遵守纪律避免设计过时

作者：GAIA Converter

作为一个致力于持续优化设计和制造战略的快速发展行业，电子行业不断面临着旧组件和子系统被新产品淘汰并从供应链中移除的前景。

供应商提供的替代品可能会表现出类似的功能，但这种变化通常需要在需要高可靠性、安全性和性能的市场（例如军事和航空航天）中重新进行资格认证。由于包装或需要改变设计的功能的变化，这个过程可能会变得更加复杂。在最坏的情况下，没有替代品，需要对设计进行更大的改变，然后重新鉴定。

军事和国防项目的时间尺度可能导致过时成为一个主要问题。美国海军在 2000 年代中期对声纳系统设计进行的一项研究发现，70% 的电子部件在系统投入使用之前就被认为是过时的。

美国国防标准化计划办公室 2021 年进行的一项调查发现，因过时事件引发的重新设计平均花费军事硬件项目 120 万美元。复杂的重新设计导致大规模更换组件，导致成本超过 1150 万美元。研究发现，不太严格的修复过程会带来巨大的成本。即使是简单的组件更换也可能花费 14,200 美元。

在系统的整个生命周期内维持零件供应的一种机制是执行终身购买。在一个案例中，供应商决定关闭相关生产设施后，美国空军需要支付 20 亿美元才能获得足够的微处理器。

防御计划生命周期内的组件陈旧并非不可避免。过时通常是由市场力量、立法变化以及生产设备和关键材料的可用性共同造成的。其中一些事件很难由设计团队提前数年预测。然而，供应商有他们如何应对变化的跟踪记录。军事和航空航天领域的一个关键问题是需要先进的处理器和其他复杂产品来支持其苛刻的要求。这些组件通常主要为商业产品设计，这些产品的设计周期和使用寿命要短得多，但以适合军事系统使用的形式重新封装。如果商业销售低迷，这些产品往往面临比预期更早下架的风险。供应商可能会选择将其重点转移到依赖于不同半导体工艺的后续设计，并在此过程中重新调整其生产线的用途来生产该新产品。

电力系统也可能面临类似的问题。供应商可以改变对他们提供的组件类型的关注。例如，功率半导体制造商正在不断评估能够提供更高性能和更低损耗的新工艺。近年来，基于氮化镓和碳化硅的器件已成为传统体硅功率晶体管的主要竞争对手。这些转变很容易导致过时问题。有时，新工艺的优势无法转化为市场成功。在其他情况下，新设备的成功可能会导致焦点发生变化，从而导致生产线从旧产品转变。但这些转变并不普遍。

许多组件已经生产多年，因为它们的供应商认识到他们拥有可行的长期市场地位，也因为他们注重采购也有长期供应保证的材料和生产机械。供应商对待市场方法的这种差异为设计团队提供了成功管理组件寿命的能力。这是 GAIA 为尽可能避免过时而采取的策略之一。

尽管军事和航空航天项目的承包商经常使用终身购买，但在许多情况下可以避免这种需要。在决定零部件供应安排的持久性方面，密切的供应商关系更为重要。这对最终用户来说很难实现。然而，特定领域的专家，例如涉及电源模块设计的专家，可以与关键部件供应商的设计和制造团队进行详细的技术讨论。通常，在组件设计过程中，特别是如果它是诸如脉宽调制控制器之类的复杂部件，制造商会希望从其直接客户中获得该领域专家的反馈，以调整他们的设计。模块设计人员可以就最适合他们所依赖的功率半导体的时序偏移和输出行为提供建议。

对于不太复杂的零件，延长使用寿命的关键是从多个供应商处采购产品。这通常可以通过分立元件来实现，例如无源元件和单独的晶体管。这导致了另一个重要策略，即在有意义的情况下使用离散功能，而不是来自单一来源的集成部件。更复杂的部分更容易受到过时问题的影响。尽管它可能会简化电路设计，但使用分立元件却提供了避免过时问题的更有效方法。

这种方法扩展到电路拓扑选择。造成高过时风险的因素之一是电路设计依赖于各种各样的元件。由于难以确定每个零件的可能使用寿命，因此物料清单 (BoM) 上的零件供应更有可能遇到寿命终止 (EoL) 情况。更实际的做法是实现更小的 BoM，其中分立元件和其他不太复杂的元件在电路中多次使用，并使用有利于这种方法的拓扑。设计团队可以利用供应商关系以及生产技术和材料可用性方面的知识，确保这些多用途组件以后不会导致过时问题。此外，对行业趋势的持续跟踪有助于确保设计人员做出正确的决策，并避免被组件制造方式的变化所困扰。

最小化过时风险的一个不太明显的策略是关注生命周期可靠性。在这方面，针对较长的平均无故障时间 (MTBF) 进行设计是一种成功的策略，因为它减少了支持维修操作所需的零件数量。与避免过时的设计技术一样，高 MTBF 是设计纪律的问题：使用不会将组件推入更容易发生故障的操作状态的电路。

保守的设计者考虑的是预计具有较长使用寿命的组件，或者基于已知稳定的新兴技术的组件，这可能是长寿命测试的结果。另一个关键的设计方法是使用降额来延长使用寿命。这涉及选择额定电压、电流和温度高于目标电路所需的组件。工作应力的降低延长了部件的使用寿命。

类似的降额方法在于温度控制。极端高温是早期失效的主要原因之一。因此，管理热裕度是一门重要的学科，经验丰富的设计团队使用广泛的热性能测量来确保避免在运行中形成热点。

有时，停产情况很难避免，可能是因为供应商无法控制的情况，例如生产设施被迫关闭或收购改变了其市场策略。主动解决策略有助于维持现有产品的组件供应，其中包括在终身购买选项不可用时从分销网络采购现有库存。另一种选择是，如果替代组件导致设计发生变化，则接受重新鉴定的需要。

GAIA 的内部政策最大限度地减少了需要采取反应策略的可能性。该公司鼓励工程师质疑设计选择，并始终规划组件的可用性。该公司设计方法的一个例子是对每个模块进行全面的过时风险分析。这包括每个组件的影响分析和概率声明。这些做法有助于将避免过时的情况纳入设计和制造过程中，以确保公司电源模块的较长生产寿命。成功的另一个关键是专注于利用核心电力电子原理进行产品创新，并突破热管理、磁优化和电源拓扑的界限。

这些策略使得GAIA能够维持自己的电源模块的生产。其中包括 1996 年创建的 MGDS-04-J-C，至今仍以其原始形式以及 2000 年代中期开发的符合 ROHS 的版本提供。较新的产品提高了效率，为客户提供了提高系统性能的选择，但仍然享有长寿命保证。原始 4W 系列转换器系列可提供大约 80% 的效率。其现代对应产品 MGDD-08N 于 2015 年创建，实现了 87% 的效率，并在相似的外壳尺寸下提供了更高的功率和更多的功能。然而，4W 转换器在过去 28 年中一直可靠运行，大量现场数据证实了其可靠性。

尽管由于生命周期长，组件报废是军事和航空航天领域的一个主要问题，但管理这些风险是可以的。实现设计产品较长使用寿命的一种方法是使用供应商提供的电源模块和其他子系统，并采取广泛的避免过时策略。 GAIA 对此问题的承诺确保客户能够自信地将电源模块集成到他们自己的长寿命产品计划中。