作者打算用一系列文章來有重點的介紹產品設計方案的幾大板塊，不只是和大家探討應該套用怎樣的模板，更重要的是幫助大家理解產品設計時應該注意的要點。需要時刻記住，文檔是為產品服務的，我們是產品經理而不是文檔經理。今天所講主要圍繞“結構設計”進行~
又到年底啦，年度總結你準備好了沒？覆盤2019年，你的收穫有多少，成長有多少？
今年的職業生涯裡，我發現了一個很容易被忽視的東西，很多產品朋友對其的態度都是又愛又恨，那就是“文檔”。產品開發時間緊張的情況下，很多人就選擇敷衍了事，因為“內容都裝在腦子裡嘛”，等到項目覆盤，或者產品出問題了，再想要回過頭來看看當時是收到怎樣的需求，又是怎麼定的方案，就經常是抓瞎，只好回溯不靠譜的記憶，結果也往往是項目的進展偏離最開始的目標，不出問題還好，一出問題項目組成員互相扯皮。
文檔的有無是一方面（產品生命週期裡具體涉及哪些文檔，可以參考下我之前的文章《我的PM進階之路》），文檔的內容充實程度決定了它能否真的具有幫你查缺補漏的作用。很多的產品經理都是入行沒多久，大學以及工作中也沒有受到良好的文檔撰寫相關的培訓，寫出的文檔良莠不齊：基礎好些願意思考的產品經理，寫出的內容還算切實有物；剛剛接觸所處行業、基礎差的的產品經理，寫出的文檔經常是丟三落四，抓不住重點。
其實文檔的撰寫是一門大學問，我也說不上精通，不過產品生涯裡也在不停的磨礪這方面的能力，多少有了點積累。回顧19年，對我工作影響最大的，還是“產品設計方案”，數次救我於水火，也數次陷我於難堪。
對於硬件產品而言，產品設計方案的撰寫是一個系統性工程，概因硬件產品本身涉及面很廣，從硬件設計、軟件設計、結構設計到工業設計，方方面面都包含在內。若要寫出一份合格的文檔，能起到提綱挈領和忠實記錄的作用，就必須要做到八個字——“細緻深入，清晰易懂”。
我計劃用一系列文章來有重點的介紹產品設計方案的幾大板塊，不只是和大家探討應該套用怎樣的模板，更重要的是幫助大家理解產品設計時應該注意的要點。需要時刻記住，文檔是為產品服務的，我們是產品經理而不是文檔經理。
今天所講主要圍繞“結構設計”進行，後續還有“硬件設計”和“軟件設計”，敬請期待，歡迎來踩。
一、設計概述
通過結構設計概述，文檔閱讀者能快速產生直觀印象，把握產品的設計理念。因此在進行詳細設計說明前，需要對基本結構設計思想做出闡述：
- 分析該產品的結構需求，以及硬件、工業設計對結構設計的限制和定位；
- 說明結構的基本設計思路和環保要求，包括可拆卸性、可回收性和節能要求；
- 簡要說明通過何種結構形式實現硬件、工業設計等方面的基本需求。
二、性能設計
1. 熱設計
硬件產品在使用時總是會發熱的，熱量主要來自於電流。通電器件上的導體，其內阻雖然很小但總是客觀存在的。因此，電流通過導體時會消耗一部分的電能，轉化為熱能使導體溫度升高，並加熱周圍的其餘物質。
產品正常的發熱是允許的，但即便是正常運行的設備，如果沒有做好熱設計，使得熱量累集不散，溫度持續升高，一定條件下會導致過熱，影響產品性能，甚至導致產品損壞。
主要有以下影響：
- 電子元器件：高溫可使半導體元件熱擊穿，可使電子元器件的性能變劣；
- 絕緣材料：溫度過高，有機絕緣材料將會變脆老化，絕緣性能下降，材料的使用壽命也將縮短；
- 電接觸：溫度過高，電接觸兩導體間接觸電阻明顯增加，溫度迅速升高，甚至會使觸頭髮生熔焊。
不過，設計正確、生產正確、正常運行的設備，其最高溫度和周圍環境溫度之差（即最高溫升）總是處於允許範圍內的。系統內不同模塊的允許溫升有一定差別，產品熱設計的最終目的就是保障系統的溫升始終處於合理範圍內。而這需要做到兩點，模塊級別的散熱和系統級別的散熱。
所以在撰寫熱設計方案時，需要從以下三點著手：
- 模塊的散熱要求：明確模塊對散熱流量/流速及散熱環境的要求。特別是對於外購模塊，若其本身不具備散熱能力，需系統為其提供散熱，則需要將該項作為鑑別驗證項目，必要時可以要求供應商提供分析測試報告（用於對該模塊散熱需求的合理性和正確性進行分析）；
- 系統的散熱或加熱方式：給出系統應採用的散熱方式和保證低溫啟動的加熱方式，散熱方式有自然散熱、強迫風冷、熱交換器等；加熱方式主要有薄膜加熱片；
- 系統散熱保障性要求：包含冗餘設計和維護安全性設計兩點說明。冗餘設計是指散熱系統在局部性故障時，其餘部分仍能保證產品的散熱安全；維護安全性設計，是指散熱系統整體或部分失效時，在允許的維護時間內保證產品安全運行的措施。
2. 噪聲控制設計
部分硬件產品因其內部包含噪聲源，運行時並不總是安安靜靜的。機械手錶的齒輪齧合音，無人機的風翼呼嘯音，AGV的電機旋轉音等，大小不一。有的噪音在使用時很難察覺，完全融入環境底噪；而有的產品，因為沒有做好噪聲控制，時常給用戶體驗帶來負面影響。
機械噪聲按機理的不同分為以下三類：
- 空氣動力性噪聲：由氣體振動產生，主要來源是風扇；
- 機械性噪聲：由固體振動產生，主要來源是齒輪、軸承和殼體振動；
- 電磁性噪聲：由電磁振動產生，主要來源是電動機、發電機和變壓器。
對於一般消費級產品而言，風扇是主要噪聲源。噪聲常以分貝(dB)來作為評價標準，每升3dB噪聲就約擴大一倍，超過50dB就會使人心煩意亂。噪聲控制設計的最終目的就是保障產品的噪聲始終處於能被用戶接受的門限值以下。
而這需要重點說明以下三點：
- 噪聲上限標定：參考《噪聲控制設計規範》，並根據產品使用環境、相關噪聲標準（如ISO7779）及國內外競品的綜合分析，來確定產品的噪聲上限；
- 噪聲源的控制：從風扇選型、風扇轉速控制和風扇本身噪聲等方面進行設計與分析（以空氣動力性噪聲為主進行分析）；
- 噪聲傳播的控制：主要是從風道的設計出發進行分析，風道的優劣直接決定了風阻的大小。風阻極大影響了風扇葉片的振動及其產生的噪音，同時影響了空氣流經阻礙物表面時氣流分離引起壓力變化而產生的噪音。
3. 三防（防黴、防潮、防鹽霧）設計
嚴酷的環境條件會引起硬件產品中金屬和非金屬材料發生腐蝕、老化、性能顯著下降等各方面的破壞。現在的“三防”是以提高產品的環境可靠性為目標，包括防黴、防潮、防鹽霧、防老化等各種內容，其最終目的是防止腐蝕。
黴菌、潮溼和鹽霧對於產品的影響存在一定的區別：
- 黴菌：對於絕緣材料和工程塑料結構件的影響最大，易損壞底材，改變材料絕緣性能；
- 潮溼：對於產品整體的影響都很大，易全面提高各種腐蝕的強度；
- 鹽霧：對於金屬電鍍結構件的影響最大，易產生電化學腐蝕，導致鏽蝕。
結構件根據應用環境不同可分為Ⅰ型和Ⅱ型，前者是指直接暴露在自然環境中並受到雨、雪、日光和風沙直接作用，後者恰好相反。產品可能包含一種或兩種結構件，三防設計需要完成各結構件材料及其表面防護層的設計選用方案，並對其可行性進行分析。
三防設計的最終目的是提高產品的可靠性並延長產品使用壽命。總的來說需要涵蓋以下兩個方面：
- 材料及加工工藝選用：需分別說明各型結構件所要求使用的材料種類，對於非金屬材料應注意選用防黴型材料，不瞭解材料防黴性能時應要求提供廠家防黴實驗報告。一般來說，不鏽鋼材料較鐵合金材料有較高的耐候性；防鏽鋁LF6較一般的硬鋁有更高的耐腐蝕性；FR-4型覆銅板性能優於一般PCB印刷板材；硅橡膠比丁晴橡膠耐候性更好……
- 各材料的表面防護措施：分別說明不同材料的Ⅰ型和Ⅱ型結構件應採用的表面處理方式；同時應提供各種表面防護方法所應達到的防護性能指標。一般來說，金屬材料有陽極氧化、表面發黑等轉化膜防護方法，也有電鍍金屬、噴塗金屬、搪瓷、噴漆等覆層防護方法；PCB需要印製阻焊膜，組裝調試完成後兩面噴塗“三防漆”；電纜在連接處灌膠或套上熱縮套管……
4. IP防護設計
某些硬件產品在使用時會碰到較為苛刻的環境，如雨水天氣、浴室及沙漠環境，常見的就是智能手機。這是蘋果官方的說明：
iPhone XS和iPhone XS Max可防濺、抗水、防塵，在受控實驗室條件下經測試，其效果在IEC 60529標準下達到IP68級別（在最深2米的水下停留時間最長可達30分鐘）。防濺、抗水、防塵功能並非永久有效，防護性能可能會因日常磨損而下降。
IP防護等級即為防水防塵等級，以IP67為例，根據GB4208-2008，這一等級有兩層含義：
- IP6X表示，外殼在對固體異物進入的防護等級上可達到“塵密”級，即設備能完全防止塵埃進入，設備在揚塵環境下可正常工作；
- IPX7表示，外殼在防止水進入的防護等級上可達到“防短時間浸水影響”級，即設備在浸入深1m的水下30min後，仍可正常工作。
當然防水防塵等級也並非越高越好，畢竟等級越高，所需要的成本越高。一般來說IP5X等級的防塵就不會引起電氣間隙、電弧等問題（會影響連接器等的接觸）；IPX6等級的防水即可防滴漏、防水噴濺。IP56級別的消費級產品可以滿足絕大多數人的需求
。IP防護設計的最終目的是在控制成本的前提下儘可能提高產品的可靠性及耐用性。因此需要撰寫以下三個方面內容：
- 防塵：根據IPXX的總體要求，給出密封結構設計方案；同時根據結構設計和熱設計，說明在非密封處（如通風口）加裝防塵物的措施。另外，對於危害較大的“細塵”，通過常規手段進行防護的效果有限，所以需要說明如何通過產品內模組的佈局和熱設計綜合考慮進行防塵；
- 防水：根據IPXX的總體要求，說明防滴漏、防水噴濺的結構設計方案，以及密封、結構排水等措施。綜合考慮產品各種接口的結構形式，防水密封材料的選擇，防水接插件的選用，材料的抗老化性等各種因素；
- 防異物：對於室外產品，需要說明如何防止人為或自然性的破壞。
5. 屏蔽設計
硬件產品受強電設備干擾或系統內部的電磁影響（含射頻器件的硬件）造成性能下降或不能工作，是電磁干擾最為常見的危害，損壞效應歸納起來主要為：
- 高壓擊穿：當器件接收電磁能量後可轉化為大電流，在高阻處也可轉化為高電壓，可能引起接電、部件或迴路間的電擊穿，導致器件損壞或瞬間失效；
- 受瞬變干擾：器件可能因功率過大的瞬變電壓造成短路損壞；若能量不足，瞬變電壓不足以立刻損壞部件，但會使其性能下降、影響功能、丟失數據；反覆的瞬變電壓還會造成器件潛伏性的損壞現象；
- 浪湧衝擊：微波能量在金屬殼體上感應產生脈衝大電流，像浪湧一樣在殼體上流動。殼體上的縫隙、孔洞及外露引線會將一部分浪湧電流引入殼內電路，就足以使內部的敏感器件損壞；
- 影響電路正常工作：電磁干擾對模擬電路的影響隨干擾強度的增大而增大，直接影響工作性能；對數字電路，電磁干擾容易導致信號電平的變化，從而影響數據傳輸的準確性。
電磁屏蔽的原理是由金屬屏蔽體通過對電磁波的反射和吸收來屏蔽輻射干擾源的影響。金屬屏蔽體一般採用鐵、銅（洋白銅）等高磁導率的材料，同時設計成盒、殼等封閉殼體。屏蔽設計的最終目的是保護產品內部敏感器件，同時降低內部電磁干擾源對系統內外的影響。
因此需要撰寫以下三個方面內容：
- 確定屏蔽需求：根據產品EMC設計方案要求，提出整機結構屏蔽需求；
- 描述屏蔽方案：說明屏蔽的級別（機櫃級屏蔽、模塊級屏蔽等），屏蔽體的方案（或者說明採用哪種標準模塊）。金屬屏蔽體的焊接形式（單件式、兩件可拆卸式、卡扣式等），是否預留散熱孔（孔徑及孔間距等參數）需要明確說明。
6. 安全設計
結構安全是經常被忽略的一點，但是一旦產品出現問題，往往就能追溯到安全設計不合規範的地方，因此還是要加以關注：
根據產品所在行業的安全標準（如IEC60950、EN60950、UL1950、GB4943-2000等），說明產品的結構防火外殼、非金屬材料的阻燃等級、產品的穩定性和強度、電連續性能以及電氣間隙、警示標籤方案等特性應符合這些標準中的規定。
三、交互設計
產品在其整個生命週期中時刻在與人產生聯繫。對於設計、生產、包裝、運輸，使用、售後、丟棄、回收中的任一階段而言，產品總因其自身的特性，與人產生或好或壞的交互。因此我們不僅需要關注產品的設計屬性，還要關注產品的“交互屬性”。當然對於不同產品，可以有選擇有重點的就以下幾點進行闡述。
1. 整機可裝配性設計
在這裡先給大家介紹一下“面向製造的設計”(Design for Manufacturing, DFM)。DFM是產品全生命週期設計的重要內容，是世界上比較先進的新產品開發可製造性分析技術。實行DFM的目的是使設計的產品易於製造，易於裝配，在滿足用戶需求的前提下降低成本，縮短開發週期。
DFM內容很深很廣，我們在這裡可以重點關注整機可裝配性設計，具體如下：
- 整機裝配過程分析：確定重要的裝配點，並給出指標要求（如尺寸、重量、公差等）；
- 走線和走纖分析：說明佈線要求；提出走線走纖路徑和空間要求（如走線空間要求，信號線之間是否相互干擾以及如何防干擾的要求）；提出外露線纜的保護材料要求；確定線纜的固定措施。
2. 包裝運輸設計
這裡包含兩層概念，包裝和運輸。很多產品如索尼PS4主機，一般在家中固定位置擺放使用後基本不需要攜帶外出，故廠家僅提供包裝盒作為運輸時的收納保護；而對於如大疆Mavic Mini無人機此類產品，因用戶對於便攜性和易攜帶性的重要需求，還準備了一個定製的包裝盒，能夠妥善收納各大小配件並提供一定的保護。
總的來說，產品受眾、使用方式的不同，決定了包裝運輸設計的簡易程度。
進行包裝運輸設計的說明時，需要關注以下兩點：
明確產品的基本特徵，明細如下：
- 產品化學易損性：有機/無機材料、有/無表面防護要求；
- 產品物理易損性：產品形狀、最大外形尺寸、重量、重心位置、可承壓位置、可固定位置等；
- 產品強度及易損性：易碎品、精密品、堅固品；
- 包裝形式：工業包裝（運輸包裝）和商業包裝（銷售包裝）均要說明，含包裝材料、包裝數量說明。
說明產品包裝防護要求：包括防水、防潮、防靜電、防震、防黴、防蟲、防塵、防輻射、防盜、危險品、軍品等。
3. 可維護性設計
大家都不希望自己買的硬件產品是一次性用品，所以必須要對產品的可維護性加以關注，不僅是提升產品壽命提高用戶粘性，也能減少產品的售後成本。
主要有以下兩個層面：
（1）說明狀態指示：說明產品的告警燈（如果有的話）或其他告警方式所表明的產品狀態，提供簡易維護措施清單；
（2）指明需維護的部分（包含兩個方面）：
- 需定期更換（清潔）的部分：說明防塵單元/易損器件的清洗/更換方式，最小的清洗/更換間隔期，清洗/更換方式及其要求；
- 需維護的部分：說明風扇、單板、易損壞器件線纜等的維護，說明這些模塊的維護需求和要求、限制條件等。
理解背後的道理，藉助框架模板，通過反覆的訓練才可以提高產品設計方案的撰寫水平。
希望本篇指南能幫助你稍加深入瞭解結構設計時需注意的要點，進而提升文檔水平。共勉。
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