是否講究精簡過頭了？

「精簡」在機械設計中是個熱門主題。簡而言之，這個術語意味著使用各種 CAD/CAE 工具，例如有限元素設計 (FEA) 以建立模型和模擬一項設計，然後選擇性地移除或薄化材料，重新執行模擬，再觀察設計是否仍然可行。目標是減少材料的使用，進而縮小尺寸和重量，最好還能簡化生產作業和降低原物料成本。

更通俗地說，就是把東西盡可能削減到還可以接受的地步。原則上，這是很好的主意；畢竟減輕重量和成本在大多數的專案中都是優先考量。

過往尚無現今如此強大的模擬和建立模型工具，因此設計人員會留下或甚至稍微增加一點尺寸作為安全餘裕，以求保險。設計人員會綜合分析、判斷和經驗，決定哪裡可能需要多加一點。不過目前，若依照工具判斷不會有問題，就會促使將這樣的餘裕削減。

但真的確定可行嗎？每位工程師都明白，任何模擬都仰賴於模型，而每個模型都內含假設和簡化。FEA 專家兼講師 Tony Abbey 近期於《Digital Engineering》上發表的文章「FEA Demos and Benchmarks (FEA 展示及基準)」對此有詳盡的闡述。

他舉出具體的例子，包括許多 FEA 配置內所廣為採行的一些標準配置將「小處」簡化以易於建構和分析 – 但這麼做對分析的有效性有重大影響。

當然，不僅在機械設計中容易出現此一弱點，電子設計也有同樣的問題，只是不如連結點、支架或構件故障來得那麼明顯。即使模型如實地包含了寄生元件，又該如何指派數值給這類元件呢？這些數值會隨時間和溫度而變化嗎？由於正常材料和生產變異，造成距離標稱的偏差是多少？即使對設計執行良好得蒙地卡羅模擬，也幾乎不可能涵蓋所有可能的變異。

圖 1：無可避免的電阻耗散會使其溫度升高，造成實際電阻偏離標稱值；圖示為隨著電阻耗散逼近額定功率等級，溫度迅速上升的情形。(圖片來源：TT Electronics)

模型有效性不僅是 RF 的問題，也是 DC 的疑慮。請考量普遍的電流感測電阻，其通常在毫歐姆範圍。基本上，以一段短銅導線就能體現。雖然此法可行，但無法長期適用，因為導線會自體發熱，就會導致銅的電阻變化。基礎銅的電阻溫度係數 (TCR) 約為 4000 ppm/°C，因此一個 1 mΩ 電阻僅升高 50°C，就會成為 1.2 mΩ，相當於偏離 20% (圖 1)。

設計若僅通過電子效能驗證，未將熱效應計入考量，頂多只能算勉強通過。雖有多種實體工具 (例如 Comsol) 可將電子、磁性、熱和機械分析連結和交叉建立模型，但仍需要對這些關聯具有深入洞見。

正因為如此，Vishay Dale 等專用元件廠商提供採用複雜材料和製程的特殊低 TCR 電阻。例如，其 WSBS8518 系列 Power Metal Strip 電阻的 TCR 介於 ±110 與 ±200 ppm/°C 之間 (取決於標稱電阻值)，而其 WSLP 系列甚至更佳，TCR 低至 ±75 ppm/°C。其他品項包含高度專業化的電阻，TCR 僅為個位數，適合高階計量學應用。

設計人員保守一點通常是個優點。除非真的確定模型建立得夠完整，否則請為設計添加一些餘裕。如果耗散計算結果指出需要 0.22 W 電阻，也許該選 0.5 W 電阻，而非剛剛好的 0.25 W 電阻。在尚未建立模型及初期建立模型的時期，設計人員瞭解無法掌握一切，所以習慣在效能和安全方面添加實質的餘裕，而不會極度精簡。

現今有強大的工具和模型，容易導致設計人員過於自信，認為他們綜觀一切。但實際上，請採用模型和模擬評估信心水準，然後將此納入設計和 BOM 的考量，才是聰明的作法。