什么是硬件電路設(shè)計

硬件電路是電路系統(tǒng)的重要組成部分，硬件電路設(shè)計是否合理直接影響電路系統(tǒng)的性能。硬件電路設(shè)計的一般分為設(shè)計需求分析、原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計、工藝文件處理等幾個階段，設(shè)計過程中的每一個細節(jié)都可能成為導(dǎo)致設(shè)計成功與失敗的關(guān)鍵。

隨著集成電路設(shè)計與制造技術(shù)的不斷發(fā)展，電路系統(tǒng)的功能越來越強大，組成卻越來越簡單，軟件設(shè)計的重要性逐漸提高，但硬件電路設(shè)計的重要性不容忽視。軟件設(shè)計得再完美，若硬件電路設(shè)計不合理，系統(tǒng)的性能將大打折扣，嚴重時甚至不能正常工作。硬件電路的設(shè)計一般分為設(shè)計需求分析、原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計、工藝文件處理等幾個階段。

硬件電路設(shè)計需求分析

硬件電路的設(shè)計需求是基于項目或控制平臺的系統(tǒng)需求，設(shè)計需求的合理分析是選用電路核心元器件及其典型電路的關(guān)鍵。硬件電路的通用設(shè)計需求有應(yīng)用環(huán)境、面積/體積限制、電源、功耗等，此外功能不同電路需求也不同。以某控制平臺典型電路為例，設(shè)計前必須關(guān)注的需求如表所示。

一套完整的硬件電路設(shè)計解析

先來了解一下大體的思路：

1）總體思路

設(shè)計硬件電路，大的框架和架構(gòu)要搞清楚，但要做到這一點還真不容易。有些大框架也許自己的老板、老師已經(jīng)想好，自己只是把思路具體實現(xiàn)；但也有些要自己設(shè)計框架的，那就要搞清楚要實現(xiàn)什么功能，然后找找有否能實現(xiàn)同樣或相似功能的參考電路板。

2）理解電路

如果你找到了的參考設(shè)計，那么恭喜你，你可以節(jié)約很多時間了（包括前期設(shè)計和后期調(diào)試）。馬上就copy？NO，還是先看懂理解了再說，一方面能提高我們的電路理解能力，而且能避免設(shè)計中的錯誤。

3）找到參考設(shè)計

在開始做硬件設(shè)計前，根據(jù)自己的項目需求，可以去找能夠滿足硬件功能設(shè)計的，有很多相關(guān)的參考設(shè)計。沒有找到？也沒關(guān)系，先確定大IC芯片，找datasheet，看其關(guān)鍵參數(shù)是否符合自己的要求，哪些才是自己需要的關(guān)鍵參數(shù)，以及能否看懂這些關(guān)鍵參數(shù)，都是硬件工程師的能力的體現(xiàn)，這也需要長期地慢慢地積累。

4）硬件電路設(shè)計的三個部分：原理圖、PCB和物料清單（BOM）表

原理圖設(shè)計，其實就是將前面的思路轉(zhuǎn)化為電路原理圖，它很像我們教科書上的電路圖。pcb涉及到實際的電路板，它根據(jù)原理圖轉(zhuǎn)化而來的網(wǎng)表（網(wǎng)表是溝通原理圖和pcb之間的橋梁），而將具體的元器件的封裝放置（布局）在電路板上，然后根據(jù)飛線（也叫預(yù)拉線）)連接其電信號（布線）。完成了pcb布局布線后，要用到哪些元器件應(yīng)該有所歸納，所以我們將用到BOM表。

5）選擇PCB設(shè)計工具

Protel，也就是Altium（現(xiàn)在入門的童鞋大多用AD）容易上手，網(wǎng)上的學(xué)習(xí)教程資料也很全面，在國內(nèi)也比較流行，應(yīng)付一般的工作已經(jīng)足夠，適合初入門的設(shè)計者使用。

硬件電路設(shè)計的大環(huán)節(jié)必不可少，主要都要經(jīng)過以下這幾個流程：

1）原理圖設(shè)計

2）PCB設(shè)計

3）制作BOM表

硬件電路設(shè)計步驟

一、原理圖建立+網(wǎng)表生成

1. 原理圖庫建立。要將一個新元件擺放在原理圖上，我們必須得建立改元件的庫。庫中主要定義了該新元件的管腳定義及其屬性，并且以具體的圖形形式來代表(我們常常看到的是一個矩形（代表其IC BODY），周圍許多短線（代表IC管腳）。

2. 有了充足的庫之后，就可以在原理圖上畫圖了，按照datasheet和系統(tǒng)設(shè)計的要求，通過wire把相關(guān)元件連接起來。在相關(guān)的地方添加line和text注釋。wire和line的區(qū)別在于，前者有電氣屬性，后者沒有。wire適用于連接相同網(wǎng)絡(luò)，line適用于注釋圖形。

3. 做完這一步，我們就可以生成netlist了，這個netlist是原理圖與pcb之間的橋梁。原理圖是我們能認知的形式，電腦要將其轉(zhuǎn)化為pcb，就必須將原理圖轉(zhuǎn)化它認識的形式netlist，然后再處理、轉(zhuǎn)化為pcb。

4. 得到netlist，馬上畫pcb?別急，先做ERC先。ERC是電氣規(guī)則檢查的縮寫。它能對一些原理圖基本的設(shè)計錯誤進行排查，如多個output接在一起等問題。（但是一定要仔細檢查自己的原理圖，不能過分依賴工具，畢竟工具并不能明白你的系統(tǒng)，它只是純粹地根據(jù)一些基本規(guī)則排查。)

5. 從netlist得到了pcb，一堆密密麻麻的元件，和數(shù)不清的飛線是不是讓你嚇了一跳?呵呵，別急還得慢慢來。

6. 確定板框大小。在keepout區(qū)（或mechanic區(qū)）畫個板框，這將限制了你布線的區(qū)域。需要根據(jù)需求好考慮板長，板寬（有時，還得考慮板厚）。當然了，疊層也得考慮好。（疊層的意思就是，板層有幾層，怎么應(yīng)用，比如板總共4層，頂層走信號，中間第一層鋪電源，中間第二層鋪地，底層走信號）。

二、PCB布局布線

1. 確定完板框之后，就該元件布局（擺放）了，布局這步極為關(guān)鍵。它往往決定了后期布線的難易。哪些元器件該擺正面，哪些元件該擺背面，都要有所考量。但是這些都是一個仁者見仁，智者見智的問題;從不同角度考慮擺放位置都可以不一樣。其實自己畫了原理圖，明白所有元件功能，自然對元件擺放有清楚的認識（如果讓一個不是畫原理圖的人來擺放元件，其結(jié)果往往會讓你大吃一驚）。對于初入門的，注意模擬元件，數(shù)字元件的隔離，以及機械位置的擺放，同時注意電源的拓撲就可以了。

2. 接下來就是布線。這與布局往往是互動的。有經(jīng)驗的人往往在開始就能看出哪些地方能布線成功。如果有些地方難以布線還需要改動布局。對于fpga設(shè)計來說往往還要改動原理圖來使布線更加順暢。布線和布局問題涉及的因素很多，對于高速數(shù)字部分，因為牽扯到信號完整性問題而變得復(fù)雜，但往往這些問題又是難以定量或即使定量也難以計算的。所以，在信號頻率不是很高的情況下，應(yīng)以布通為第一原則。

3. OK了？別急，用DRC檢查檢查先，這是一定要檢查的。DRC對于布線完成覆蓋率以及規(guī)則違反的地方都會有所標注，按照這個再一一的排查，修正。

4. 有些pcb還要加上敷銅（可能會導(dǎo)致成本增加），將出線部分做成淚滴（工廠也許會幫你加）。最后的pcb文件轉(zhuǎn)成gerber文件就可交付pcb生產(chǎn)了。（有些直接給pcb也成，工廠會幫你轉(zhuǎn)gerber）。

5. 要裝配pcb，準備bom表吧，一般能直接從原理圖中導(dǎo)出。但是需要注意的是，原理圖中哪些部分元件該上，哪些部分元件不該上，要做到心理有數(shù)。對于小批量或研究板而言，用excel自己管理倒也方便（大公司往往要專業(yè)軟件來管理）。而對于新手而言，第一個版本，不建議直接交給裝配工廠或焊接工廠將bom的料全部焊上，這樣不便于排查問題。

三、電路板調(diào)試

1. 拿到板第一步做什么，不要急急忙忙供電看功能，硬件調(diào)試不可能一步調(diào)試完成的。先拿萬用表看看關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)是否有不正常，主要是看電源與地之間有否短路（盡管生產(chǎn)廠商已經(jīng)幫你做過測試，這一步還是要自己親自看看，有時候看起來某些步驟挺繁瑣，但是可以節(jié)約你后面不少時間！），其實短路與否不光pcb有關(guān)，在生產(chǎn)制作的任何一個環(huán)節(jié)可能導(dǎo)致這個問題，IO短路一般不會造成災(zāi)難性的后果，但是電源短路就。

2. 電源網(wǎng)絡(luò)沒短路？那么好，那就看看電源輸出是否是自己理想的值，對于初學(xué)者，調(diào)試的時候最好IC一件件芯片上，第一個要上的就是電源芯片。

3. 電源網(wǎng)絡(luò)短路了？這個比較麻煩，不過要仔細看看自己原理圖是否有可能這樣的情況，同時結(jié)合割線的方法一步步排查倒底是什么地方短路了，是pcb的問題（一般比較爛的pcb廠就可能出現(xiàn)這種情況），還是裝配的問題，還是自己設(shè)計的問題。關(guān)于檢查短路還有一些技巧，這在今后登出......

4. 電源芯片沒有輸出?檢查檢查你的電源芯片輸入是否正常吧，還需要檢查的地方有使能信號，分壓電阻，反饋網(wǎng)絡(luò)......

5. 電源芯片輸出值不在預(yù)料范圍?如果超過很離譜，比如到了10%，那么看看分壓電阻先，這兩個分壓電阻一般要用1%的精度，這個你做到了沒有，同時看看反饋網(wǎng)絡(luò)吧，這也會影響你的輸出電源的范圍。

6. 電源輸出正常了，別高興，如果有條件的話，拿示波器看看吧，看看電源的輸出跳變是否正常。

四、電源設(shè)計

無疑電源設(shè)計是整個電路板最重要的一環(huán)。電源不穩(wěn)定，其他啥都別談。我想不用balabala述說它究竟有多么重要了。

在電源設(shè)計我們用得最多的場合是，從一個穩(wěn)定的“高”電壓得到一個穩(wěn)定的“低”電壓。這也就是經(jīng)常說的DC/DC，其中用得最多的電源穩(wěn)壓芯片有兩種，一種叫LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器，我們后面說的線性穩(wěn)壓電源，也是指它），另一種叫PWM（脈寬調(diào)制開關(guān)電源，我們在本文也稱它開關(guān)電源）。我們常常聽到PWM的效率高，但是LDO的響應(yīng)快，這是為什么呢？別著急，先讓我們看看它們的原理。

1、線性穩(wěn)壓電源的工作原理

如圖是線性穩(wěn)壓電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡單示意圖。我們的目的是從高電壓Vs得到低電壓Vo。在圖中，Vo經(jīng)過兩個分壓電阻分壓得到V+，V+被送入放大器(我們把這個放大器叫做誤差放大器)的正端，而放大器的負端Vref是電源內(nèi)部的參考電平（這個參考電平是恒定的）。放大器的輸出Va連接到MOSFET的柵極來控制MOSFET的阻抗。Va變大時，MOSFET的阻抗變大；Va變小時，MOSFET的阻抗變小。MOSFET上的壓降將是Vs-Vo。

現(xiàn)在我們來看Vo是怎么穩(wěn)定的，假設(shè)Vo變小，那么V+將變小，放大器的輸出Va也將變小，這將導(dǎo)致MOSFET的阻抗變小，這樣經(jīng)過同樣的電流，MOSFET的壓差將變小，于是將Vo上抬來抑制Vo的變小。同理，Vo變大，V+變大，Va變大，MOSFET的阻抗變大，經(jīng)過同樣的電流，MOSFET的壓差變大，于是抑制Vo變大。

2、開關(guān)電源的工作原理

如上圖，為了從高電壓Vs得到Vo，開關(guān)電源采用了用一定占空比的方波Vg1，Vg2推動上下MOS管，Vg1和Vg2是反相的，Vg1為高，Vg2為低；上MOS管打開時，下MOS管關(guān)閉；下MOS管打開時，上MOS管關(guān)閉。由此在L左端形成了一定占空比的方波電壓，電感L和電容C我們可以看作是低通濾波器，因此方波電壓經(jīng)過濾波后就得到了濾波后的穩(wěn)定電壓Vo。Vo經(jīng)過R1、R2分壓后送入第一個放大器（誤差放大器——的負端V+，誤差放大器的輸出Va做為第二個放大器（PWM放大器）的正端，PWM放大器的輸出Vpwm是一個有一定占空比的方波，經(jīng)過門邏輯電路處理得到兩個反相的方波Vg1、Vg2來控制MOSFET的開關(guān)。

誤差放大器的正端Vref是一恒定的電壓，而PWM放大器的負端Vt是一個三角波信號，一旦Va比三角波大時，Vpwm為高；Va比三角波小時，Vpwm為低，因此Va與三角波的關(guān)系，決定了方波信號Vpwm的占空比；Va高，占空比就低，Va低，占空比就高。經(jīng)過處理，Vg1與Vpwm同相，Vg2與Vpwm反相；最終L左端的方波電壓Vp與Vg1相同。如下圖：

當Vo上升時，V+將上升，Va下降，Vpwm占空比下降，經(jīng)過們邏輯之后，Vg1的占空比下降，Vg2的占空比上升，Vp占空比下降，這又導(dǎo)致Vo降低，于是Vo的上升將被抑制。反之亦然。

3、線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源的比較

懂得了線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源的工作原理之后，我們就可以明白為什么線性穩(wěn)壓電源有較小的噪聲，較快的瞬態(tài)響應(yīng)，但是效率差；而開關(guān)電源噪聲較大，瞬態(tài)響應(yīng)較慢，但效率高了。

線性穩(wěn)壓電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，反饋環(huán)路短，因此噪聲小，而且瞬態(tài)響應(yīng)快（當輸出電壓變化時，補償快）。但是因為輸入和輸出的壓差全部落在了MOSFET上，所以它的效率低。因此，線性穩(wěn)壓一般用在小電流，對電壓精度要求高的應(yīng)用上。

而開關(guān)電源，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響輸出電壓噪聲性能的因數(shù)很多，且其反饋環(huán)路長，因此其噪聲性能低于線性穩(wěn)壓電源，且瞬態(tài)響應(yīng)慢。但是根據(jù)開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)，MOSFET處于完全開和完全關(guān)兩種狀態(tài)，除了驅(qū)動MOSFET，和MOSFET自己內(nèi)阻消耗的能量之外，其他能量被全部用在了輸出（理論上L、C是不耗能量的，盡管實際并非如此，但這些消耗的能量很小）。

總而言之，要學(xué)好硬件電路設(shè)計，首先要弄清楚項目需求，根據(jù)功能設(shè)計硬件框架，結(jié)合參考設(shè)計，多借鑒別人的設(shè)計成果，復(fù)用到自己的硬件項目上面來。
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