硬件電路的設計思路

一、硬件電路設計需求分析

任何產品項目立項之前，都會對產品進行分析，明確產品定位及功能細分，在此基礎上進行需求細化分類。最終形成需求列表，形成產品設計方案及任務劃分。

工程師在明確需求列表后，需要明確哪些功能是以硬件實現(xiàn)，哪些是軟件實現(xiàn)。其次，對需要硬件實現(xiàn)的功能再次進行需求細化，具體到哪些電路來實現(xiàn)對應的功能。

需求分析與細化是硬件電路設計的方向，所有硬件電路都是基于這些需求來進行設計。需求分析可以對硬件方案選型進行明確，需求分析的過程中，硬件方案基本就可以確定了。

二、硬件電路方案選型

當遇到相同的功能實現(xiàn)可以通過不同的方案來完成時，需要我們對方案本身再進行對比分析

1. 對比方案的成本差異

任何一款產品，成本是首要約束。主要包括：（1）物料本身的成本；（2）研發(fā)成本；（3）使用該方案周圍配套電路的成本；（4）加工成本等

2. 對比方案成熟度

這種主要是在新方案和成熟方案之間的選擇，如果項目日程緊急，一般首選成熟方案

3.對比方案性能優(yōu)勢

產品設計時需要清楚自己關注的性能是哪些，關注關鍵指標，突出產品的優(yōu)勢

4.其他方面的支持力度

對于需要依賴供應商的方案，選擇時需要關注與供應商的配合度

方案選型對于產品的性能質量有很大影響，方案選型是硬件設計的關鍵之一。對于全新功能的產品，產品方案選型可以參考市場上同類功能產品樣機。這樣可以省去很多時間，又可以比較精準的找到對應成熟的方案

三、硬件電路設計框圖

硬件電路設計框圖是整理電路邏輯絕佳的方法。通過硬件設計框圖，可以詳細分析產品的邏輯、信號的邏輯流向、功能板的對接等。

硬件設計框圖設計對于復雜項目至關重要。通過硬件框圖的評審可以check產品功能是否有缺失、信號流向是否正確、邏輯選擇是否正確。同時，也為原理圖設計打下設計稿，在原理圖設計時候做到心里有數(shù)，不盲目。

硬件框圖設計還包括電源樹設計，這是電路中的隱形框圖，很多問題都是因為電源的設計余量不足導致電源異常，電源設計需要自下而上進行設計。

首先要了解電路中各個模塊的需要電源情況，然后匯總，最后進行整體設計。

如下圖所示，為某產品的電源樹設計

四、硬件電路設計的原理圖及PCB設計

原理圖設計是整個硬件產品設計的基礎和關鍵，如何保證原理圖設計正確，有以下幾點：

1. 原理圖繪制規(guī)范性

對新器件畫symbol時，要根據(jù)應用電路進行繪制，不建議按照PIN腳序進行排列，在繪制的時候建議按照symbol中各個模塊進行分類，這樣在繪制原理圖時候才能做到信號流向清晰。

繪制原理圖時，建議做到緊耦合，一個功能模塊的原理圖盡量放置在一頁，并做好原理圖模塊的文字說明，連接器接口盡量使用文字進行功能描述。

2. 原理圖網(wǎng)絡命名規(guī)范性

原理圖信號網(wǎng)絡命名需要規(guī)范，比如電源模塊表示出電源電壓，控制信號標出信號流向等。

3. 原理圖自檢和互檢

繪制完成原理圖之后首先要自檢：

（1）網(wǎng)絡連通性檢查，檢查是否有單點網(wǎng)絡，網(wǎng)絡漏連等問題

（2）電路設計裕量是否滿足設計要求，如電阻電容電感的通流耐壓是否滿足條件

（3）設計規(guī)范性檢查即網(wǎng)絡命名是否規(guī)范，信號流向標記方向是否正確

（4）檢查一些低級錯誤，如網(wǎng)絡連接錯誤，沒有連接上，漏器件等

原理圖互檢：請其他工程師幫忙檢視，因為每個人思維都有局限性，通過他人可以發(fā)現(xiàn)自己發(fā)現(xiàn)不了的問題，還能夠發(fā)現(xiàn)自己的認知錯誤。

原理圖的正確性主要依靠繪制者，責任主體也是繪制者。這里分享一個我認為比較好經驗，就是對原理圖反復的檢視，自己檢視三遍以上，很多時候能發(fā)現(xiàn)很多錯誤或不規(guī)范的設計。書讀百遍其意自現(xiàn)和這個是一個道理。

PCB設計是硬件電路的具體化、實物化，是硬件電路的載體。通過生產加工之后的 PCBA，最后和產品機構組裝在一起。其設計思路和方法主要有：

1. PCB設計需要仔細分析結構

2. PCB設計需要有大局觀

多數(shù)情況的PCB設計都是圍繞一個CPU核展開，再復雜一些的就是雙核，即有兩個主控芯片，但是兩個主控芯片往往也是只有一個是主要的，另一個是次要的。板子上的其他的電路都可以稱為這個CPU的外圍電路。有為保證CPU工作的最小系統(tǒng)的外圍電路、有功能擴展的外圍電路、有相互通訊的外圍電路等等。只有了解以上的電路形態(tài)、電路功能，了解各個模塊之間PCB走線的疏密情況，才能在PCB布局的時候，做到心中有數(shù)，即我所說的大局觀。

有很多剛剛開始從事PCB設計的工程師，因為對PCB的電路分布情況、電路形態(tài)、整體的電路框架沒有基本的認識。認為只要將電子元器件全部放到PCB板子上，然后將線走通，就萬事大吉了。很顯然這種想法是不正確的，對于簡單的板子這樣的處理可能不會出問題。如果對于復雜的、器件較多的板子來說，這樣做最后都會吃苦頭的。你會發(fā)現(xiàn)沒有好的大局觀，常常會導致PCB走線繞來繞去，需要緊密靠近的元器件因為空間利用不合理，不能放置在一起。最后導致的問題，多是結構殼體無法將PCB元器件放置不下去，然后倒逼著硬件工程師刪減電路?；蛟骷軌蚍胖玫綒んw，但是走線無法完成連通，不得不犧牲走線規(guī)則，將原本該走粗的線改成細線，從而導致PCB通流不夠；敏感信號線之間間距不夠，導致信號之間相關串擾；元器件放置過于擁擠，甚至發(fā)生干涉，導致生產加工自動化操作性降低、維修、返修困難等等問題。最終導致產品各種電氣參數(shù)、硬件指標不能達到設計要求，生產加工成本高等等問題。

PCB設計需要大局觀還有一點重要表現(xiàn)，即在開始模塊電路元器件擺放時。一定要做到合理的緊密，對于PCB面積比較緊張單板來說，在一開始就要樹立這個意識。只有將每一個模塊都做到內部走線最短，最少，模塊元器件面積最優(yōu)。這樣在最后的才可能將元器件全部放進去的同時留出足夠的走線空間。

3. PCB設計需要懂得信號流向

信號流向對于梳理PCB布局布線有指導的作用，明白信號從那里到那里，對于電路模塊擺放有很大的指導作用。那么怎么能夠明白信號走向呢？

（1）從設計框圖中：

新產品電路設計開始，都會進行框圖設計，包括電源框圖、邏輯框圖，模塊框圖等，這些框圖中都會清楚標注出信號的走向，通過這些框圖，可以很清楚的知道信號走向。

（2）學會看原理圖：

原理圖設計是最詳細的信號流向圖，對于PCB工程師，不要求了解原理圖的細節(jié)，但是要知道原理圖每個電路模塊的基本作用，比如看到DCDC電路要知道，他是進行電壓轉換的。它的信號流是電流與電壓，信號方向通常是從連接器接口進來。到各個模塊的供電腳去，或到下一級的電源轉換電路去。在比如一些邏輯開關的選擇，它通常是進入幾個信號，選擇出一個信號，連接到下一個模塊，或CPU的信號處理管腳。

4. PCB設計需要了解關鍵信號

關鍵信號的設計，對于產品電氣質量有重要的作用，產品的質量往往也由關鍵信號決定，比如電源、時鐘等信號。電源信號是整個產品的血液，電源處理不好，則會影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，影響各個模塊的正常工作。而時鐘信號如果處理不好，也會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定、高低溫死機、時間不準等問題，嚴重直接導致CPU無法工作。

也有些產品特有的關鍵信號，比如音視頻處理的產品，音頻和視頻就是關鍵信號，如果處理不好視頻信號，顯示可能會出現(xiàn)斜紋、雪花等問題。如果處理不好音頻信號，則可能出現(xiàn)聲音干擾，底噪大等問題。

PCB設計需要抓住關鍵信號，只有保證關鍵信號的質量，產品質量才能有保障。常見的關鍵信號有：CPU電源、時鐘、MIPI、SPI、SDIO、eMMC、PLL電源、晶振時鐘、EPHY信號、BT656、BT1120、I2C等。

5. PCB設計需要懂得設計規(guī)格

設計規(guī)則是PCB設計的依據(jù)，只有懂得PCB設計規(guī)則，才能知道器件的擺放位置，比如去耦電容要靠近CPU管腳放置；才能知道PCB走線粗細，比如1A的電流通常需要線寬20mil以上；才能知道走線間距，比如高速信號通常間距3W以上，從而減少串擾等等。

那么怎么能夠了解設計規(guī)則呢？對于一般常規(guī)的規(guī)則，記住即可。對于不常見，或者第一次繪制的電路模塊來說，查看電路模塊主要器件的說明手冊是最好的辦法。

6. PCB設計需要多與周邊團隊交流

(1) 與硬件工程師溝通：

PCB電路的設計，其實是硬件電路的實現(xiàn)的手段。硬件電路設計靈魂人物是硬件工程師。對于公司有專門的PCB工程師，那就要求PCB工程師多與硬件工程師進行溝通。通過溝通要了解產品形態(tài)、設計框圖、設計要點等等。

(2) 與機構工程師溝通：

與機構工程師溝通主要目的是為了加深自己對機構殼體了解程度。方便自己進行元器件的擺放。

(3) 與生產工藝工程師溝通：

生產工藝工程師主要任務是保證產品的可制造性。比如PCB在進行拼版時，就要考慮到當前的SMT機器是否可以加工，坐標原點的選取是否合理。DIP元器件擺放是否方便制作治具，從而進行自動化生產等等。通過與生產工藝工程師交流，可以幫助PCB工程師了解生產加工過程。從而在PCB設計過程中，能夠給出最合理的布局方案。

7. PCB設計需要有美感追求

PCB的設計，其實在我看來和工筆畫很類似。整體看起來工整、細致、縝密。不是東一榔頭，西一棒子。是按照一定電氣規(guī)則，通過放置電子元器件，構成的一幅畫。所以我提倡大家在滿足電氣特性的情況下做到有美感。這個美感體現(xiàn)在各個方面，體現(xiàn)在放置模塊電路時的整齊；體現(xiàn)在PCB走線時的筆直；體現(xiàn)在擺放時絲印字體大小方向的一致；體現(xiàn)在接口元器件放置位置的合理等等。其實有美感并不難，最重要的是要用心，內心有對美的追求。其他都可以使用手段來完成，比如對于元器件擺放整齊，可以通過將格點設置大一些進行比較細致的捕捉，PCB走線繪制好之后可以通過粘連的方式進行固定等等。希望大家在完成PCB設計時，或拿到PCBA能夠感受到上面的工控美，能夠感受到成就感。亦或在產品出貨后，能感受到自己的一份自豪。

五、硬件電路知識補充

1. 閱讀相關硬件設計的書籍

2. 做好問題案例分析

在實際的硬件調試過程中，對于典型問題，在問題解決后，建議形成案例文檔。這個過程中不僅可以整理分析問題的思路，將實際問題與理論相結合。而且可以在后面的硬件工作中對照案例進行check 防止類似問題再次出現(xiàn)。

3. 仔細閱讀器件手冊

器件手冊對器件功能指標和如何使用都會做出詳細的說明，通過器件手冊不僅可以學到如何使用器件，理解器件性能。還可以做到觸類旁通，理解同類器件使用和注意事項。