硬件電路設(shè)計(jì)規(guī)范

01 硬件電路設(shè)計(jì)規(guī)范

1、 詳細(xì)理解設(shè)計(jì)需求，從需求中整理出電路功能模塊和性能指標(biāo)要求;

2、 根據(jù)功能和性能需求制定總體設(shè)計(jì)方案，對(duì) CPU 進(jìn)行選型，CPU 選型有以下幾點(diǎn)要求：

a) 性價(jià)比高;

b) 容易開(kāi)發(fā)：體現(xiàn)在硬件調(diào)試工具種類多，參考設(shè)計(jì)多，軟件資源豐富，成功案例多;

c) 可擴(kuò)展性好;

3、 針對(duì)已經(jīng)選定的 CPU 芯片，選擇一個(gè)與我們需求比較接近的成功參考設(shè)計(jì)，一般 CPU 生產(chǎn)商或他們的合作方都會(huì)對(duì)每款 CPU芯片做若干開(kāi)發(fā)板進(jìn)行驗(yàn)證，比如 440EP 就有 yosemite 開(kāi)發(fā)板和bamboo 開(kāi)發(fā)板，我們參考得是 yosemite 開(kāi)發(fā)板，廠家最后公開(kāi)給用戶的參考設(shè)計(jì)圖雖說(shuō)不是產(chǎn)品級(jí)的東西，也應(yīng)該是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格驗(yàn)證的，否則也會(huì)影響到他們的芯片推廣應(yīng)用，縱然參考設(shè)計(jì)的外圍電路有可推敲的地方，CPU 本身的管腳連接使用方法也絕對(duì)是值得我們信賴的.

當(dāng)然如果萬(wàn)一出現(xiàn)多個(gè)參考設(shè)計(jì)某些管腳連接方式不同，可以細(xì)讀 CPU 芯片手冊(cè)和勘誤表，或者找廠商確認(rèn);另外在設(shè)計(jì)之前，最好我們能外借或者購(gòu)買一塊選定的參考板進(jìn)行軟件驗(yàn)證，如果沒(méi)問(wèn)題那么硬件參考設(shè)計(jì)也是可以信賴的;但要注意一點(diǎn)，現(xiàn)在很多 CPU都有若干種啟動(dòng)模式，我們要選一種最適合的啟動(dòng)模式，或者做成兼容設(shè)計(jì)。

4、 根據(jù)需求對(duì)外設(shè)功能模塊進(jìn)行元器件選型，元器件選型應(yīng)該遵守以下原則：

a) 普遍性原則：所選的元器件要被廣泛使用驗(yàn)證過(guò)的盡量少使用冷偏芯片，減少風(fēng)險(xiǎn);

b) 高性價(jià)比原則：在功能、性能、使用率都相近的情況下，盡量選擇價(jià)格比較好的元器件，減少成本;

c) 采購(gòu)方便原則：盡量選擇容易買到，供貨周期短的元器件;

d) 持續(xù)發(fā)展原則：盡量選擇在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)停產(chǎn)的元器件;

e) 可替代原則：盡量選擇 pin to pin 兼容種類比較多的元器件;

f) 向上兼容原則：盡量選擇以前老產(chǎn)品用過(guò)的元器件;

g) 資源節(jié)約原則：盡量用上元器件的全部功能和管腳;

5、 對(duì)選定的 CPU 參考設(shè)計(jì)原理圖外圍電路進(jìn)行修改，修改時(shí)對(duì)于每個(gè)功能模塊都要找至少 3 個(gè)相同外圍芯片的成功參考設(shè)計(jì)，如果找到的參考設(shè)計(jì)連接方法都是完全一樣的，那么基本可以放心參照設(shè)計(jì)，但即使只有一個(gè)參考設(shè)計(jì)與其他的不一樣，也不能簡(jiǎn)單地少數(shù)服從多數(shù)，而是要細(xì)讀芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)，深入理解那些管腳含義，多方討論，聯(lián)系芯片廠技術(shù)支持，最終確定科學(xué)、正確的連接方式，如果仍有疑義，可以做兼容設(shè)計(jì);這是整個(gè)原理圖設(shè)計(jì)過(guò)程中最關(guān)鍵的部分，我們必須做到以下幾點(diǎn)：

a) 對(duì)于每個(gè)功能模塊要盡量找到更多的成功參考設(shè)計(jì)，越難的應(yīng)該越多，成功參考設(shè)計(jì)是“前人”的經(jīng)驗(yàn)和財(cái)富，我們理當(dāng)借鑒吸收，站在“前人”的肩膀上，也就提高了自己的起點(diǎn);

b) 要多向權(quán)威請(qǐng)教、學(xué)習(xí)，但不能迷信權(quán)威，因?yàn)槿巳硕加姓J(rèn)知誤差，很難保證對(duì)哪怕是最了解的事物總能做出最科學(xué)的理解和判斷，開(kāi)發(fā)人員一定要在廣泛調(diào)查、學(xué)習(xí)和討論的基礎(chǔ)上做出最科學(xué)正確的決定;

c) 如果是參考已有的老產(chǎn)品設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中要留意老產(chǎn)品有哪些遺留問(wèn)題，這些遺留問(wèn)題與硬件哪些功能模塊相關(guān)，在設(shè)計(jì)這些相關(guān)模塊時(shí)要更加注意推敲，不能機(jī)械照抄原來(lái)設(shè)計(jì)，比如我們老產(chǎn)品中的 IDE 經(jīng)常出問(wèn)題，經(jīng)過(guò)仔細(xì)斟酌，廣泛討論和參考其他成功設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)我們的 IDE 接口有兩個(gè)管腳連線方式確實(shí)不規(guī)范;還有，針對(duì)FGPI 通道丟視頻同步信號(hào)的問(wèn)題，可以在硬件設(shè)計(jì)中引出硬件同步信號(hào)管腳，以便進(jìn)一步驗(yàn)證，更好發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的本質(zhì);

6、 硬件原理圖設(shè)計(jì)還應(yīng)該遵守一些基本原則，這些基本原則要貫徹到整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，雖然成功的參考設(shè)計(jì)中也體現(xiàn)了這些原則，但因?yàn)槲覀兛赡苁恰捌础背鰜?lái)的原理圖，所以我們還是要隨時(shí)根據(jù)這些原則來(lái)設(shè)計(jì)審查我們的原理圖，這些原則包括：

a) 數(shù)字電源和模擬電源分割;

b) 數(shù)字地和模擬地分割，單點(diǎn)接地，數(shù)字地可以直接接機(jī)殼地(大地)，機(jī)殼必須接大地;

c) 保證系統(tǒng)各模塊資源不能沖突，例如：同一 I2C 總線上的設(shè)備地址不能相同，等等;

d) 閱讀系統(tǒng)中所有芯片的手冊(cè)(一般是設(shè)計(jì)參考手冊(cè))，看它們的未用輸入管腳是否需要做外部處理，如果需要一定要做相應(yīng)處理，否則可能引起芯片內(nèi)部振蕩，導(dǎo)致芯片不能正常工作;

e) 在不增加硬件設(shè)計(jì)難度的情況下盡量保證軟件開(kāi)發(fā)方便，或者以小的硬件設(shè)計(jì)難度來(lái)?yè)Q取更多方便、可靠、高效的軟件設(shè)計(jì)，這點(diǎn)需要硬件設(shè)計(jì)人員懂得底層軟件開(kāi)發(fā)調(diào)試，要求較高;

f) 功耗問(wèn)題;

g) 產(chǎn)品散熱問(wèn)題，可以在功耗和發(fā)熱較大的芯片增加散熱片或風(fēng)扇，產(chǎn)品機(jī)箱也要考慮這個(gè)問(wèn)題，不能把機(jī)箱做成保溫盒，電路板對(duì)“溫室”是感冒的;還要考慮產(chǎn)品的安放位置，最好是放在空間比較大，空氣流動(dòng)暢通的位置，有利于熱量散發(fā)出去;

7、 硬件原理圖設(shè)計(jì)完成之后，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該按照以上步驟和要求首先進(jìn)行自審，自審后要達(dá)到有 95%以上把握和信心，然后再提交他人審核，其他審核人員同樣按照以上要求對(duì)原理圖進(jìn)行嚴(yán)格審查，如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題要及時(shí)進(jìn)行討論分析，分析解決過(guò)程同樣遵循以上原則、步驟;

8、 只要開(kāi)發(fā)和審核人員都能夠嚴(yán)格按以上要求進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和審查，我們就有理由相信，所有硬件開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)出的電路板一版成功率都會(huì)很高的，所以提出以下幾點(diǎn)：

a) 設(shè)計(jì)人員自身應(yīng)該保證原理圖的正確性和可靠性，要做到設(shè)計(jì)即是審核，嚴(yán)格自審，不要把希望寄托在審核人員身上，設(shè)計(jì)出現(xiàn)的任何問(wèn)題應(yīng)由設(shè)計(jì)人員自己承擔(dān)，其他審核人員不負(fù)連帶責(zé)任;

b) 其他審核人員雖然不承擔(dān)連帶責(zé)任，也應(yīng)該按照以上要求進(jìn)行嚴(yán)格審查，一旦設(shè)計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題，同樣反映了審核人員的水平、作風(fēng)和態(tài)度;

c) 普通原理圖設(shè)計(jì)，包括老產(chǎn)品升級(jí)修改，原則上要求原理圖一版成功，最多兩版封板，超過(guò)兩版將進(jìn)行績(jī)效處罰;

d) 對(duì)于功能復(fù)雜，疑點(diǎn)較多的全新設(shè)計(jì)，原則上要求原理圖兩版內(nèi)成功，最多三版封板，超過(guò)三版要進(jìn)行績(jī)效處罰;

e)原理圖封板標(biāo)準(zhǔn)為：電路板沒(méi)有任何原理性飛線和其他處理點(diǎn);

9、 以上提到原理圖設(shè)計(jì)相關(guān)的獎(jiǎng)勵(lì)和處罰具體辦法將在廣泛調(diào)查研究之后制定，征得公司領(lǐng)導(dǎo)同意后發(fā)布實(shí)施;

10、 制定此《規(guī)范》的目的和出發(fā)點(diǎn)是為了培養(yǎng)硬件開(kāi)發(fā)人員嚴(yán)謹(jǐn)、務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)和嚴(yán)肅、認(rèn)真的工作態(tài)度，增強(qiáng)他們的責(zé)任感和使命感，提高工作效率和開(kāi)發(fā)成功率，保證產(chǎn)品質(zhì)量;希望年輕的硬件開(kāi)發(fā)人員能在磨練中迅速成長(zhǎng)起來(lái)!

對(duì)于我們目前重點(diǎn)設(shè)計(jì)的相關(guān)模擬電路產(chǎn)品，沒(méi)有主用芯片、外圍芯片以及芯片與芯片之間的連接方面的問(wèn)題。所以，元器件的選項(xiàng)尤為重要，對(duì)于硬件設(shè)計(jì)的一些基本原則一定要注意。

02 主芯片選型

平臺(tái)的選擇很多時(shí)候和系統(tǒng)選擇的算法是相關(guān)的，所以如果要提高架構(gòu)，平臺(tái)的設(shè)計(jì)能力，得不斷提高自身的算法設(shè)計(jì)，復(fù)雜度評(píng)估能力，帶寬分析能力。

常用的主處理器芯片有：單片機(jī)，ASIC，RISC(DEC Alpha、ARC、ARM、MIPS、PowerPC、SPARC 和 SuperH )，DSP 和 FPGA 等，這些處理器的比較在網(wǎng)上有很多的文章，在這里不老生常談了，這里只提 1 個(gè)典型的主處理器選型案例。

比如市場(chǎng)上現(xiàn)在有很多高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)(HD-IPNC)的設(shè)計(jì)需求，而 IPNC 的解決方案也層出不窮，TI 的解決方案有 DM355、DM365、DM368 等，海思提供的方案則有 Hi3512、Hi3515、Hi3520 等，NXP提供的方案有 PNX1700、PNX1005 等。

對(duì)于 HD-IPNC 的主處理芯片，有幾個(gè)主要的技術(shù)指標(biāo)：視頻分辨率，視頻編碼器算法，最高支持的圖像抓拍分辨率，CMOS 的圖像預(yù)處理能力，以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

Hi3512 單芯片實(shí)現(xiàn) 720P30 H.264 編解碼能力，滿足高清 IP Camera應(yīng)用, Hi3515 可實(shí)現(xiàn) 1080P30 的編解碼能力，持續(xù)提升高清 IPCamera 的性能。

DM355 單芯片實(shí)現(xiàn) 720P30 MPEG4 編解碼能力，DM365 單芯片實(shí)現(xiàn) 720P30 H.264 編解碼能力, DM368 單芯片實(shí)現(xiàn) 1080P30 H.264編解碼能力。

DM355 是 2007 Q3 推出的，DM365 是 2009 Q1 推出的，DM368是 2010 Q2 推出的。海思的同檔次解決方案也基本上與之同時(shí)出現(xiàn)。海思和 TI 的解決方案都是基于 linux，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)而言，開(kāi)源社區(qū)的資源是沒(méi)有區(qū)別的，區(qū)別的只在于芯片供應(yīng)商提供的SDK 開(kāi)發(fā)包，兩家公司的 SDK 離產(chǎn)品都有一定的距離，但是 linux的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)并不是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，所以并不影響產(chǎn)品的推廣。

作為 IPNC 的解決方案，在 720P 時(shí)代，海思的解決方案相對(duì)于 TI的解決方案，其優(yōu)勢(shì)是支持了 H.264 編解碼算法，而 TI 只支持了MPEG4 的編解碼算法。雖然在 2008 年初，MPEG4 的劣勢(shì)在市場(chǎng)上已經(jīng)開(kāi)始體現(xiàn)出來(lái)，但在當(dāng)時(shí)這似乎并不影響 DM355 的推廣。

對(duì)于最高支持的圖像抓拍分辨率，海思的解決方案可以支持支持JPEG 抓拍 3M Pixels@5fps，DM355 最高可以支持 5M Pixels，雖然當(dāng)時(shí)沒(méi)有成功的開(kāi)發(fā)成 5M Pixel 的抓拍(內(nèi)存分配得有點(diǎn)兒?jiǎn)栴}，后來(lái)就不折騰了)，但是至少 4M Pixel 的抓拍是實(shí)現(xiàn)了的，而且有幾個(gè)朋友已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 2560x1920 這個(gè)接近 5M Pixel 的抓拍，所以在這一點(diǎn)上 DM355 稍微勝出。

因?yàn)樵诟咔宸直媛氏拢珻CD 傳感器非常昂貴，而 CMOS 傳感器像原尺寸又做不大，導(dǎo)致本身在低照度下就性能欠佳的 CMOS 傳感器的成像質(zhì)量在高分辨率時(shí)變差，于是 TI 在 DM355 處理器內(nèi)部集成了一個(gè)叫做 ISP 的圖像預(yù)處理模塊，它由 CCDC，IPIPE，IPIPEIF 和 H3A模塊組成，能幫助實(shí)現(xiàn)把 CMOS 的 RAW DATA(一般是指 Bayer格式數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)成 YCbCr 數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)包括白平衡調(diào)節(jié)，直方圖統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)曝光，自動(dòng)聚焦等采用 CMOS 解決方案所必須的功能，故DM355 處理器就可以無(wú)縫的對(duì)接各種圖像傳感器了。而海思的解決方案對(duì)于 CMOS 的選擇就有局限性，它只能用 OVT 一些解決方案，因?yàn)?OVT 的部分 Sensor 集成了圖像預(yù)處理功能。但是 DM355 不僅可以接 OVT 的解決方案，還可接很多其他廠家的 CMOS sensor，比如 Aptina 的 MT9P031。所以在圖像預(yù)處理能力方面，DM355 繼續(xù)勝出。

在 IPNC 這個(gè)領(lǐng)域，只要每臺(tái)掙 1 個(gè)美金就可以開(kāi)始跑量，所以在那個(gè)時(shí)代，很少有人會(huì)去死摳 H.264 和 MPEG4 的性能差異，而且 TI已經(jīng)給了市場(chǎng)一個(gè)很好的預(yù)期，支持 H.264 的 DM365 很快就會(huì)面世。所以 IPNC 這個(gè)方案而言，當(dāng)時(shí)很多企業(yè)都選擇了 DM355 的方案。有些朋友現(xiàn)在已經(jīng)從 DM355 成功過(guò)渡到 DM365、DM368，雖然你有時(shí)候會(huì)罵 TI，為什么技術(shù)不搞得厲害點(diǎn)，在當(dāng)年就一步到位，浪費(fèi)了多少生產(chǎn)力。但是技術(shù)就是一點(diǎn)一點(diǎn)積累起來(lái)，對(duì)于個(gè)人來(lái)不得半點(diǎn)含糊，對(duì)于大企業(yè)，他們也無(wú)法大躍進(jìn)。DM355 的 CMOS 預(yù)處理技術(shù)也有很多 Bug，SDK 也有很多 bug，有時(shí)會(huì)讓你又愛(ài)又恨，但是技術(shù)這東西總是沒(méi)有十全十美的，能在特定的歷史條件下，滿足市場(chǎng)需求，那就是個(gè)好東西。

當(dāng)然海思的解決方案在 DVS、DVR 方面也大放異彩，一點(diǎn)也不遜色于 TI 的解決方案。

其它芯片的選型則可以參考各芯片廠商官方網(wǎng)站的芯片手冊(cè)，進(jìn)行PK，目前大部分芯片廠商的芯片手冊(cè)都是免 NDA 下載的，如果涉及到 NDA 問(wèn)題，那就得看個(gè)人和公司的資源運(yùn)作能力了，一般找一下國(guó)內(nèi)相應(yīng)芯片的總代理商，溝通一下，簽個(gè) NDA 還是可以要到相應(yīng)資料的。每隔一周上各 IC 大廠的官方主頁(yè)，關(guān)注一下芯片發(fā)展的動(dòng)態(tài)這是每個(gè)電子工程師的必須課啊，這不僅為了下一個(gè)方案設(shè)計(jì)積累了足夠的資本，也為公司的產(chǎn)品策略做足了功課。

03 芯片選購(gòu)

芯片采購(gòu)是電子電路設(shè)計(jì)過(guò)程中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。一般情況下，在各 IC 大廠上尋找的芯片，只要不是 EOL 掉的芯片，一般都能采購(gòu)到。但是作為電子電路的設(shè)計(jì)者，很少不在芯片采購(gòu)問(wèn)題上栽過(guò)。常見(jiàn)的情況有以下幾種：

1， 遇到經(jīng)濟(jì)危機(jī)，各 IC 廠商減產(chǎn)，導(dǎo)致芯片供貨周期變長(zhǎng)，有些IC 廠商甚至提出 20 周貨期的訂貨條件。印象很深的 2009 年上半年訂包 PTH08T240WAD，4-6 周就取到了貨，可是到了 2009 年下半年，要么是 20 周貨期，要么就是價(jià)格翻一番，而且數(shù)量只有幾個(gè)。

2， 有些芯片雖然在 datasheet 上寫(xiě)明了有工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，但是由于市場(chǎng)上用量非常少，所以導(dǎo)致 IC 廠商生產(chǎn)非常少，市場(chǎng)供貨也非常緊缺，這就讓要做寬溫工業(yè)級(jí)產(chǎn)品的企業(yè)或者軍工級(jí)產(chǎn)品的企業(yè)付出巨大的代價(jià)。

3， 有些芯片廠商的代理渠道控制得非常嚴(yán)格，一些比較新的芯片在一般的貿(mào)易商那采購(gòu)不到，只能從代理商那訂。如果數(shù)量能達(dá)到一個(gè)MPQ 或者 MOQ 的要求，一般代理商就會(huì)幫你采購(gòu)。但是如果只是要一兩個(gè)工程樣品，那么就得看你和代理商的關(guān)系了，如果你剛進(jìn)入這個(gè)行業(yè)的話，那很有可能你就無(wú)法從代理商這獲得這個(gè)工程樣片。

4， 有些芯片是有限售條件，如果芯片是對(duì)中國(guó)限售而不對(duì)亞洲限售的話，一般可以通過(guò)新加坡搞進(jìn)來(lái)，如果芯片是對(duì)亞洲限售的話，那采購(gòu)難度得大大的增加，采購(gòu)的價(jià)格也會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出你的想象空間。先看一個(gè)芯片采購(gòu)案例：

之前我給一朋友推薦了一個(gè) FPGA 芯片，他后來(lái)給我發(fā)了一段聊天記錄，如下：

2010-8-3 912 A B XC6SLX16-2CSG225C 訂貨 250.00

2010-8-3 910 B A 訂貨多久呢?

2010-8-3 937 A B 2 周

2010-8-13 1447 A B XC6SLX16-2CSG225C 這個(gè)型號(hào)，你那天跟我定的，本來(lái)是貨期兩周的，但是這個(gè)型號(hào)屬于敏感型號(hào)，禁運(yùn)國(guó)內(nèi)的，我們要第三方去代購(gòu)，所以現(xiàn)在貨期要 5 周左右，你看能接受嗎?

注：B 為芯片采購(gòu)商，A 為芯片供應(yīng)商

回顧一下當(dāng)時(shí)發(fā)生的情形：

2010-8-3，B 設(shè)計(jì)好方案，確定好芯片型號(hào)后，因?yàn)樾酒吞?hào)比較新，害怕芯片買不到，于是向芯片供應(yīng)商 A 確定了一下芯片的貨源情況，當(dāng)獲知價(jià)格和貨期之后，B 非常高興，非常滿意地跟我說(shuō)，你推薦的芯片性價(jià)比真不錯(cuò)，等原理圖設(shè)計(jì)完之后，就馬上去訂貨。

2010-8-13，B 設(shè)計(jì)完原理圖后，B 要向 A 下單時(shí)，突然收到 A 的上述回復(fù)，于是他一下子就蒙了，因?yàn)?2 周就可以完成 PCB layout，1周就可以完成 PCB 加工生產(chǎn)。也就意味著 B 即使 2010-8-13 下單，也得干等 2 周的時(shí)間才能開(kāi)始焊接調(diào)試。(最后 A 這供應(yīng)商又獲知這芯片是對(duì)中國(guó)禁售的，沒(méi)有辦法幫 B 搞定，最后 B 從另外一家芯片貿(mào)易商那花了 5 周的時(shí)間才采購(gòu)到，而且價(jià)格漲到了 450)

耽誤 2 周可能還算是少的了，遇到其他特殊情況，芯片搞不到也都是有可能的，如果是原理圖設(shè)計(jì)好了之后遇到這種情況的話，那簡(jiǎn)直就要哭了，如果是等 PCB layout 好了之后再遇到這種情況的話，那就是欲哭無(wú)淚了。

所以建議在芯片方案確定之后，就馬上下單采購(gòu)芯片，芯片詢價(jià)時(shí)獲得的價(jià)格和貨期消息有時(shí)并不一定準(zhǔn)確，因?yàn)?IC 行業(yè)的數(shù)據(jù)庫(kù)的更新有時(shí)具有一定的滯后性，只有下單后等到供應(yīng)商的合同確認(rèn)，那才算塵埃落定。

04 功耗分析與電源設(shè)計(jì)

分析系統(tǒng)主芯片對(duì)紋波的要求

由于直流穩(wěn)定電源一般是由交流電源經(jīng)整流穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)而形成的，這就不可避免地在直流穩(wěn)定量中多少帶有一些交流成份，這種疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量就稱之為紋波，紋波對(duì)系統(tǒng)有很多負(fù)面的影響，比如紋波太大會(huì)造成主處理器芯片的重啟，或者給某些AD，DA 引入噪聲。

一個(gè)典型的現(xiàn)象就是，如果電源的紋波疊加到音頻 DA 芯片的輸出上，則會(huì)造成嗡嗡的雜音。下表是設(shè)計(jì)中所使用芯片對(duì)紋波的要求，以及電源芯片能夠提供的紋波范圍，紋波是選擇電源芯片的重要參數(shù)，這里只列舉一兩個(gè)芯片進(jìn)行說(shuō)明：

芯片紋波統(tǒng)計(jì)表:

分析系統(tǒng)主芯片的電壓上電順序要求

當(dāng)今的大多數(shù)電子產(chǎn)品都需要使用多個(gè)電源電壓。電源電壓數(shù)目的增加帶來(lái)了一項(xiàng)設(shè)計(jì)難題，即需要對(duì)電源的相對(duì)上電和斷電特性進(jìn)行控制，以消除數(shù)字系統(tǒng)遭受損壞或發(fā)生閉鎖的可能性。一般這個(gè)在芯片手冊(cè)中會(huì)有詳細(xì)說(shuō)明，建議遵守芯片手冊(cè)中的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

分析系統(tǒng)所有芯片的功耗

統(tǒng)計(jì)板卡上用到的所有芯片的功耗，大部分芯片的功耗在芯片手冊(cè)上都有詳細(xì)說(shuō)明，部分芯片的功耗在手冊(cè)上沒(méi)有明確寫(xiě)明，比如 FPGA，這時(shí)候可以根據(jù)以往設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)值，或者事先將 FPGA 的邏輯寫(xiě)好，借助 EDA 工具進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，比如 ISE 的 Xpower Analyzer，下面的表格是一個(gè)功耗分析的統(tǒng)計(jì)案例。

注：因?yàn)閿?shù)據(jù)比較多，所以這里只選擇了3.3V 的幾個(gè)芯片作為代表進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

論證選擇的電源方案能否滿足以上的所有要求

根據(jù)對(duì)上電順序的要求，紋波以及功耗的分析，選擇正確的電源方案。

電源設(shè)計(jì)是一個(gè)細(xì)活，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理是一個(gè)不可缺少的工種，養(yǎng)成良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣，是“一板通”必需的環(huán)節(jié)。

電源方案的選擇，學(xué)問(wèn)非常多，分析的文章更是數(shù)不勝數(shù)。在這里只列舉幾個(gè)規(guī)律性的東西。

在消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品里面，由于成本非常敏感，散熱要求比較高，所以一般傾 向于 DC/DC 的解 決方案 ，而且 現(xiàn)在 越來(lái)越 多傾向 于 Power Management Multi-Channel IC(PMIC)的解決方案。DC/DC 的一個(gè)比較大的缺點(diǎn)就是紋波大，另外如果電感和電容設(shè)計(jì)不合理的話，電壓就會(huì)很不穩(wěn)定。

印象非常深的就是有一次用 DC/DC 給 FPGA 供電時(shí)，根據(jù) FPGA 的Power Distribution System (PDS)分析，加了足夠多的 330uF 鉭電容，結(jié)果 DC/DC 就經(jīng)常出問(wèn)題，所以 DC/DC 的設(shè)計(jì)一定要細(xì)心。大功率電路設(shè)計(jì)時(shí)，電感的選擇也非常的關(guān)鍵，參考設(shè)計(jì)中很多電感型號(hào)在北京中發(fā)電子市場(chǎng)或者深圳賽格廣場(chǎng)上都是買不到的，而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的替代品往往飽和電流要小于參考設(shè)計(jì)中電感的要求值，所以建議設(shè)計(jì)時(shí)也要先買到符合要求的電感之后，再開(kāi)始做電感的 Footprint。

在非消費(fèi)品領(lǐng)域， LDO、電源模塊用得相對(duì)較多，因?yàn)殡娫醇y波小，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。我初學(xué)電路的時(shí)候，當(dāng)時(shí)就特怵 DC/DC 的設(shè)計(jì)，所以當(dāng)時(shí)一直用的 LDO 和電源模塊，直到后來(lái)開(kāi)始設(shè)計(jì)消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品，因?yàn)槌杀镜目紤]，才不得不開(kāi)始設(shè)計(jì) DC/DC，不過(guò)現(xiàn)在 IC 設(shè)計(jì)廠商已經(jīng)基本上都把 MOSFET 集成到芯片里面去了，所以 DC/DC 的設(shè)計(jì)的復(fù)雜度也變小了。

05 設(shè)計(jì)一個(gè)合適的系統(tǒng)電源

對(duì)于現(xiàn)在一個(gè)電子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電源部分的設(shè)計(jì)也越來(lái)越重要，我想通過(guò)和大家探討一些自己關(guān)于電源設(shè)計(jì)的心得，來(lái)個(gè)拋磚引玉，讓我們?cè)陔娫丛O(shè)計(jì)方面能夠都有所深入和長(zhǎng)進(jìn)。

Q1：如何來(lái)評(píng)估一個(gè)系統(tǒng)的電源需求

Answer：對(duì)于一個(gè)實(shí)際的電子系統(tǒng)，要認(rèn)真的分析它的電源需求。不僅僅是關(guān)心輸入電壓，輸出電壓和電流，還要仔細(xì)考慮總的功耗，電源實(shí)現(xiàn)的效率，電源部分對(duì)負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力，關(guān)鍵器件對(duì)電源波動(dòng)的容忍范圍以及相應(yīng)的允許的電源紋波，還有散熱問(wèn)題等等。功耗和效率是密切相關(guān)的，效率高了，在負(fù)載功耗相同的情況下總功耗就少，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的功率預(yù)算就非常有利了，對(duì)比 LDO和開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源的效率要高一些。同時(shí)，評(píng)估效率不僅僅是看在滿負(fù)載的時(shí)候電源電路的效率，還要關(guān)注輕負(fù)載的時(shí)候效率水平。

至于負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)能力，對(duì)于一些高性能的 CPU 應(yīng)用就會(huì)有嚴(yán)格的要求，因?yàn)楫?dāng) CPU 突然開(kāi)始運(yùn)行繁重的任務(wù)時(shí)，需要的啟動(dòng)電流是很大的，如果電源電路響應(yīng)速度不夠，造成瞬間電壓下降過(guò)多過(guò)低，造成 CPU 運(yùn)行出錯(cuò)。

一般來(lái)說(shuō)，要求的電源實(shí)際值多為標(biāo)稱值的+-5%，所以可以據(jù)此計(jì)算出允許的電源紋波，當(dāng)然要預(yù)留余量的。

散熱問(wèn)題對(duì)于那些大電流電源和 LDO 來(lái)說(shuō)比較重要，通過(guò)計(jì)算也是可以評(píng)估是否合適的。

Q2：如何選擇合適的電源實(shí)現(xiàn)電路

Answer：根據(jù)分析系統(tǒng)需求得出的具體技術(shù)指標(biāo)，可以來(lái)選擇合適的電源實(shí)現(xiàn)電路了。一般對(duì)于弱電部分，包括了 LDO(線性電源轉(zhuǎn)換器)，開(kāi)關(guān)電源電容降壓轉(zhuǎn)換器和開(kāi)關(guān)電源電感電容轉(zhuǎn)換器。相比之下，LDO 設(shè)計(jì)最易實(shí)現(xiàn)，輸出紋波小，但缺點(diǎn)是效率有可能不高，發(fā)熱量大，可提供的電流相較開(kāi)關(guān)電源不大等等。而開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)靈活，效率高，但紋波大，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，調(diào)試比較煩瑣等等。

Q3：如何為開(kāi)關(guān)電源電路選擇合適的元器件和參數(shù)

Answer：很多的未使用過(guò)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的工程師會(huì)對(duì)它產(chǎn)生一定的畏懼心理，比如擔(dān)心開(kāi)關(guān)電源的干擾問(wèn)題，PCB layout 問(wèn)題，元器件的參數(shù)和類型選擇問(wèn)題等。其實(shí)只要了解了，使用一個(gè)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)還是非常方便的。

一個(gè)開(kāi)關(guān)電源一般包含有開(kāi)關(guān)電源控制器和輸出兩部分，有些控制器會(huì)將 MOSFET 集成到芯片中去，這樣使用就更簡(jiǎn)單了，也簡(jiǎn)化了 PCB 設(shè)計(jì)，但是設(shè)計(jì)的靈活性就減少了一些。

開(kāi)關(guān)控制器基本上就是一個(gè)閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，所以一般都會(huì)有一個(gè)反饋輸出電壓的采樣電路以及反饋環(huán)的控制電路。因此這部分的設(shè)計(jì)在于保證精確的采樣電路，還有來(lái)控制反饋深度，因?yàn)槿绻答伃h(huán)響應(yīng)過(guò)慢的話，對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)能力是會(huì)有很多影響的。

而輸出部分設(shè)計(jì)包含了輸出電容，輸出電感以及 MOSFET 等等，這些的選擇基本上就是要滿足一個(gè)性能和成本的平衡，比如高的開(kāi)關(guān)頻率就可以使用小的電感值(意味著小的封裝和便宜的成本)，但是高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)增加干擾和對(duì) MOSFET 的開(kāi)關(guān)損耗，從而效率降低。使用低的開(kāi)關(guān)頻率帶來(lái)的結(jié)果則是相反的。

對(duì)于輸出電容的 ESR 和 MOSFET 的 Rds_on 參數(shù)選擇也是非常關(guān)鍵的，小的 ESR 可以減小輸出紋波，但是電容成本會(huì)增加，好的電容會(huì)貴嘛。開(kāi)關(guān)電源控制器驅(qū)動(dòng)能力也要注意，過(guò)多的

MOSFET 是不能被良好驅(qū)動(dòng)的。

一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源控制器的供應(yīng)商會(huì)提供具體的計(jì)算公式和使用方案供工程師借鑒的。

Q4：如何調(diào)試開(kāi)關(guān)電源電路

Answer：有一些經(jīng)驗(yàn)可以共享給大家

1: 電源電路的輸出輸出通過(guò)低阻值大功率電阻接到板內(nèi)，這樣在不焊電阻的情況下可以先做到電源電路的先調(diào)試，避開(kāi)后面電路的影響。

2: 一般來(lái)說(shuō)開(kāi)關(guān)控制器是閉環(huán)系統(tǒng)，如果輸出惡化的情況超過(guò)了閉環(huán)可以控制的范圍，開(kāi)關(guān)電源就會(huì)工作不正常，所以這種情況就需要認(rèn)真檢查反饋和采樣電路。特別是如果采用了大 ESR 值的輸出電容，會(huì)產(chǎn)生很多的電源紋波，這也會(huì)影響開(kāi)關(guān)電源的工作的。

接地技術(shù)的討論

Q1：為什么要接地?

Answer：接地技術(shù)的引入最初是為了防止電力或電子等設(shè)備遭雷擊而采取的保護(hù)性措施，目的是把雷電產(chǎn)生的雷擊電流通過(guò)避雷針引入到大地，從而起到保護(hù)建筑物的作用。同時(shí)，接地也是保護(hù)人

身安全的一種有效手段，當(dāng)某種原因引起的相線(如電線絕緣不良，線路老化等)和設(shè)備外殼碰觸時(shí)，設(shè)備的外殼就會(huì)有危險(xiǎn)電壓產(chǎn)生，由此生成的故障電流就會(huì)流經(jīng) PE 線到大地，從而起到保護(hù)作用。隨著電子通信和其它數(shù)字領(lǐng)域的發(fā)展，在接地系統(tǒng)中只考慮防雷和安全已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求了。比如在通信系統(tǒng)中，大量設(shè)備之間信號(hào)的互連要求各設(shè)備都要有一個(gè)基準(zhǔn)‘地’作為信號(hào)的參考地。而且隨著電子設(shè)備的復(fù)雜化，信號(hào)頻率越來(lái)越高，因此，在接地設(shè)計(jì)中，信號(hào)之間的互擾等電磁兼容問(wèn)題必須給予特別關(guān)注，否則，接地不當(dāng)就會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。最近，高速信號(hào)的信號(hào)回流技術(shù)中也引入了 “地”的概念。

Q2：接地的定義

Answer: 在現(xiàn)代接地概念中、對(duì)于線路工程師來(lái)說(shuō)，該術(shù)語(yǔ)的含義通常是‘線路電壓的參考點(diǎn)’;對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，它常常是機(jī)柜或機(jī)架;對(duì)電氣工程師來(lái)說(shuō)，它是綠色安全地線或接到大地的意

思。一個(gè)比較通用的定義是“接地是電流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是”低阻抗”和“通路”。

Q3：常見(jiàn)的接地符號(hào)

Answer: PE,PGND,FG - 保 護(hù) 地 或 機(jī) 殼 ;BGND 或DC-RETURN-直流-48V(+24V)電源(電池)回流;GND-工作地;DGND-數(shù)字地;AGND-模擬地;LGND-防雷保護(hù)地

Q4：合適的接地方式

Answer: 接地有多種方式，有單點(diǎn)接地，多點(diǎn)接地以及混合類型的接地。而單點(diǎn)接地又分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地。一般來(lái)說(shuō)，單點(diǎn)接地用于簡(jiǎn)單電路，不同功能模塊之間接地區(qū)分，以及低頻(f10MHz)電路時(shí)就要采用多點(diǎn)接地了或者多層板(完整的地平面層)。

Q5：信號(hào)回流和跨分割的介紹

Answer：對(duì)于一個(gè)電子信號(hào)來(lái)說(shuō)，它需要尋找一條最低阻抗的電流回流到地的途徑，所以如何處理這個(gè)信號(hào)回流就變得非常的關(guān)鍵。

第一，根據(jù)公式可以知道，輻射強(qiáng)度是和回路面積成正比的，就是說(shuō)回流需要走的路徑越長(zhǎng)，形成的環(huán)越大，它對(duì)外輻射的干擾也越大，所以，PCB 布板的時(shí)候要盡可能減小電源回路和信號(hào)回路面積。

第二，對(duì)于一個(gè)高速信號(hào)來(lái)說(shuō)，提供有好的信號(hào)回流可以保證它的信號(hào)質(zhì)量，這是因?yàn)?PCB 上傳輸線的特性阻抗一般是以地層(或電源層)為參考來(lái)計(jì)算的，如果高速線附近有連續(xù)的地平面，這樣這條線的阻抗就能保持連續(xù)，如果有段線附近沒(méi)有了地參考，這樣阻抗就會(huì)發(fā)生變化，不連續(xù)的阻抗從而會(huì)影響到信號(hào)的完整性。所以，布線的時(shí)候要把高速線分配到靠近地平面的層，或者高速線旁邊并行走一兩條地線，起到屏蔽和就近提供回流的功能。

第三，為什么說(shuō)布線的時(shí)候盡量不要跨電源分割，這也是因?yàn)樾盘?hào)跨越了不同電源層后，它的回流途徑就會(huì)很長(zhǎng)了，容易受到干擾。當(dāng)然，不是嚴(yán)格要求不能跨越電源分割，對(duì)于低速的信號(hào)是可以的，因?yàn)楫a(chǎn)生的干擾相比信號(hào)可以不予關(guān)心。對(duì)于高速信號(hào)就要認(rèn)真檢查，盡量不要跨越，可以通過(guò)調(diào)整電源部分的走線。(這是針對(duì)多層板多個(gè)電源供應(yīng)情況說(shuō)的)

Q6：為什么要將模擬地和數(shù)字地分開(kāi)，如何分開(kāi)?

Answer：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)都要回流到地，因?yàn)閿?shù)字信號(hào)變化速度快，從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會(huì)很大，而模擬信號(hào)是需要一個(gè)干凈的地參考工作的。如果模擬地和數(shù)字地混在一起，噪聲就會(huì)影響到模擬信號(hào)。

一般來(lái)說(shuō)，模擬地和數(shù)字地要分開(kāi)處理，然后通過(guò)細(xì)的走線連在一起，或者單點(diǎn)接在一起。總的思想是盡量阻隔數(shù)字地上的噪聲竄到模擬地上。當(dāng)然這也不是非常嚴(yán)格的要求模擬地和數(shù)字地必須分開(kāi)，如果模擬部分附近的數(shù)字地還是很干凈的話可以合在一起。

Q7：?jiǎn)伟迳系男盘?hào)如何接地?

Answer：對(duì)于一般器件來(lái)說(shuō)，就近接地是最好的，采用了擁有完整地平面的多層板設(shè)計(jì)后，對(duì)于一般信號(hào)的接地就非常容易了，基本原則是保證走線的連續(xù)性，減少過(guò)孔數(shù)量;靠近地平面或者電源平面，等等。

Q8：?jiǎn)伟宓慕涌谄骷绾谓拥?

Answer：有些單板會(huì)有對(duì)外的輸入輸出接口，比如串口連接器，網(wǎng)口 RJ45 連接器等等，如果對(duì)它們的接地設(shè)計(jì)得不好也會(huì)影響到正常工作，例如網(wǎng)口互連有誤碼，丟包等，并且會(huì)成為對(duì)外的電磁干擾源，把板內(nèi)的噪聲向外發(fā)送。一般來(lái)說(shuō)會(huì)單獨(dú)分割出一塊獨(dú)立的接口地，與信號(hào)地的連接采用細(xì)的走線連接，可以串上 0 歐姆或者小阻值的電阻。細(xì)的走線可以用來(lái)阻隔信號(hào)地上噪音過(guò)到接口地上來(lái)。同樣的，對(duì)接口地和接口電源的濾波也要認(rèn)真考慮。

Q9：帶屏蔽層的電纜線的屏蔽層如何接地?

Answer：屏蔽電纜的屏蔽層都要接到單板的接口地上而不是信號(hào)地上，這是因?yàn)樾盘?hào)地上有各種的噪聲，如果屏蔽層接到了信號(hào)地上，噪聲電壓會(huì)驅(qū)動(dòng)共模電流沿屏蔽層向外干擾，所以設(shè)計(jì)不好的電纜線一般都是電磁干擾的最大噪聲輸出源。當(dāng)然前提是接口地也要非常的干凈。

審核編輯：湯梓紅