硬件設(shè)計經(jīng)驗談

1.充分了解各方的設(shè)計需求，確定合適的解決方案

啟動一個硬件開發(fā)項目，原始的推動力會來自于很多方面，比如市場的需要，基于整個系統(tǒng)架構(gòu)的需要，應(yīng)用軟件部門的功能實現(xiàn)需要，提高系統(tǒng)某方面能力的需要等等，所以作為一個硬件系統(tǒng)的設(shè)計者，要主動的去了解各個方面的需求，并且綜合起來，提出最合適的硬件解決方案。比如A項目的原始推動力來自于公司內(nèi)部的一個高層軟件小組，他們在實際當(dāng)中發(fā)現(xiàn)原有的處理器板IP轉(zhuǎn)發(fā)能力不能滿足要求，從而對于系統(tǒng)的配置和使用都會造成很大的不便，所以他們提出了對新硬件的需求。根據(jù)這個目標(biāo)，硬件方案中就針對性的選用了兩個高性能網(wǎng)絡(luò)處理器，然后還需要深入的和軟件設(shè)計者交流，以確定內(nèi)存大小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對外接口和調(diào)試接口的數(shù)量及類型等等細節(jié)，比如軟件人員喜歡將控制信令通路和數(shù)據(jù)通路完全分開來，這樣在確定內(nèi)部數(shù)據(jù)走向的時候要慎重考慮。項目開始之初是需要召開很多的討論會議的，應(yīng)該盡量邀請所有相關(guān)部門來參與，好處有三個，第一可以充分了解大家的需要，以免在系統(tǒng)設(shè)計上遺漏重要的功能，第二是可以讓各個部門了解這個項目的情況，提早做好時間和人員上協(xié)作的準(zhǔn)備，第三是從感情方面講，在設(shè)計之初各個部門就參與了進來，這個項目就變成了大家共同的一個心血結(jié)晶，會得到大家的呵護和良好合作，對完成工作是很有幫助的。

2.原理圖設(shè)計中要注意的問題

原理圖設(shè)計中要有“拿來主義”，現(xiàn)在的芯片廠家一般都可以提供參考設(shè)計的原理圖，所以要盡量的借助這些資源，在充分理解參考設(shè)計的基礎(chǔ)上，做一些自己的發(fā)揮。當(dāng)主要的芯片選定以后，最關(guān)鍵的外圍設(shè)計包括了電源，時鐘和芯片間的互連。
電源是保證硬件系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，設(shè)計中要詳細的分析：系統(tǒng)能夠提供的電源輸入；單板需要產(chǎn)生的電源輸出；各個電源需要提供的電流大小；電源電路效率；各個電源能夠允許的波動范圍；整個電源系統(tǒng)需要的上電順序等等。比如A項目中的網(wǎng)絡(luò)處理器需要1.25V作為核心電壓，要求精度在＋5%- －3%之間，電流需要12A左右，根據(jù)這些要求，設(shè)計中采用5V的電源輸入，利用Linear的開關(guān)電源控制器和IR的MOSFET搭建了合適的電源供應(yīng)電路，精度要求決定了輸出電容的ESR選擇，并且為防止電流過大造成的電壓跌落，加入了遠端反饋的功能。
時鐘電路的實現(xiàn)要考慮到目標(biāo)電路的抖動等要求，A項目中用到了GE的PHY器件，剛開始的時候使用一個內(nèi)部帶鎖相環(huán)的零延時時鐘分配芯片提供100MHz時鐘，結(jié)果GE鏈路上出現(xiàn)了丟包，后來換成簡單的時鐘Buffer器件就解決了丟包問題，分析起來就是內(nèi)部的鎖相環(huán)引入了抖動。
芯片之間的互連要保證數(shù)據(jù)的無誤傳輸，在這方面，高速的差分信號線具有速率高，好布線，信號完整性好等特點，A項目中的多芯片間互連均采用了高速差分信號線，在調(diào)試和測試中沒有出現(xiàn)問題。

3.PCB設(shè)計中要注意的問題

PCB設(shè)計中要做到目的明確，對于重要的信號線要非常嚴(yán)格的要求布線的長度和處理地環(huán)路，而對于低速和不重要的信號線就可以放在稍低的布線優(yōu)先級上。重要的部分包括：電源的分割；內(nèi)存的時鐘線，控制線和數(shù)據(jù)線的長度要求；高速差分線的布線等等。
針對DDR memory這個部分的布線是非常關(guān)鍵的，要考慮到控制線和地址線的拓撲分布，數(shù)據(jù)線和時鐘線的長度差別控制等方面，在實現(xiàn)的過程中，根據(jù)芯片的數(shù)據(jù)手冊和實際的工作頻率可以得出具體的布線規(guī)則要求，比如同一組內(nèi)的數(shù)據(jù)線長度相差不能超過多少個mil，每個通路之間的長度相差不能超過多少個mil等等。當(dāng)這些要求確定后就可以明確要求PCB設(shè)計人員來實現(xiàn)了，如果設(shè)計中所有的重要布線要求都明確了，可以轉(zhuǎn)換成整體的布線約束，利用CAD中的自動布線工具軟件來實現(xiàn)PCB設(shè)計，這也是在高速PCB設(shè)計中的一個發(fā)展趨勢。

4.檢查和調(diào)試

當(dāng)準(zhǔn)備調(diào)試一塊板的時候，一定要先認(rèn)真的做好目視檢查，檢查在焊接的過程中是否有可見的短路和管腳搭錫等故障，檢查是否有元器件型號放置錯誤，第一腳放置錯誤，漏裝配等問題，然后用萬用表測量各個電源到地的電阻，以檢查是否有短路，這個好習(xí)慣可以避免貿(mào)然上電后損壞單板。調(diào)試的過程中要有平和的心態(tài)，遇見問題是非常正常的，要做的就是多做比較和分析，逐步的排除可能的原因，要堅信“凡事都是有辦法解決的”和“問題出現(xiàn)一定有它的原因”，這樣最后一定能調(diào)試成功。

5.一些總結(jié)的話

現(xiàn)在從技術(shù)的角度來說，每個設(shè)計最終都可以做出來，但是一個項目的成功與否，不僅僅取決于技術(shù)上的實現(xiàn)，還與完成的時間，產(chǎn)品的質(zhì)量，團隊的配合密切相關(guān)，所以良好的團隊協(xié)作，透明坦誠的項目溝通，精細周密的研發(fā)安排，充裕的物料和人員安排，這樣才能保證一個項目的成功。
一個好的硬件工程師實際上就是一個項目經(jīng)理，他/她需要從外界交流獲取對自己設(shè)計的需求，然后匯總，分析成具體的硬件實現(xiàn)。還要跟眾多的芯片和方案供應(yīng)商聯(lián)系，從中挑選出合適的方案，當(dāng)原理圖完成后，他/她要組織同事來進行配合評審和檢查，還要和CAD工程師一起工作來完成PCB的設(shè)計。與此同時，還要準(zhǔn)備好BOM清單，開始采購和準(zhǔn)備物料，聯(lián)系加工廠家完成板的貼裝。在調(diào)試的過程中他/她要組織好軟件工程師來一起攻關(guān)調(diào)試，配合測試工程師一起解決測試中發(fā)現(xiàn)的問題，等到產(chǎn)品推出到現(xiàn)場，如果出現(xiàn)問題，還需要做到及時的支持。所以做一個硬件設(shè)計人員要鍛煉出良好的溝通能力，面對壓力的調(diào)節(jié)能力，同一時間處理多個事務(wù)的協(xié)調(diào)和決斷能力和良好平和的心態(tài)等等。

還有細心和認(rèn)真，因為硬件設(shè)計上的一個小疏忽往往就會造成非常大的經(jīng)濟損失，比如以前碰到一塊板在PCB設(shè)計完備出制造文件的時候誤操作造成了電源層和地層連在了一起，PCB板制造完畢后又沒有檢查直接上生產(chǎn)線貼裝，到測試的時候才發(fā)現(xiàn)短路問題，但是元器件已經(jīng)都焊接到板上了，結(jié)果造成了幾十萬的損失。所以細心和認(rèn)真的檢查，負責(zé)任的測試，不懈的學(xué)習(xí)和積累，才能使得一個硬件設(shè)計人員持續(xù)不斷的進步，而后術(shù)業(yè)有所小成。

如何設(shè)計一個合適的電源

對于現(xiàn)在一個電子系統(tǒng)來說，電源部分的設(shè)計也越來越重要，我想通過和大家探討一些自己關(guān)于電源設(shè)計的心得，來個拋磚引玉，讓我們在電源設(shè)計方面能夠都有所深入和長進。

Q1：如何來評估一個系統(tǒng)的電源需求

Answer：對于一個實際的電子系統(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，還要仔細考慮總的功耗，電源實現(xiàn)的效率，電源部分對負載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力，關(guān)鍵器件對電源波動的容忍范圍以及相應(yīng)的允許的電源紋波，還有散熱問題等等。功耗和效率是密切相關(guān)的，效率高了，在負載功耗相同的情況下總功耗就少，對于整個系統(tǒng)的功率預(yù)算就非常有利了，對比LDO和開關(guān)電源，開關(guān)電源的效率要高一些。同時，評估效率不僅僅是看在滿負載的時候電源電路的效率，還要關(guān)注輕負載的時候效率水平。
至于負載瞬態(tài)響應(yīng)能力，對于一些高性能的CPU應(yīng)用就會有嚴(yán)格的要求，因為當(dāng)CPU突然開始運行繁重的任務(wù)時，需要的啟動電流是很大的，如果電源電路響應(yīng)速度不夠，造成瞬間電壓下降過多過低，造成CPU運行出錯。
一般來說，要求的電源實際值多為標(biāo)稱值的＋－5%，所以可以據(jù)此計算出允許的電源紋波，當(dāng)然要預(yù)留余量的。
散熱問題對于那些大電流電源和LDO來說比較重要，通過計算也是可以評估是否合適的。
Q2：如何選擇合適的電源實現(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)，可以來選擇合適的電源實現(xiàn)電路了。一般對于弱電部分，包括了LDO（線性電源轉(zhuǎn)換器），開關(guān)電源電容降壓轉(zhuǎn)換器和開關(guān)電源電感電容轉(zhuǎn)換器。相比之下，LDO設(shè)計最易實現(xiàn)，輸出紋波小，但缺點是效率有可能不高，發(fā)熱量大，可提供的電流相較開關(guān)電源不大等等。而開關(guān)電源電路設(shè)計靈活，效率高，但紋波大，實現(xiàn)比較復(fù)雜，調(diào)試比較煩瑣等等。
Q3：如何為開關(guān)電源電路選擇合適的元器件和參數(shù)
Answer：很多的未使用過開關(guān)電源設(shè)計的工程師會對它產(chǎn)生一定的畏懼心理，比如擔(dān)心開關(guān)電源的干擾問題，PCB layout問題，元器件的參數(shù)和類型選擇問題等。其實只要了解了，使用一個開關(guān)電源設(shè)計還是非常方便的。
一個開關(guān)電源一般包含有開關(guān)電源控制器和輸出兩部分，有些控制器會將MOSFET集成到芯片中去，這樣使用就更簡單了，也簡化了PCB設(shè)計，但是設(shè)計的靈活性就減少了一些。
開關(guān)控制器基本上就是一個閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，所以一般都會有一個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)計在于保證精確的采樣電路，還有來控制反饋深度，因為如果反饋環(huán)響應(yīng)過慢的話，對瞬態(tài)響應(yīng)能力是會有很多影響的。
而輸出部分設(shè)計包含了輸出電容，輸出電感以及MOSFET等等，這些的選擇基本上就是要滿足一個性能和成本的平衡，比如高的開關(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），但是高的開關(guān)頻率會增加干擾和對MOSFET的開關(guān)損耗，從而效率降低。使用低的開關(guān)頻率帶來的結(jié)果則是相反的。
對于輸出電容的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，但是電容成本會增加，好的電容會貴嘛。開關(guān)電源控制器驅(qū)動能力也要注意，過多的MOSFET是不能被良好驅(qū)動的。
一般來說，開關(guān)電源控制器的供應(yīng)商會提供具體的計算公式和使用方案供工程師借鑒的。?
Q4：如何調(diào)試開關(guān)電源電路
Answer：有一些經(jīng)驗可以共享給大家
1: 電源電路的輸出輸出通過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，避開后面電路的影響。

2: 一般來說開關(guān)控制器是閉環(huán)系統(tǒng)，如果輸出惡化的情況超過了閉環(huán)可以控制的范圍，開關(guān)電源就會工作不正常，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，會產(chǎn)生很多的電源紋波，這也會影響開關(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性措施，目的是把雷電產(chǎn)生的雷擊電流通過避雷針引入到大地，從而起到保護建筑物的作用。同時，接地也是保護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，設(shè)備的外殼就會有危險電壓產(chǎn)生，由此生成的故障電流就會流經(jīng)PE線到大地，從而起到保護作用。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遠不能滿足要求了。比如在通信系統(tǒng)中，大量設(shè)備之間信號的互連要求各設(shè)備都要有一個基準(zhǔn)‘地’作為信號的參考地。而且隨著電子設(shè)備的復(fù)雜化，信號頻率越來越高，因此，在接地設(shè)計中，信號之間的互擾等電磁兼容問題必須給予特別關(guān)注，否則，接地不當(dāng)就會嚴(yán)重影響系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。最近，高速信號的信號回流技術(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、對于線路工程師來說，該術(shù)語的含義通常是‘線路電壓的參考點’；對于系統(tǒng)設(shè)計師來說，它常常是機柜或機架；對電氣工程師來說，它是綠色安全地線或接到大地的意思。一個比較通用的定義是“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：常見的接地符號
Answer: PE,PGND,FG－保護地或機殼；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－防雷保護地
Q4：合適的接地方式
Answer: 接地有多種方式，有單點接地，多點接地以及混合類型的接地。而單點接地又分為串聯(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地。一般來說，單點接地用于簡單電路，不同功能模塊之間接地區(qū)分，以及低頻（f<1MHz）電子線路。當(dāng)設(shè)計高頻（f>10MHz）電路時就要采用多點接地了或者多層板（完整的地平面層）。
Q5：信號回流和跨分割的介紹
Answer：對于一個電子信號來說，它需要尋找一條最低阻抗的電流回流到地的途徑，所以如何處理這個信號回流就變得非常的關(guān)鍵。
第一，根據(jù)公式可以知道，輻射強度是和回路面積成正比的，就是說回流需要走的路徑越長，形成的環(huán)越大，它對外輻射的干擾也越大，所以，PCB布板的時候要盡可能減小電源回路和信號回路面積。
第二，對于一個高速信號來說，提供有好的信號回流可以保證它的信號質(zhì)量，這是因為PCB上傳輸線的特性阻抗一般是以地層（或電源層）為參考來計算的，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)，如果有段線附近沒有了地參考，這樣阻抗就會發(fā)生變化，不連續(xù)的阻抗從而會影響到信號的完整性。所以，布線的時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，為什么說布線的時候盡量不要跨電源分割，這也是因為信號跨越了不同電源層后，它的回流途徑就會很長了，容易受到干擾。當(dāng)然，不是嚴(yán)格要求不能跨越電源分割，對于低速的信號是可以的，因為產(chǎn)生的干擾相比信號可以不予關(guān)心。對于高速信號就要認(rèn)真檢查，盡量不要跨越，可以通過調(diào)整電源部分的走線。（這是針對多層板多個電源供應(yīng)情況說的）
Q6：為什么要將模擬地和數(shù)字地分開，如何分開?
Answer：模擬信號和數(shù)字信號都要回流到地，因為數(shù)字信號變化速度快，從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會很大，而模擬信號是需要一個干凈的地參考工作的。如果模擬地和數(shù)字地混在一起，噪聲就會影響到模擬信號。
一般來說，模擬地和數(shù)字地要分開處理，然后通過細的走線連在一起，或者單點接在一起。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，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：單板上的信號如何接地?
Answer：對于一般器件來說，就近接地是最好的，采用了擁有完整地平面的多層板設(shè)計后，對于一般信號的接地就非常容易了，基本原則是保證走線的連續(xù)性，減少過孔數(shù)量；靠近地平面或者電源平面，等等。
Q8：單板的接口器件如何接地?
Answer：有些單板會有對外的輸入輸出接口，比如串口連接器，網(wǎng)口RJ45連接器等等，如果對它們的接地設(shè)計得不好也會影響到正常工作，例如網(wǎng)口互連有誤碼，丟包等，并且會成為對外的電磁干擾源，把板內(nèi)的噪聲向外發(fā)送。一般來說會單獨分割出一塊獨立的接口地，與信號地的連接采用細的走線連接，可以串上0歐姆或者小阻值的電阻。細的走線可以用來阻隔信號地上噪音過到接口地上來。同樣的，對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地上，這是因為信號地上有各種的噪聲，如果屏蔽層接到了信號地上，噪聲電壓會驅(qū)動共模電流沿屏蔽層向外干擾，所以設(shè)計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