中的方案。 

 

在各行各业，产品可靠性已经与品牌紧密相连，可靠性低的产品可能会对公司的品牌、产品发布甚至新技术的声誉造成毁灭性影响。然而，Molex 在最近对 756 名设计工程师和系统架构师进行的有关扩展阅读《产品可靠性与硬件设计的调查》中发现，在进行设计权衡时，只有3%的受访者将可靠性作为首要考虑因素。 

 

工程师们坚信，在设计过程中必须充分考虑以下关键因素。同时，这也涉及到为确保产品可靠性而进行的创新措施。

 

借助技术手段，可以在成本预测、可制造性和可靠性之间达成平衡

 

 

 

从技术上讲，产品成本和可制造性是两件事，但它们通常密切相关，数据也支持这种相关性。50%的受访者认为，在进行设计权衡时，人们最有可能优先考虑的是成本而不是产品可靠性；而46%的受访设计人员认为最有可能优先考虑的是可制造性。但是，是否有必要进行这种权衡，是否在不牺牲可靠性的情况下仍能（控制成本进而）满足业务需求呢？  

 

由汽车行业推动的预测工程和数字孪生方面的创新正在挑战人们先入为主的观念。长期以来，设计人员一直借助软件来设计印刷电路板、突出显示电路板上的发热点和电磁干扰问题。但是，预测和数字孪生技术的进步开始将整个设计整合在一起，并在制作实物原型之前预先确定产品在真实环境中的性能。这种软模拟如何帮助我们在成本、可制造性和可靠性之间进行平衡呢？可以通过如下几种方法进行平衡：  

 

材料选择 – 产品设计中使用的金属、塑料和其它材料的选择会极大影响产品成本、制造和装配方式以及典型和极端应用场合中产品的长久可靠性。热管理对可靠性的影响尤为重大，这在很大程度上受到材料的影响。这种选择也会影响制造方法，例如是否应启用3D打印。预测工程不仅可以预测材料的性能，还可以预测它们能否经受住环境暴露和日常使用的严酷考验。 

 

元器件选择 – 预测建模可以帮助我们确定：为了满足性能要求（这对成本影响很大），是需要用现成的元器件还是用定制的元器件，以及元器件在整个产品生命周期中的可靠性如何。Molex 甚至在设计自己的高可靠性连接器时使用预测工程技术，Molex最近开发了一种高保真数字孪生，以95%的准确率预测连接器的额定电流，并测量临时电流峰值的影响。对于像汽车这样可靠性会影响用户安全的行业，这项技术可以帮助车企减少车辆的召回和保修。  

预测性工程和数字孪生的下一步发展是什么呢？

 

Molex莫仕已经开始将这项技术与AR/VR设备相结合，使工程师能直接与虚拟世界和环境进行互动。随着这项技术的日益普及，我们可以期待工程师能够直观展示内部系统、子系统和元器件的可靠性特征，例如在采用工业 4.0 系统的工厂车间，这些数据对于控制未来设备的成本、可制造性和可靠性非常宝贵。工程师们对这一未来感到兴奋，近一半的受访者认为，人工智能、机器学习、模拟和数据分析等数据驱动技术的创新为未来5年提高电子产品可靠性提供了最佳机会。

 

 

用户体验，将软件和硬件的可靠性问题联系在一起

 

 

 

毫无疑问，消费者与智能手机等日常设备互动的趋势正在扩展到专业应用程序中，而糟糕的用户体验（UX）可能很快就会毁掉一款产品的发布。超过三分之一的受访者认为必须让用户获得好的体验，为此，我们甚至不惜以牺牲产品可靠性为代价。

 

但用户体验是对软硬件设计的复杂感受，用户可能认为某个问题是硬件可靠性问题，但实际上却可能是编程问题。此外，用户还受到外部影响而体验不佳，该影响也可能被视为设备的可靠性问题。而连通性问题也会严重破坏用户体验，例如：数据中心停机、网络拥堵，甚至来自附近设备的干扰问题。用户体验还如何影响在可靠性方面的决策呢？ 

 

触屏交互性 – 触摸屏在智能手机上被成功应用，自此，触摸屏被融入到几乎每个行业的设备中。电容式触摸开关被用在从汽车娱乐系统到医疗设备在内的各种设备上，它重新定义了控制设备的意义。

 

然而，要使用户体验被认为是可靠的，触摸屏必须反应灵敏，能够承受持续的物理压力并且显示清晰可辨的内容。聚苯乙烯磺酸盐或聚3,4-乙烯二氧噻吩（也称为PEDOT）是一种突破性的有机聚合物，是家用电器等设备上触摸式人机界面（HMI）的理想材料。虽然不像传统的氧化铟锡 （ITO） 触摸开关那样能提供超清晰显示，但 PEDOT 提供了多项性能优势，可直接支持可靠性，可用于耐高温产品（如厨房灶具）以及应用于弯曲和非传统表面，这时它提供更高的耐用性。

  

非接触式连接 – 新兴的非接触式连接设备，例如 Molex 的 MX60 系列解决方案，与传统的机械连接器相比，在提高长久可靠性的同时，为用户体验带来了诸多好处。

 

非接触式连接器利用小型化射频 （RF） 接收器和收发器在近距离进行无线数据交换，并可通过 DisplayPort、千兆以太网和 USB SuperSpeed 等协议进行通信。

 

有了这种非接触式连接设备，当两台显示器并排放置时，我们无需物理电缆即可立即将一台显示器的屏幕内容转移到另一台上，从而简化了用户设置，并消除了因接触式连接器的错位或误用而损坏连接点的风险。

 

此外，使用非接触式连接可以取消调试端口，从而改善相关工程师或技术人员的体验，同时消除了接触式连接器上常见的水和灰尘侵入问题。

 

功耗是对可靠性的考验

 

 

从汽车到数据中心，随着用户需要更快、功能更丰富、功能更强大的系统和设备，功耗呈上升趋势。受访者反映了这一转变，25%的受访者将功耗因素放在首位。

 

但功耗因素给可靠性带来了考验，对设计提出了更高的要求，尤其是在热管理方面；同时为了满足使用场合对更高功耗的要求，电网本身的可靠性也受到考验。工程师如何在不影响可靠性的情况下设计更高功耗的产品呢？ 

 

高可靠性连接器 – 尽管质量对于提供可靠的性能始终很重要，但在高功率应用场合中，这种重要性被放大，在这些应用场合中，低质量的连接器会对系统及其周围环境造成损坏。例如，电动汽车电池的充电质量差会导致汽车寿命和行驶距离缩短，甚至导致热失控。类似的风险也存在于家庭储能系统，其中来自可再生能源的低质量电力传输可能会降低电池系统在最需要的时候启动的可能性。 

 

对于电力而言，热量是可靠性的最大威胁之一。在评估用于大功率应用场合的连接器时，重要的是不仅要考虑电流，还要考虑特殊的设计特性，例如大面积的接触表面和低接触电阻，以尽量减少产生的热量。

 

 

可靠性应经得起实际应用考验

 

 

物联网设备的日益普及和各行各业系统的日益复杂，正在将复杂的电子设备置于范围更广泛的环境条件和应用中。这一点并没有被产品设计师忽视。23%的工程师认为产品应该适应环境和使用条件，这是他们的主要设计标准之一。使用预测分析工程技术是在不牺牲可靠性其它方面的情况下确保耐用性的一种方法，但该技术还能做些什么呢？让我们看看汽车领域的情况。 

 

汽车领域对我们的启发 – 很少有应用场合比汽车行业更能将电子系统暴露在范围更广泛的恶劣条件下。汽车或卡车中使用的部件必须能够耐受水和灰尘的侵入、极端温度和持续振动。从某种意义上说，行车环境可以被看作是对部件可靠性的巨大现实考验环境，而那些经受住了恶劣道路环境考验的车辆几乎可以承受任何考验。

 

传统上可能被归类为汽车上使用的连接器也是工业机器人、户外照明、农用设备和船舶的理想选择。洗衣机会暴露在液体、热、冷和振动中。无人机可能会在大风和潮湿的空气中飞行。太阳能发电场会暴露在夏季炎热和冬季严寒天气中。事实证明，汽车及其内部部件可以适应这一切恶劣环境。

  

在考虑连接器在环境条件和日常使用中的可靠性时，请考虑采用：

 

   

具有 IP67、IP68 和 IP69k 等高防护等级的坚固外壳，这种外壳可防止液体和碎片杂质的进入 。

 

对配时的锁定和对准机制，如连接器固位装置（CPA）、端子固位架 （TPA）、主锁加固装置 （PLR）、独立辅助锁 （ISL） 和惯性锁，可最大限度地减少连接器的连接意外脱开。

 

工作温度范围大的连接器，以适应冰冻和高温条件 。

 

 

Molex实现产品性能指标和可靠性的关键

 

 

随着工程师在可靠性方面面临越来越复杂的挑战，供应商发挥着越来越重要的作用。超过 90% 的受访者认为，如果没有值得信赖和经过考验的供应商，就无法打造可靠的产品。但96%这一压倒性多数的受访者曾因可靠性问题而更换了零部件供应商，28%的受访者表示经常更换供应商。那么，供应商能否满足客户不断增长的需求呢？ 

 

Molex 能够迎接挑战，我们的历史证明了这一点。80 多年来，我们拥有提供创新型、高质量互连解决方案的经验，这得益于我们全球多学科的工程团队的努力、尖端技术和奉行的客户至上原则。与客户合作是我们一切工作的核心，专注于在不牺牲可靠性的情况下应对设计工程师面临的复杂权衡问题。每当客户与 Molex 合作时，他们都会将自己品牌声誉交到我们手中掌控。我们确保他们能够提供可靠的产品。