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Altium:应对元件选择及采购挑战
  2021-07-06      47

(转自PCB007中文线上杂志

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任何自称“极客”的人可能都记得《星际迷航》片头的那句名言:“宇宙:人类最后的边疆。这是进取号星际飞船的航程。它的五年使命是:探索未知的新世界,寻找新生命和新文明。勇踏前人未至之境!”

大多数PCB设计师都会感同身受James T. Kirk船长探知未知时的感觉,正如设计师在开始新设计时对未知结果的茫然——不了解将面临的困难或需要解决的问题。虽然设计师可以控制设计过程,采用技能经验做出合理的决定,但在“未知”中往往还是会有危险等待着我们。元器件采购就是所有设计师面临的问题。

每个元件都包含静态和动态信息。其中静态信息包括参数信息、原理图符号或占位图;动态信息是采购。实际上,动态性会以难以置信的速度(甚至以小时计)进行变化,元件的可得到性非常不稳定,可能会引发设计产生严重问题。

项目开始时选择元件并不容易,因为不知道设计最终会采用哪些元件。从设计之初到最终完成,随时都可能出现重大问题,所有人都在猜测接下来会发生什么状况。设计和工程的标准规则之一是不做假设,因为这会给设计过程带来巨大风险,但是似乎在当前环境选择特定元器件时会往往无法规避这一问题。

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元件短缺原因

如果我们使用防御准备(DEFCON)警报状态来说明元器件短缺的严重程度,无疑我们现在是处于DEFCON2状态。目前元件短缺对电子行业产生了相当大的影响。有相关报道称,由于元件严重短缺,数家汽车制造商已暂时关闭。我认为这场风暴是多重负面因素叠加的结果,并不是由某个特定原因造成的。这是2019年底的热点话题,现又重现。我认为我们还没有完全从最初的元件短缺中恢复过来,因为问题的根源仍然存在,甚至变得更加严重。

COVID疫情的影响

随着大规模工业设备停止运行,COVID的影响导致了全球电子工业的放缓。它不仅是对制造商和供应商有影响,而且从多个层面深度影响了供应变化,甚至原料开采都停止了。以前从未发生过这样的事情,整个行业还没有准备好。每个人都希望看到行业重新开启,在更加复杂的问题下,后疫情时代电子行业将如何运作还有待观察。

供需失衡

但实际上,根本原因要追溯到供需关系。尽管元件供应放缓,但需求仍然存在,甚至还在增长,其中最显著的是自动驾驶汽车和手机行业引领了元件需求趋势。例如,一辆配备标准内燃机的传统汽车要采用2000~3000个电容器,而一辆电动汽车要采用多达22000个MLCC电容器。自动驾驶汽车会进一步消耗元件库存。但与2019年相比,供应放缓已蔓延至其他元件类型,如半导体行业,已影响到了有源元件及无源元件。

元件配给

元件配给方法使供应艰难状况更加恶化。从根本上说,配给是将可得到的元件数量定量地分配给相对选定的少数“重要客户”的做法。根据库存情况,一些制造商和供应商甚至可能不会考虑分配给新客户。此外,当一些公司知道元件很难得到时,他们的订单会增加二三倍,这将进一步增加需求。

对行业的影响

部分系列元件的快速折旧元件短缺使元件制造商面临艰难抉择的挑战。一些产品线的销售速度不如其他产品线快,因此这些产品线被重新配置,转而生产更为普遍的元器件,这导致某些完整的产品线以更快的速度贬值。比如,一些较大的分立元器件正是如此。随着电子工业的设备越来越小,大尺寸的SMT元器件很快就会过时。这是典型的不顾全大局的例子。

降低供应链成本通常,供应减少且需求增加会导致价格上涨,这是不争的事实。一些公司找到了他们想要的元件时,会为这些元器件支付更多的钱。制造商遵循我称之为的“极限原则”,意思是直到顾客说“哎哟,承受不了了”,价格才会停止上涨。

放弃精益(及时)制造几十年来,公司一直遵循精益生产(又名及时生产)的原则。精益生产遵循的原则是,需要元件时才会开启生产线生产元件,这意味着大多数时候库存通常很低。当供过于求时,这个系统就会运转良好。但现在,随着企业发现处于相反的境地,所以必须重新考虑精益制造——需要对元件进行更好的计划和调度。事实上,正如我前面提到的,他们正二三倍地下订单,并拥有公司库存。这给公司在库存空间和税收方面都带来了过度的负担。

设计与采购之间更好的关系曾经,可以很容易地直接把设计“扔给”采购,因为有充足的元件供应,所以工作进展得很顺利。但是,随着市场从供应模式转向需求模式,采购方式也发生了变化。更多的PCB设计师可以了解元件的可得到性,增加了设计团队与采购团队之间的沟通和联系。关于元件状况的重要信息现在可以在这些不同的团队之间快速传递,因此可以在设计过程的早期阶段做出更好的决策。这是一件好事,因为开始就使用过时的元器件进行设计不是正确的设计开启方式。

度过危机

那么,我们如何度过危机呢?

首先,要确信这场危机终将结束。供应要满足需求可能需要一段时间,但是最终会满足。正如我们知道的那样。

一个可能不是最好的选择是“把你的头埋在沙子里”,等着危机自己消失。但供应不足及需求增加的问题不是一个短期问题,行业越早意识到这一点越好。

作为设计师,我们需要“跳出常规”去思考。由于某些元件的供应减少,必须在选择时更加灵活。例如,是否需要为旁路电容使用0.1mμF的电容?如果设计中有集成电路,那么答案是“可能需要”。由于这是最常见的旁路电容值,因此市场都在争抢该特定元件。通过改变参数,将打开更大的元件库存。不再采用1%,而是5%的公差。很多时候,所采用的元件对于设计类别来说是“过犹不及”。这个简单的改变可能会导致打开全新的可用元件库存。

另一个解决方法是让PCB设计人员推动流程中的其他领域,这意味着在设计过程的早期就向采购人员提供可能存在问题的元件列表。以前不是这样的,工程部和采购部经常相互不沟通。现在,我们要确保将正确的信息过滤给那些需要它的人。没有人喜欢接到组装厂的电话,说找不到设计所需的元件。

最后,我们已开始采用所谓的多种占位元件——在设计中布局多个替代元件的占位图,以应对设计中首选元件出现短缺的状况。因此产生了一些可以应对各种状况的有趣布局设计。

提前计划

Benjamin Franklin说过:“没有做好准备,就是在准备失败。”我喜欢遵循三个“P”来度过危机:计划(Plan)、准备(Prepare)和积极主动(Proactive)。

不要从一个已经有问题的设计开始,而是要时刻走在问题的前面。工程师通常会采用之前的设计,认为这些元件是可得到的,但实际上其中许多元件可能已经过时或处于折旧状态。我们不能假定一切都没有问题。如果看到元件已经有库存问题或不推荐用于新的设计时,这种情况不会随着时间的推移而改善。最好意识到,设计开展的越深入,就越难在不影响成本或日程安排的情况下做出改变。

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