一、硬件電路設(shè)計(jì)需求分析

任何產(chǎn)品項(xiàng)目立項(xiàng)之前，都會(huì)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析，明確產(chǎn)品定位及功能細(xì)分，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行需求細(xì)化分類。最終形成需求列表，形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案及任務(wù)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(shí)現(xiàn)，哪些是軟件實(shí)現(xiàn)。其次，對(duì)需要硬件實(shí)現(xiàn)的功能再次進(jìn)行需求細(xì)化，具體到哪些電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。

需求分析與細(xì)化是硬件電路設(shè)計(jì)的方向，所有硬件電路都是基于這些需求來進(jìn)行設(shè)計(jì)。需求分析可以對(duì)硬件方案選型進(jìn)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(dāng)遇到相同的功能實(shí)現(xiàn)可以通過不同的方案來完成時(shí)，需要我們對(duì)方案本身再進(jìn)行對(duì)比分析

1. 對(duì)比方案的成本差異

任何一款產(chǎn)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(duì)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(xiàng)目日程緊急，一般首選成熟方案

3.對(duì)比方案性能優(yōu)勢(shì)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)需要清楚自己關(guān)注的性能是哪些，關(guān)注關(guān)鍵指標(biāo)，突出產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)

4.其他方面的支持力度

對(duì)于需要依賴供應(yīng)商的方案，選擇時(shí)需要關(guān)注與供應(yīng)商的配合度

方案選型對(duì)于產(chǎn)品的性能質(zhì)量有很大影響，方案選型是硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。對(duì)于全新功能的產(chǎn)品，產(chǎn)品方案選型可以參考市場(chǎng)上同類功能產(chǎn)品樣機(jī)。這樣可以省去很多時(shí)間，又可以比較精準(zhǔn)的找到對(duì)應(yīng)成熟的方案

三、硬件電路設(shè)計(jì)框圖

硬件電路設(shè)計(jì)框圖是整理電路邏輯絕佳的方法。通過硬件設(shè)計(jì)框圖，可以詳細(xì)分析產(chǎn)品的邏輯、信號(hào)的邏輯流向、功能板的對(duì)接等。

硬件設(shè)計(jì)框圖設(shè)計(jì)對(duì)于復(fù)雜項(xiàng)目至關(guān)重要。通過硬件框圖的評(píng)審可以check產(chǎn)品功能是否有缺失、信號(hào)流向是否正確、邏輯選擇是否正確。同時(shí)，也為原理圖設(shè)計(jì)打下設(shè)計(jì)稿，在原理圖設(shè)計(jì)時(shí)候做到心里有數(shù)，不盲目。

硬件框圖設(shè)計(jì)還包括電源樹設(shè)計(jì)，這是電路中的隱形框圖，很多問題都是因?yàn)殡娫吹脑O(shè)計(jì)余量不足導(dǎo)致電源異常，電源設(shè)計(jì)需要自下而上進(jìn)行設(shè)計(jì)。

首先要了解電路中各個(gè)模塊的需要電源情況，然后匯總，最后進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。

如下圖所示，為某產(chǎn)品的電源樹設(shè)計(jì)

四、硬件電路設(shè)計(jì)的原理圖及PCB設(shè)計(jì)

原理圖設(shè)計(jì)是整個(gè)硬件產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，如何保證原理圖設(shè)計(jì)正確，有以下幾點(diǎn)：

1. 原理圖繪制規(guī)范性

對(duì)新器件畫symbol時(shí)，要根據(jù)應(yīng)用電路進(jìn)行繪制，不建議按照PIN腳序進(jìn)行排列，在繪制的時(shí)候建議按照symbol中各個(gè)模塊進(jìn)行分類，這樣在繪制原理圖時(shí)候才能做到信號(hào)流向清晰。

繪制原理圖時(shí)，建議做到緊耦合，一個(gè)功能模塊的原理圖盡量放置在一頁(yè)，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(jìn)行功能描述。

2. 原理圖網(wǎng)絡(luò)命名規(guī)范性

原理圖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)命名需要規(guī)范，比如電源模塊表示出電源電壓，控制信號(hào)標(biāo)出信號(hào)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(luò)連通性檢查，檢查是否有單點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)漏連等問題

（2）電路設(shè)計(jì)裕量是否滿足設(shè)計(jì)要求，如電阻電容電感的通流耐壓是否滿足條件

（3）設(shè)計(jì)規(guī)范性檢查即網(wǎng)絡(luò)命名是否規(guī)范，信號(hào)流向標(biāo)記方向是否正確

（4）檢查一些低級(jí)錯(cuò)誤，如網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤，沒有連接上，漏器件等

原理圖互檢：請(qǐng)其他工程師幫忙檢視，因?yàn)槊總€(gè)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(rèn)知錯(cuò)誤。

原理圖的正確性主要依靠繪制者，責(zé)任主體也是繪制者。這里分享一個(gè)我認(rèn)為比較好經(jīng)驗(yàn)，就是對(duì)原理圖反復(fù)的檢視，自己檢視三遍以上，很多時(shí)候能發(fā)現(xiàn)很多錯(cuò)誤或不規(guī)范的設(shè)計(jì)。書讀百遍其意自現(xiàn)和這個(gè)是一個(gè)道理。

PCB設(shè)計(jì)是硬件電路的具體化、實(shí)物化，是硬件電路的載體。通過生產(chǎn)加工之后的 PCBA，最后和產(chǎn)品機(jī)構(gòu)組裝在一起。其設(shè)計(jì)思路和方法主要有：

1. PCB設(shè)計(jì)需要仔細(xì)分析結(jié)構(gòu)

2. PCB設(shè)計(jì)需要有大局觀

多數(shù)情況的PCB設(shè)計(jì)都是圍繞一個(gè)CPU核展開，再?gòu)?fù)雜一些的就是雙核，即有兩個(gè)主控芯片，但是兩個(gè)主控芯片往往也是只有一個(gè)是主要的，另一個(gè)是次要的。板子上的其他的電路都可以稱為這個(gè)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(kuò)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(gè)模塊之間PCB走線的疏密情況，才能在PCB布局的時(shí)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(shè)計(jì)的工程師，因?yàn)閷?duì)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(rèn)識(shí)。認(rèn)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(wàn)事大吉了。很顯然這種想法是不正確的，對(duì)于簡(jiǎn)單的板子這樣的處理可能不會(huì)出問題。如果對(duì)于復(fù)雜的、器件較多的板子來說，這樣做最后都會(huì)吃苦頭的。你會(huì)發(fā)現(xiàn)沒有好的大局觀，常常會(huì)導(dǎo)致PCB走線繞來繞去，需要緊密靠近的元器件因?yàn)榭臻g利用不合理，不能放置在一起。最后導(dǎo)致的問題，多是結(jié)構(gòu)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(xì)線，從而導(dǎo)致PCB通流不夠；敏感信號(hào)線之間間距不夠，導(dǎo)致信號(hào)之間相關(guān)串?dāng)_；元器件放置過于擁擠，甚至發(fā)生干涉，導(dǎo)致生產(chǎn)加工自動(dòng)化操作性降低、維修、返修困難等等問題。最終導(dǎo)致產(chǎn)品各種電氣參數(shù)、硬件指標(biāo)不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，生產(chǎn)加工成本高等等問題。

PCB設(shè)計(jì)需要大局觀還有一點(diǎn)重要表現(xiàn)，即在開始模塊電路元器件擺放時(shí)。一定要做到合理的緊密，對(duì)于PCB面積比較緊張單板來說，在一開始就要樹立這個(gè)意識(shí)。只有將每一個(gè)模塊都做到內(nèi)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(jìn)去的同時(shí)留出足夠的走線空間。

3. PCB設(shè)計(jì)需要懂得信號(hào)流向

信號(hào)流向?qū)τ谑崂鞵CB布局布線有指導(dǎo)的作用，明白信號(hào)從那里到那里，對(duì)于電路模塊擺放有很大的指導(dǎo)作用。那么怎么能夠明白信號(hào)走向呢？

（1）從設(shè)計(jì)框圖中：

新產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)開始，都會(huì)進(jìn)行框圖設(shè)計(jì)，包括電源框圖、邏輯框圖，模塊框圖等，這些框圖中都會(huì)清楚標(biāo)注出信號(hào)的走向，通過這些框圖，可以很清楚的知道信號(hào)走向。

（2）學(xué)會(huì)看原理圖：

原理圖設(shè)計(jì)是最詳細(xì)的信號(hào)流向圖，對(duì)于PCB工程師，不要求了解原理圖的細(xì)節(jié)，但是要知道原理圖每個(gè)電路模塊的基本作用，比如看到DCDC電路要知道，他是進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換的。它的信號(hào)流是電流與電壓，信號(hào)方向通常是從連接器接口進(jìn)來。到各個(gè)模塊的供電腳去，或到下一級(jí)的電源轉(zhuǎn)換電路去。在比如一些邏輯開關(guān)的選擇，它通常是進(jìn)入幾個(gè)信號(hào)，選擇出一個(gè)信號(hào)，連接到下一個(gè)模塊，或CPU的信號(hào)處理管腳。

4. PCB設(shè)計(jì)需要了解關(guān)鍵信號(hào)

關(guān)鍵信號(hào)的設(shè)計(jì)，對(duì)于產(chǎn)品電氣質(zhì)量有重要的作用，產(chǎn)品的質(zhì)量往往也由關(guān)鍵信號(hào)決定，比如電源、時(shí)鐘等信號(hào)。電源信號(hào)是整個(gè)產(chǎn)品的血液，電源處理不好，則會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，影響各個(gè)模塊的正常工作。而時(shí)鐘信號(hào)如果處理不好，也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定、高低溫死機(jī)、時(shí)間不準(zhǔn)等問題，嚴(yán)重直接導(dǎo)致CPU無法工作。

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

PCB設(shè)計(jì)需要抓住關(guān)鍵信號(hào)，只有保證關(guān)鍵信號(hào)的質(zhì)量，產(chǎn)品質(zhì)量才能有保障。常見的關(guān)鍵信號(hào)有：CPU電源、時(shí)鐘、MIPI、SPI、SDIO、eMMC、PLL電源、晶振時(shí)鐘、EPHY信號(hào)、BT656、BT1120、I2C等。

5. PCB設(shè)計(jì)需要懂得設(shè)計(jì)規(guī)格

設(shè)計(jì)規(guī)則是PCB設(shè)計(jì)的依據(jù)，只有懂得PCB設(shè)計(jì)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(xì)，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(hào)通常間距3W以上，從而減少串?dāng)_等等。

那么怎么能夠了解設(shè)計(jì)規(guī)則呢？對(duì)于一般常規(guī)的規(guī)則，記住即可。對(duì)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(cè)是最好的辦法。

6. PCB設(shè)計(jì)需要多與周邊團(tuán)隊(duì)交流

(1) 與硬件工程師溝通：

PCB電路的設(shè)計(jì)，其實(shí)是硬件電路的實(shí)現(xiàn)的手段。硬件電路設(shè)計(jì)靈魂人物是硬件工程師。對(duì)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(jìn)行溝通。通過溝通要了解產(chǎn)品形態(tài)、設(shè)計(jì)框圖、設(shè)計(jì)要點(diǎn)等等。

(2) 與機(jī)構(gòu)工程師溝通：

與機(jī)構(gòu)工程師溝通主要目的是為了加深自己對(duì)機(jī)構(gòu)殼體了解程度。方便自己進(jìn)行元器件的擺放。

(3) 與生產(chǎn)工藝工程師溝通：

生產(chǎn)工藝工程師主要任務(wù)是保證產(chǎn)品的可制造性。比如PCB在進(jìn)行拼版時(shí)，就要考慮到當(dāng)前的SMT機(jī)器是否可以加工，坐標(biāo)原點(diǎn)的選取是否合理。DIP元器件擺放是否方便制作治具，從而進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)等等。通過與生產(chǎn)工藝工程師交流，可以幫助PCB工程師了解生產(chǎn)加工過程。從而在PCB設(shè)計(jì)過程中，能夠給出最合理的布局方案。

7. PCB設(shè)計(jì)需要有美感追求

PCB的設(shè)計(jì)，其實(shí)在我看來和工筆畫很類似。整體看起來工整、細(xì)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(gòu)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(gè)美感體現(xiàn)在各個(gè)方面，體現(xiàn)在放置模塊電路時(shí)的整齊；體現(xiàn)在PCB走線時(shí)的筆直；體現(xiàn)在擺放時(shí)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(shí)有美感并不難，最重要的是要用心，內(nèi)心有對(duì)美的追求。其他都可以使用手段來完成，比如對(duì)于元器件擺放整齊，可以通過將格點(diǎn)設(shè)置大一些進(jìn)行比較細(xì)致的捕捉，PCB走線繪制好之后可以通過粘連的方式進(jìn)行固定等等。希望大家在完成PCB設(shè)計(jì)時(shí)，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(chǎn)品出貨后，能感受到自己的一份自豪。

五、硬件電路知識(shí)補(bǔ)充

1. 閱讀相關(guān)硬件設(shè)計(jì)的書籍

2. 做好問題案例分析

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

3. 仔細(xì)閱讀器件手冊(cè)

器件手冊(cè)對(duì)器件功能指標(biāo)和如何使用都會(huì)做出詳細(xì)的說明，通過器件手冊(cè)不僅可以學(xué)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(xiàng)。