硬件電路設計資料分享-一套完整硬件電路設計方法步驟

什么是硬件電路設計

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

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

硬件電路設計需求分析

硬件電路的設計需求是基于項目或控制平臺的系統需求，設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。硬件電路的通用設計需求有應用環(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，設計前必須關(guān)注的需求如表所示。

一套完整的硬件電路設計解析

先來(lái)了解一下大體的思路：

1）總體思路

設計硬件電路，大的框架和架構要搞清楚，但要做到這一點(diǎn)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(shí)現；但也有些要自己設計框架的，那就要搞清楚要實(shí)現什么功能，然后找找有否能實(shí)現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計，那么恭喜你，你可以節約很多時(shí)間了（包括前期設計和后期調試）。馬上就copy？NO，還是先看懂理解了再說(shuō)，一方面能提高我們的電路理解能力，而且能避免設計中的錯誤。

3）找到參考設計

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

4）硬件電路設計的三個(gè)部分：原理圖、PCB和物料清單（BOM）表

原理圖設計，其實(shí)就是將前面的思路轉化為電路原理圖，它很像我們教科書(shū)上的電路圖。pcb涉及到實(shí)際的電路板，它根據原理圖轉化而來(lái)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，然后根據飛線(xiàn)（也叫預拉線(xiàn)）)連接其電信號（布線(xiàn)）。完成了pcb布局布線(xiàn)后，要用到哪些元器件應該有所歸納，所以我們將用到BOM表。

5）選擇PCB設計工具

Protel，也就是Altium（現在入門(mén)的童鞋大多用AD）容易上手，網(wǎng)上的學(xué)習教程資料也很全面，在國內也比較流行，應付一般的工作已經(jīng)足夠，適合初入門(mén)的設計者使用。

硬件電路設計的大環(huán)節必不可少，主要都要經(jīng)過(guò)以下這幾個(gè)流程：

1）原理圖設計

2）PCB設計

3）制作BOM表

硬件電路設計步驟
一、原理圖建立+網(wǎng)表生成

1. 原理圖庫建立。要將一個(gè)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(lái)代表(我們常?？吹降氖且粋€(gè)矩形（代表其IC BODY），周?chē)S多短線(xiàn)（代表IC管腳）。

2. 有了充足的庫之后，就可以在原理圖上畫(huà)圖了，按照datasheet和系統設計的要求，通過(guò)wire把相關(guān)元件連接起來(lái)。在相關(guān)的地方添加line和text注釋。wire和line的區別在于，前者有電氣屬性，后者沒(méi)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(gè)netlist是原理圖與pcb之間的橋梁。原理圖是我們能認知的形式，電腦要將其轉化為pcb，就必須將原理圖轉化它認識的形式netlist，然后再處理、轉化為pcb。

4. 得到netlist，馬上畫(huà)pcb?別急，先做ERC先。ERC是電氣規則檢查的縮寫(xiě)。它能對一些原理圖基本的設計錯誤進(jìn)行排查，如多個(gè)output接在一起等問(wèn)題。（但是一定要仔細檢查自己的原理圖，不能過(guò)分依賴(lài)工具，畢竟工具并不能明白你的系統，它只是純粹地根據一些基本規則排查。)

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

6. 確定板框大小。在keepout區（或mechanic區）畫(huà)個(gè)板框，這將限制了你布線(xiàn)的區域。需要根據需求好考慮板長(cháng)，板寬（有時(shí)，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(xiàn)

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(xiàn)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(gè)仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智的問(wèn)題;從不同角度考慮擺放位置都可以不一樣。其實(shí)自己畫(huà)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(gè)不是畫(huà)原理圖的人來(lái)擺放元件，其結果往往會(huì )讓你大吃一驚）。對于初入門(mén)的，注意模擬元件，數字元件的隔離，以及機械位置的擺放，同時(shí)注意電源的拓撲就可以了。

2. 接下來(lái)就是布線(xiàn)。這與布局往往是互動(dòng)的。有經(jīng)驗的人往往在開(kāi)始就能看出哪些地方能布線(xiàn)成功。如果有些地方難以布線(xiàn)還需要改動(dòng)布局。對于fpga設計來(lái)說(shuō)往往還要改動(dòng)原理圖來(lái)使布線(xiàn)更加順暢。布線(xiàn)和布局問(wèn)題涉及的因素很多，對于高速數字部分，因為牽扯到信號完整性問(wèn)題而變得復雜，但往往這些問(wèn)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(xiàn)完成覆蓋率以及規則違反的地方都會(huì )有所標注，按照這個(gè)再一一的排查，修正。

4. 有些pcb還要加上敷銅（可能會(huì )導致成本增加），將出線(xiàn)部分做成淚滴（工廠(chǎng)也許會(huì )幫你加）。最后的pcb文件轉成gerber文件就可交付pcb生產(chǎn)了。（有些直接給pcb也成，工廠(chǎng)會(huì )幫你轉gerber）。

5. 要裝配pcb，準備bom表吧，一般能直接從原理圖中導出。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。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(zhuān)業(yè)軟件來(lái)管理）。而對于新手而言，第一個(gè)版本，不建議直接交給裝配工廠(chǎng)或焊接工廠(chǎng)將bom的料全部焊上，這樣不便于排查問(wèn)題。

三、電路板調試

1. 拿到板第一步做什么，不要急急忙忙供電看功能，硬件調試不可能一步調試完成的。先拿萬(wàn)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(chǎng)商已經(jīng)幫你做過(guò)測試，這一步還是要自己親自看看，有時(shí)候看起來(lái)某些步驟挺繁瑣，但是可以節約你后面不少時(shí)間?。?，其實(shí)短路與否不光pcb有關(guān)，在生產(chǎn)制作的任何一個(gè)環(huán)節可能導致這個(gè)問(wèn)題，IO短路一般不會(huì )造成災難性的后果，但是電源短路就。

2. 電源網(wǎng)絡(luò )沒(méi)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，調試的時(shí)候最好IC一件件芯片上，第一個(gè)要上的就是電源芯片。

3. 電源網(wǎng)絡(luò )短路了？這個(gè)比較麻煩，不過(guò)要仔細看看自己原理圖是否有可能這樣的情況，同時(shí)結合割線(xiàn)的方法一步步排查倒底是什么地方短路了，是pcb的問(wèn)題（一般比較爛的pcb廠(chǎng)就可能出現這種情況），還是裝配的問(wèn)題，還是自己設計的問(wèn)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(méi)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料范圍?如果超過(guò)很離譜，比如到了10%，那么看看分壓電阻先，這兩個(gè)分壓電阻一般要用1%的精度，這個(gè)你做到了沒(méi)有，同時(shí)看看反饋網(wǎng)絡(luò )吧，這也會(huì )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(huà)，拿示波器看看吧，看看電源的輸出跳變是否正常。

四、電源設計

無(wú)疑電源設計是整個(gè)電路板最重要的一環(huán)。電源不穩定，其他啥都別談。我想不用balabala述說(shuō)它究竟有多么重要了。

在電源設計我們用得最多的場(chǎng)合是，從一個(gè)穩定的“高”電壓得到一個(gè)穩定的“低”電壓。這也就是經(jīng)常說(shuō)的DC/DC，其中用得最多的電源穩壓芯片有兩種，一種叫LDO（低壓差線(xiàn)性穩壓器，我們后面說(shuō)的線(xiàn)性穩壓電源，也是指它），另一種叫PWM（脈寬調制開(kāi)關(guān)電源，我們在本文也稱(chēng)它開(kāi)關(guān)電源）。我們常常聽(tīng)到PWM的效率高，但是LDO的響應快，這是為什么呢？別著(zhù)急，先讓我們看看它們的原理。

1、線(xiàn)性穩壓電源的工作原理

如圖是線(xiàn)性穩壓電源內部結構的簡(jiǎn)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(guò)兩個(gè)分壓電阻分壓得到V+，V+被送入放大器(我們把這個(gè)放大器叫做誤差放大器)的正端，而放大器的負端Vref是電源內部的參考電平（這個(gè)參考電平是恒定的）。放大器的輸出Va連接到MOSFET的柵極來(lái)控制MOSFET的阻抗。Va變大時(shí)，MOSFET的阻抗變大；Va變小時(shí)，MOSFET的阻抗變小。MOSFET上的壓降將是Vs-Vo。

現在我們來(lái)看Vo是怎么穩定的，假設Vo變小，那么V+將變小，放大器的輸出Va也將變小，這將導致MOSFET的阻抗變小，這樣經(jīng)過(guò)同樣的電流，MOSFET的壓差將變小，于是將Vo上抬來(lái)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(guò)同樣的電流，MOSFET的壓差變大，于是抑制Vo變大。

2、開(kāi)關(guān)電源的工作原理

如上圖，為了從高電壓Vs得到Vo，開(kāi)關(guān)電源采用了用一定占空比的方波Vg1，Vg2推動(dòng)上下MOS管，Vg1和Vg2是反相的，Vg1為高，Vg2為低；上MOS管打開(kāi)時(shí)，下MOS管關(guān)閉；下MOS管打開(kāi)時(shí)，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(guò)濾波后就得到了濾波后的穩定電壓Vo。Vo經(jīng)過(guò)R1、R2分壓后送入第一個(gè)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(gè)放大器（PWM放大器）的正端，PWM放大器的輸出Vpwm是一個(gè)有一定占空比的方波，經(jīng)過(guò)門(mén)邏輯電路處理得到兩個(gè)反相的方波Vg1、Vg2來(lái)控制MOSFET的開(kāi)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(gè)三角波信號，一旦Va比三角波大時(shí)，Vpwm為高；Va比三角波小時(shí)，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(guò)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(shí)，V+將上升，Va下降，Vpwm占空比下降，經(jīng)過(guò)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，這又導致Vo降低，于是Vo的上升將被抑制。反之亦然。

3、線(xiàn)性穩壓電源和開(kāi)關(guān)電源的比較

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

線(xiàn)性穩壓電源內部結構簡(jiǎn)單，反饋環(huán)路短，因此噪聲小，而且瞬態(tài)響應快（當輸出電壓變化時(shí)，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(xiàn)性穩壓一般用在小電流，對電壓精度要求高的應用上。

而開(kāi)關(guān)電源，內部結構復雜，影響輸出電壓噪聲性能的因數很多，且其反饋環(huán)路長(cháng)，因此其噪聲性能低于線(xiàn)性穩壓電源，且瞬態(tài)響應慢。但是根據開(kāi)關(guān)電源的結構，MOSFET處于完全開(kāi)和完全關(guān)兩種狀態(tài)，除了驅動(dòng)MOSFET，和MOSFET自己內阻消耗的能量之外，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(shí)際并非如此，但這些消耗的能量很?。?。

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

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