【導(dǎo)讀】開關(guān)是電路中最基本的元件，通常是產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)人機(jī)界面時(shí)所做的最重要的設(shè)計(jì)決策。如果選擇錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致多種后果，從薄弱的觸覺(jué)技術(shù)帶來(lái)的不便到損壞設(shè)備和威脅操作員安全。對(duì)此設(shè)計(jì)師應(yīng)從何處入手？
Carling Technologies成立于1920年，是一家大型電氣設(shè)備制造商，為尋求領(lǐng)先的工程師和產(chǎn)品設(shè)計(jì)師提供了大量實(shí)用指導(dǎo)。
開關(guān)通常是產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)人機(jī)界面時(shí)所做的最重要的設(shè)計(jì)決策。
基本情況：在電路中的性能
如果詢問(wèn)設(shè)計(jì)工程師項(xiàng)目的關(guān)鍵限制條件是什么，他們回答的兩個(gè)首要關(guān)鍵限制因素是成本與時(shí)間。
通常這兩個(gè)因素都受到制約，但在按預(yù)算準(zhǔn)時(shí)交付的需求背后是對(duì)性能的假設(shè)。對(duì)道路與非道路動(dòng)力應(yīng)用中的電氣開關(guān)而言，這甚至更困難。
這一過(guò)程始于開關(guān)的主要功能—電路性能：
•開關(guān)是直接還是間接控制負(fù)載？
•開關(guān)是否會(huì)控制交流、直流或脈沖直流電流？
•開關(guān)電流是否會(huì)遭受瞬間峰值或異常浪涌電流？
•開關(guān)電容和內(nèi)阻是一個(gè)因素嗎？
對(duì)于探究操作控制站或控制臺(tái)的設(shè)計(jì)開關(guān)的工程師而言，這些問(wèn)題在原理圖或功能方框圖中并未凸顯出來(lái)。設(shè)計(jì)工程師必須與電路設(shè)計(jì)師密切合作，以確保指定開關(guān)符合整個(gè)安全性能范圍。由于有其他車載系統(tǒng)（包括通信設(shè)備和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中火花點(diǎn)火系統(tǒng)的電感傳感器）的緣故，因此，范圍可能包括RFI屏蔽。
這說(shuō)起來(lái)容易，但面板和控制臺(tái)設(shè)計(jì)師很少有人懂電路開發(fā)。因此，指定開關(guān)的工程師有責(zé)任與電路設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)密切合作，清楚界定正常模式和潛在故障模式下的性能參數(shù)，以縮小選擇范圍。
對(duì)照檢查表確認(rèn)適合面板設(shè)計(jì)的可用開關(guān)以及考慮成本是控制臺(tái)/HMI設(shè)計(jì)師面臨的第二個(gè)主要挑戰(zhàn)。
因此，Carling Technologies建議在設(shè)計(jì)階段盡早聯(lián)系開關(guān)供應(yīng)商。像Carling這樣有能力的供應(yīng)商不但擁有廣泛可用的在線技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，而且還讓工程師可加快了選擇過(guò)程。
面板中的性能
對(duì)于電氣工程師或電路設(shè)計(jì)師而言，開關(guān)是一個(gè)原理圖符號(hào)；但對(duì)于系統(tǒng)或機(jī)械工程師而言，開關(guān)是涉及到體積、質(zhì)量和引出線/接頭布局相關(guān)以及其它屬性的實(shí)體裝置。雖然“DPDT，12A，12VDC”是基本的原理圖規(guī)范，但機(jī)械工程師或系統(tǒng)設(shè)計(jì)師也考慮到了人為因素問(wèn)題。這些性能問(wèn)題通常包括：
•開關(guān)是什么類型的？是撥動(dòng)開關(guān)、蹺板開關(guān)、旋轉(zhuǎn)開關(guān)還是按鍵開關(guān)？是觸摸感應(yīng)式開關(guān)還是可重配置開關(guān)？
•預(yù)計(jì)工作溫度可達(dá)到多少？振動(dòng)和沖擊呢？
•開關(guān)是否會(huì)受潮/被浸泡/被沖洗？開關(guān)是否會(huì)接觸化學(xué)品、灰塵或冰？
雖然后兩條是可靠性因素，但不同制造商對(duì)可靠性和服務(wù)的定義不同。許多人采信現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)組織（例如：ASTM和SAE），并要求開關(guān)制造商提供相應(yīng)的認(rèn)證文件。
在此情況下，開關(guān)供應(yīng)商的經(jīng)驗(yàn)和可靠性至關(guān)重要。對(duì)于OEM應(yīng)用，客戶可能會(huì)要求進(jìn)行初始認(rèn)證，質(zhì)保（QA）流程可能需要每年甚至每批貨都附上“證書”。
除了QA認(rèn)證外，用戶還可能要求獨(dú)立公認(rèn)第三方的認(rèn)證。UL/CSA是北美著名的認(rèn)證機(jī)構(gòu)，在一定程度與歐盟EN標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)一致。德國(guó)的TuV和VDE標(biāo)準(zhǔn)在西方世界也得到了廣泛的認(rèn)可。在某些市場(chǎng)（例如：歐盟），還必須考慮停止生產(chǎn)的產(chǎn)品考量因素。
例如，開關(guān)是否經(jīng)過(guò)RoHS認(rèn)證？這不僅僅關(guān)乎汞；如今即使是鍍鎘低碳鋼內(nèi)部零件也是一個(gè)問(wèn)題，這也是設(shè)計(jì)師如今必須考慮的眾多因素之一。
產(chǎn)品是否會(huì)在全球銷售？如果不會(huì)，將來(lái)的銷售范圍是否會(huì)發(fā)生變化？如果發(fā)生這種情況，按照全球標(biāo)準(zhǔn)重新認(rèn)證電子元件的費(fèi)用是多少？如此而言，從一開始就選擇經(jīng)過(guò)交叉批準(zhǔn)認(rèn)證的開關(guān)是有道理的。
對(duì)于道路上使用的公路設(shè)備，開關(guān)可能需要取得特定認(rèn)證，例如協(xié)調(diào)CE標(biāo)志。在每種情況下，設(shè)計(jì)工程師都需要知道裝置的潛在銷售市場(chǎng)。
即便不需要第三方認(rèn)證，但這能否替代昂貴的內(nèi)部測(cè)試？使用第三方認(rèn)證的開關(guān)能否為產(chǎn)品增加感知價(jià)值或體現(xiàn)獨(dú)特的銷售主張？即使不需要經(jīng)認(rèn)證的開關(guān)，但指定經(jīng)認(rèn)證的開關(guān)仍可顯現(xiàn)制造和市場(chǎng)營(yíng)銷的意義。
開關(guān)供應(yīng)商能否可提供經(jīng)全球認(rèn)證的產(chǎn)品？在質(zhì)量方面，開關(guān)供應(yīng)商能否提供滿足內(nèi)部質(zhì)保和最終用戶要求的文件？這是一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素，也是一個(gè)開關(guān)定價(jià)因素。通常，成本最低的開關(guān)很少或幾乎沒(méi)有配套文件或可追溯性。
衡量可靠性有一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，即要求在開關(guān)預(yù)期使用壽命期限內(nèi)不出現(xiàn)任何故障，以開關(guān)周期來(lái)度量。在某些應(yīng)用中，可能需要達(dá)到平均無(wú)故障時(shí)間（通常以運(yùn)行時(shí)數(shù)表示）。
此外，選擇開關(guān)最好從供應(yīng)商開始，考慮可靠性至關(guān)重要。使用壽命長(zhǎng)、可靠性高的開關(guān)自然更昂貴，預(yù)算有限的指定工程師（基本上每個(gè)工程師的預(yù)算都有限）可通過(guò)合理MTBF或可靠性參數(shù)來(lái)降低成本，擴(kuò)大開關(guān)的選擇范圍。
對(duì)于有多個(gè)潛在故障問(wèn)題的復(fù)雜系統(tǒng)，很容易提出過(guò)多可靠性要求。但從系統(tǒng)方法來(lái)看，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)電路故障概率的統(tǒng)計(jì)分析表明，其他系統(tǒng)（例如：線束或連接器）可能需要符合更嚴(yán)格的可靠性規(guī)范，因此，可使用成本較低的開關(guān)設(shè)備。整體系統(tǒng)的可靠性非常重要；為控制臺(tái)/駕駛艙開關(guān)設(shè)備增加兩個(gè)數(shù)量級(jí)的更精準(zhǔn)的故障概率可能非但不必要且成本也高。
另一種解決方案是管理開關(guān)故障以降低成本。使用現(xiàn)場(chǎng)易更換的開關(guān)的面板設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師可使用成本較低的開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的可靠性目標(biāo)。如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求是操作面板或控制臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)可維護(hù)性，則開關(guān)接入設(shè)計(jì)可能已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。
適合用戶的性能
在這點(diǎn)上，設(shè)計(jì)師可能有一個(gè)簡(jiǎn)短的開關(guān)列表，其中的開關(guān)可在電路中使用且達(dá)到所需可靠性等級(jí)。盡管開關(guān)是最基本形式的HMI，但只要將操作員納入系統(tǒng)考量因素中，就必須考慮另一組參數(shù)。典型問(wèn)題包括：
•您的操作員可方便地驅(qū)動(dòng)開關(guān)嗎？操作員是否需在驅(qū)動(dòng)開關(guān)時(shí)查看開關(guān)？操作員會(huì)戴手套嗎？操作員會(huì)處于高振動(dòng)環(huán)境中嗎？
•操作員是否需要確認(rèn)開關(guān)驅(qū)動(dòng)？是否需要處于堅(jiān)固準(zhǔn)確的位置？是否接通照明？
•開關(guān)是否是多開關(guān)板的一部分？開關(guān)是直接還是間接被照亮？應(yīng)該控制亮度嗎？操作員是否有夜視問(wèn)題？
•安全關(guān)鍵功能需要專用開關(guān)嗎？某些開關(guān)是否應(yīng)帶鎖或加以防護(hù)？
•阻燃性和安全故障模式是安全要求嗎？開關(guān)必須讓開路失效嗎？操作員是否會(huì)無(wú)意地?cái)嚅_開關(guān)？
雖然這些屬于功能上的考慮，但大多數(shù)設(shè)計(jì)師面對(duì)的是競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)。開關(guān)不僅僅要可靠發(fā)揮功能；也必須為操作員創(chuàng)造一個(gè)有效率的工作環(huán)境，并為整個(gè)系統(tǒng)增加感知價(jià)值水平。
例如，安裝在不方便操作的位置或太靠近其他控件的小開關(guān)可能具有出色性能，但在重型設(shè)備中則不合適。相反，傳統(tǒng)撥動(dòng)開關(guān)或蹺板開關(guān)可能無(wú)法給高科技的計(jì)算機(jī)化設(shè)備帶來(lái)21世紀(jì)的氣息。
在昂貴、高科技設(shè)備的控制站和控制臺(tái)上，開關(guān)板固定板、照明顏色和亮度以及多語(yǔ)言、標(biāo)準(zhǔn)化開關(guān)符號(hào)這些都是重要的小細(xì)節(jié)。從工程設(shè)計(jì)角度來(lái)看，正確的開關(guān)對(duì)銷售和使用設(shè)備的人而言可能卻是錯(cuò)誤的開關(guān)。
可制造性設(shè)計(jì)
在這一點(diǎn)上，設(shè)計(jì)工程師可能很清楚要如何選擇，但制造呢？如果無(wú)法在裝配線上高效地將開關(guān)組裝到面板中，則會(huì)浪費(fèi)組件的高性能和低成本優(yōu)勢(shì)。
在第二次世界大戰(zhàn)之前，通常選擇采用外圈和鎖緊螺母，通過(guò)半英寸沖孔，在鋼板面板上安裝撥動(dòng)開關(guān)。令人驚訝的是，如今仍有人如選擇這么做，但很少有現(xiàn)代設(shè)計(jì)師會(huì)考慮在批量應(yīng)用中使用緩慢又容易出錯(cuò)的技術(shù)。開關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)安裝方式是手動(dòng)嵌入或通過(guò)面板自動(dòng)嵌入而無(wú)需使用緊固件，通過(guò)矩形孔安裝到?jīng)_壓或注塑面板中。矩形安裝孔可確保對(duì)齊，避免旋轉(zhuǎn)，并方便面板設(shè)計(jì)師以適中的成本進(jìn)行加工。
對(duì)于多開關(guān)板，整體模塊通常是適合批量應(yīng)用的最低成本選擇，并通過(guò)使用簡(jiǎn)易連接器和更簡(jiǎn)單、更輕的線束來(lái)節(jié)省成本。
影響控件設(shè)計(jì)工具的相同成本壓力也影響著電氣系統(tǒng)的其余部分，而多路復(fù)用技術(shù)—特別是通過(guò)諸如SAEJ1939和NMEA等通信協(xié)議—允許使用更簡(jiǎn)單、更輕的線束。對(duì)于控件設(shè)計(jì)工具而言，多路復(fù)用技術(shù)雖增加了復(fù)雜度，但實(shí)際上簡(jiǎn)化了面板問(wèn)題，基本上可無(wú)限選擇定制或現(xiàn)成的控制模塊，這些模塊采用帶有自定義圖形和照明的觸摸板。
如此選擇的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是能更好地掌控現(xiàn)代汽車的外觀和感覺(jué)，在嚴(yán)苛的工作應(yīng)用中發(fā)揮較高性能。但如果選用多路復(fù)用系統(tǒng)，則在設(shè)計(jì)過(guò)程盡早考慮供應(yīng)商選擇要求，這條準(zhǔn)則尤其正確。對(duì)于這些更加復(fù)雜的系統(tǒng)，開關(guān)供應(yīng)商常常會(huì)在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中成為供應(yīng)商/合作伙伴。
選擇正確的開關(guān)供應(yīng)商›
由于選擇過(guò)程與開關(guān)一樣復(fù)雜，因此本文僅探討了OEM制造商的潛在問(wèn)題。選擇合適的開關(guān)供應(yīng)商不再是采購(gòu)部門的問(wèn)題；相反，智能設(shè)計(jì)工程師通常會(huì)在產(chǎn)品開發(fā)階段盡早伸出援手，并挖掘利用合格供應(yīng)商的工程專業(yè)知識(shí)。
經(jīng)歷這種協(xié)作開發(fā)后，越來(lái)越多的定制開關(guān)和模塊可能無(wú)法從多個(gè)供應(yīng)商獲取。多個(gè)設(shè)計(jì)工程師都需要面臨采購(gòu)和生產(chǎn)經(jīng)理的挑戰(zhàn)，他們不同意必要組件的單一采購(gòu)。
但單位成本不是系統(tǒng)成本，具備專業(yè)知識(shí)和工程設(shè)計(jì)深度的開關(guān)供應(yīng)商可大幅節(jié)省上市時(shí)間和制造成本，這通常會(huì)使單個(gè)組件的單位成本成為次要考慮因素。
有一些制造商已將供應(yīng)商資格認(rèn)證程序標(biāo)準(zhǔn)化，但仍有許多制造商沒(méi)有這樣做，但在選擇開關(guān)供應(yīng)商時(shí)，這些制造商應(yīng)提出一些基本問(wèn)題：
•供應(yīng)商是否有內(nèi)部工程設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)？
•供應(yīng)商能否幫助OEM工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)？
•供應(yīng)商是否提供了多種應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決方案？
•供應(yīng)商是否提供第三方認(rèn)證產(chǎn)品？
•供應(yīng)商能否向OEM質(zhì)保部門提供證書和批次可追溯性？
•供應(yīng)商是否有內(nèi)部生產(chǎn)？
•供應(yīng)商需要多長(zhǎng)時(shí)間來(lái)開發(fā)和交付產(chǎn)品？
•供應(yīng)商可將生產(chǎn)量提高到要求的量嗎？
