PCB布局布线中如何节约研发成本

研发成本包括研发费用和产品成本，研发费用包括开发费用、测试费用和人工费用等，产品成本包括采购和材料费用、制造费用等。

我们知道，一个产品的生命周期包含了产品成长期、成熟期、衰退期三个阶段。而产品研发和设计是我们后续的生产制造、销售服务的源头之所在，一个产品的大概成本其实在设计成功后就已经基本成型，作为后期的产品生产等制造工序（实际制造成本）来说，其最大的可控度只能是降低生产过程中的损耗以及提高装配加工效率（降低制造费用）。有一个观点是被普遍认同的，如下图所示，设计初始阶段的概念性选择和决定（Concept部分），占有总产品成本的70%左右，在产品的设计阶段就已经确定1。也就是说，一个产品一旦完成研发，其后续的材料成本、人工成本便已基本定性，制造中心很难改变设计留下的先天不足。有很多产品在设计阶段，就注定其未来的制造成本会高过市场价格。

下图为产品整个生命周期各个重要节点的成本示意图。图中可清楚地看到，每一个时间节点所进行的更改，都将对整个生命周期链条上后续的各个阶段产生重大影响。而且越早阶段的更改产生的影响越大。例如下图所示，设计阶段一个特定元器件的更改，将导致后续不可预知的各阶段的成本浪费，如产品PCB布局布线，原型制造，产品优化，变更带来的特殊过程增加，相关的培训，附加成本的增加，到最终的产品交付，由于设计变更带来的隐含成本浪费将会是数倍之多。

至于如何在产品设计阶段做好整体的成本控制和选择，我们可以从原材料成本节约，设计复用带来人力成本的节省，以及集中管理的数据保险库避免设计变更和错误迭代次数这三方面来考虑。

关系到产品研发成本的几个疑难问题

1、产品功能设计中关键元器件的选型以及BOM原材料的成本如何控制？------节约原材料成本

在产品功能确定下来之后，设计之初首先需要进行关键元器件的选型，比如用多大什么类型的电源供电，选择哪家公司的哪款主控芯片，其相应的工作频率，内存容量，有哪些接口，可做哪些扩展？ 另外根据这些确定下来的关键元器件，考虑它相关的最小功能模块所用到的各种辅助元器件 ，即最小系统的BOM（Bill of Matieral材料清单）成本。我们经常需要在选型的同时，有多个关键器件都满足功能要求。而此时就需要对它们周边的模块电路的BOM成本进行比较，在满足要求的基础上选择最为经济实用性价比高容易采购的模块方案。

 

而我们在选型之初往往一筹莫展。因为设计工程师往往有一个通病：他们很容易专注于产品的性能而设计产品，选择元器件。也许是由于职业上的习惯，设计师经常容易将其所负责的产品项目作为一件艺术品或者科技品来进行开发，这就容易陷入对产品的性能、外观追求尽善尽美，却忽略了许多元器件的材料成本的差异。比如有的元器件功能类似的情况下价格却相差几倍，有的元件太老已经停产，有的元器件太新而供货渠道不健全，有的元器件采购周期太长......，等等这些问题如果不能对所有信息全面掌握，很有可能选择了不合适的元器件。而元件选型一旦定型，工程师在其基础上做了很多设计研发工作之后很难更改，推倒重来的成本浪费更大。

2、 同系列类似产品升级换代如何有效避免重复设计？------节约人力成本

在产品研发过程中，往往有的产品不是一个单独孤立的存在。在长期的市场反馈下会出现一系列同类产品。而这些产品有很多的共同性。有些功能模块可能在新产品升级换代的时候没有变化，可以直接拿来复用。有些功能模块可能就是在原设计的基础上更改了一两个元器件，而新换的元器件封装和原来一模一样不需要更改。这时只需要更改原理图设计即可，而PCB封装设计保持不变，只是在装配的时候换装不同的元器件。有些功能模块是完全新添加的功能，这部分就需要重新设计研发测试。

那么问题来了。如何保存这些以前的设计成果，以便下次设计时直接复用，省去模块设计研发，打原型板，装贴，测试等等工序劳动？如何方便地进行一下简单的标记，即可成为另一个产品型号，而不需要重新设计原理图，PCB板以及后续的一系列重复劳动？如果这些繁琐的重复工作都可以有效避免，我的设计研发团队的人员工作流程该是多么精简高效？

3、大量的元件库以及各版本的设计数据该如何统一管理以便协调各部门的工作？------节约返修及制造成本

在一个产品的设计研发开始到整个产品投放市场之间，不但设计研发团队的各成员需要共同协作，各辅助部门（元件采购，PCB原型打板测试，制造装配，系统联合调试，产品包装）之间也需要实时共享数据。所以整个过程的数据共享及沟通不能有障碍，以免造成人员和成本和原材料成本的浪费。比如说元器件采购负责人与元件库的设计工程师需要经常沟通关于元器件的型号，数量，封装形式，采购周期等等信息。经常会遇到设计工程师使用的元器件，被采购人员说难以采购要求换件；或者采购人员采购的元器件封装形式与设计师的要求有细微出入，需要重新采购或修改设计封装的情况发生。

 

另外研发部门对大量的设计数据每天进行更新，如果没有有效的全局集中管理，数据被谁进行了修改，在哪一天进行了修改，修改了哪些内容？哪个版本的文件是测试好的最终版本？哪些文件是打包给制造部门用于PCB裸板制造？哪些文件是打包给装配部门进行PCB装配？哪些文件打包给采购部门用于原材料的采购？哪些文件用于团队的最终归档存案？这些数据因为被多人多部门共享并且按照各部门需要提取各自关心的数据，必要时还需要进行编辑修改。那么这些修改操作如何跟踪管理才不会乱成一团？各个文件的版本如何编号命名？如果这些问题都没有有效地进行解决，必然造成文件数据杂乱，各部门之间不能有效沟通而造成人员工时的浪费。最重要的是由于信息的不对称而可能造成不合理的对接，往往到制版装配的环节才发现问题和矛盾，进而进行设计文件的返修更改，重新制造测试，造成极大的返修及制造成本的浪费。

节约产品研发总成本的解决思路

作为产品经理或产品负责人，要节约产品研发总成本，需要从全方位来考虑成本的下降与控制。作为一个新项目新产品的开发，应该组织相关部门人员与主要研发团队一起参与（应考虑将机械、采购、生产、工艺等相关部门纳入项目开发设计小组），这样有利于大家集中精力从全局的角度去考虑成本的控制。正如前面所提到的问题，研发设计人员往往专注于设计研发的技术细节，而忽略了隐含成本（比如采购难易度，价格差别，制造难易度，制造成本等）的误区。 正是有了采购人员、工艺人员、生产人员的参与，可以基本上杜绝为了降低某项成本而引发的其他相关成本的增加这种现象的存在。从全局出发来考虑成本的控制问题。在控制节约成本的具体方面，可以大致从原材料成本的节约，人员工作效率方面的人力成本节约，以及多部门协作沟通无障碍方面的返修及制造成本的节约这三大方面进行考虑并寻求解决方案。

节约产品研发总成本的解决方案

1.如何有效节约原材料成本

要节约原材料成本，自然需要工程设计团队与采购负责人共同协作，共享信息，实时沟通，清楚明了地掌握所需元器件价格，采购难易度，采购周期......以此信息进行核心元器件选型，并对最小系统的BOM清单进行分析，比较选择出满足功能前提下最经济适用的方案。另外需要有效避免采购错误而造成的元件浪费和库存浪费。

Altium的元器件供应商链接（supplier link）功能可以在设计师的工作界面直接将所需元器件的供应商数据库信息链接起来。工程师随时可以查看该元器件的封装是否是设计所需要的封装形式，继而查看封装符合要求的元件生产厂商，该元件的详细描述，该元件的供货渠道，元件的单价及批量价格，库存数量等等。如下图所示。有了供应商链接元件信息的功能，工程师能够实时了解元件的采购信息，在选型的时候会比较性价比，而不会盲目选择价格昂贵的新器件，或者采购困难的元器件。设计工程师与采购负责人信息沟通无障碍，在设计开始阶段即可避免原材料成本的浪费。

另一个有效节约原材料成本的功能是BOM分析功能。BOM分析比元器件供应商链接功能更为系统和全面。前者是针对单个元器件的供应商采购信息，而后者BOM分析针对的是整个产品所需要的全部原材料的分析。如下图所示。针对整个电路中的所有元件在BOM清单上都有详细的元件说明、目标价格、实际价格、生产厂商、生产厂商Part No.、渠道供应商、供应商Part No.、库存量、采购供货风险......等等这些信息都可以清清楚楚地呈现在眼前。产品经理和各研发人员都可以从全局的角度来控制原材料成本。通过BOM清单成本比较，所需选择的方案也了然于胸。更可以避免元器件采购错误所造成的浪费。

通过供应商链接功能和BOM分析功能，可以有效地控制整个产品所需原材料的成本。

2.如何节约人力成本

在设计团队所设计的同系列产品之间总有些功能模块是共性需要，重复使用的。比如电源部分的设计，在同系列各个产品中是一样的。对于这种共性化使用的设计片段，在第一次设计测试通过之后，就可以将该部分设计做成一个模块，而该模块就像一个电子元器件一样简单明了，预留的接口就像元器件引脚一样方便在其他设计中进行调用。Altium Designer软件里的Device Sheet功能就是为这个问题提供的解决方案。方便设计师之间调用他人已经测试成功的设计成果，省时省力，不会出错。有效地避免重复设计。

如下图所示，为电压调整器生成1.8V的电路，下半部分为整张电路原理图，该电路部分为只读标志，表示这部分电路是测试通过的可以放心使用的电路。上半部分为这张电路图的Device Sheet，即器件式图纸，意味着整张图纸为一个类似的元器件。其他的设计者只需将该Device Sheet像元器件一样放置在他的图纸设计中即可复用。

装配变量的使用乃是同系列不同产品之间更新换代的神器。同系列不同产品通常拥有相同的基本结构，在只需要更换少量器件的时候，我们甚至不用重新开始一个设计项目，只需要在原设计上添加装配变量，标定各个产品版本不同的安装器件值即可。因此对于简单的少量变化，比如哪些器件安装或不安装，哪些器件装配相同封装的其他替换器件，哪些器件装配相同封装相同管脚数目的芯片，所有这类局部更改都可以用装配变量(Variant)来轻松配置和管理。

如下图所示，简单的红叉叉图形点击哪个元件就表示哪个元件在新产品上不用装配。下图中的4个发光二极管和一个排阻在新版本的产品中是去掉不用装贴的。装配变量的简单设置即会相应地反映到PCB版图设计，BOM材料清单，各类输出文件等等。省去大量的重复设计所浪费的人力成本。

同样，比如下图所示的智能穿戴设备（手表），在产品的不断升级换代中，需要升级内存容量（从4GB升级到16GB）。而该内存器件的封装是在各芯片间是兼容的。这时，只需要简单的装配变量设置各不同产品版本的参数即可。这种简单的更改便可实现产品更新升级，节省人力研发成本的同时，还可以快速将产品推入市场。

3.  如何节约返修及制造成本

要有效地解决产品设计返修和原型制造所带来的成本浪费，提高产品研发成功的迭代次数，关键是需要一套集中管理的数据保险库。该数据库可以涵盖方方面面的数据信息共享给设计研发团队的成员以及研发团队之外与之有关联的其他团队（比如机械，采购，工艺，制造，装配，测试，包装等等）。Altium的vault就是个很好的有针对性的解决方案。通过Altium Vault，可以对设计研发的各类设计文件和工程项目，以及大量的元件库标准设计等数据进行保存和版本控制。方便各设计成员调用设计成果，查看设计进度，检查设计更改。管理者比如产品经理可以对团队成员设置不同的操作管理权限。如下图所示，Altium Vault是设计团队与供应链相关的各团队之间共享数据的基础。共享的数据主要有统一的元器件信息，可复用的设计内容，产品发布数据三大类。统一的元器件信息便于设计团队与采购的信息交互。产品发布数据针对制造Fabrication 和装配Assembly打包不同的文件数据，方便产品加工和装配。

这样任何的设计更改都能及时地共享信息给所有成员，对产品要求的随时变更也可以及时地在研发团队进行响应并做相关调整。团队成员之间高效协作。避免由于信息不对称及修改不统一造成的返修设计带来的成本损失。

下面以Vault的统一元器件数据信息为例，展示共享在Vault中的元器件数据信息是如何将设计团队的成员与供应链方面的采购负责人联系起来并有效交互的。

在设计研发团队，该共享在Vault中的元器件可以被原理图，PCB，以及其他设计文件调用。而在供应链领域，可以精确对该元器件的供应商，采购渠道进行选择。这两方面的数据信息是实时共享并更新的。任何一方的改动都会清楚地呈现在另一方。

通过Alitum Vault集中管理共享数据，使得各团队成员之间的互动和数据的准确传递变得清楚明了。流程如下：

1. 研发团队内部有共享的元件模型设计Model Design，验证通过的完整的设计成果在Altium Vault中以Released Model方式保存。

2. 之后研发团队与元器件供应链的采购Sourcing团队一起协作，生成统一的元器件Unified Component Design，该统一的元器件库带有版本控制和修改跟踪的功能，在Altium Vault中以Released components形式保存。

3. 研发团队再根据统一的元器件库生成验证通过的设计模块成果Manaded Sheet Design，它在Altium Vault里以Managed Sheet形式保存，并可供其他设计项目和产品调用。

4. 最终研发团队根据Vault中统一的元器件和Manaded Sheet模块生成完整的PCB设计Full PCB Design，它在Altium Vault里以Full PCB Module的形式保存。并可根据此最终的产品设计成果传递信息给产品制造Production环节。最终为制造Fabrication和装配Assembly分别打包不同的数据和文件以方便产品工作进程。

这些团队之间依据Altium Vault共享数据保险库高效协作，可以极大地避免信息不对称可能出现的各种错误，进而大幅度提高产品研发成功的迭代次数，缩减返修和原型板制造测试的成本。

节约产品研发总成本技巧汇总

元器件链接供应商数据库Component link方便选型；

BOM分析节省产品原材料成本；

设计复用Design reuse节约人力成本；

装配变量Variant节约产品更新换代的设计成本；

集中的数据保险库Vault方便团队协作；

共享的数据管理节约产品返修及原型制造费用