硬件电路设计规范

硬件电路板设计规范制定此《规范》的目的和出发点是为了培养硬件开发人员严谨、务实的工作作风和严肃、认真的工作态度，增强硬件开发人员的责任感和使命感，提高工作效率和开发成功率，保证产品质量。1、深入理解设计需求，从需求中整理出电路功能模块和性能指标要求；2、根据功能和性能需求制定总体设计方案，对CPU等主芯片进行选型，CPU选型有以下几点要求：1）容易采购，性价比高；2）容易开发：体现在硬件调试工具种类多，参考设计多，软件资源丰富，成功案例多；3）可扩展性好；3、针对已经选定的CPU芯片，选择一个与我们需求比较接近的成功参考设计。一般CPU生产商或他们的合作方都会对每款CPU芯片做若干开发板进行验证，厂家最后公开给用户的参考设计图虽说不是产品级的东西，也应该是经过严格验证的，否则也会影响到他们的芯片推广应用，纵然参考设计的外围电路有可推敲的地方，CPU本身的管脚连接使用方法也绝对是值得我们信赖的，当然如果万一出现多个参考设计某些管脚连接方式不同，可以细读CPU芯片手册和勘误表，或者找厂商确认；另外在设计之前，最好我们能外借或者购买一块选定的参考板进行软件验证，如果没问题那么硬件参考设计也是可以信赖的；但要注意一点，现在很多CPU都有若干种启动模式，我们要选一种最适合的启动模式，或者做成兼容设计；4、根据需求对外设功能模块进行元器件选型，元器件选型应该遵守以下原则：1）普遍性原则：所选的元器件要被广泛使用验证过的尽量少使用冷、偏芯片，减少风险；2）高性价比原则：在功能、性能、使用率都相近的情况下，尽量选择价格比较好的元器件，减少成本；3）采购方便原则：尽量选择容易买到，供货周期短的元器件；4）持续发展原则：尽量选择在可预见的时间内不会停产的元器件；5）可替代原则：尽量选择pintopin兼容种类比较多的元器件；6）向上兼容原则：尽量选择以前老产品用过的元器件；7）资源节约原则：尽量用上元器件的全部功能和管脚；5、对选定的CPU参考设计原理图外围电路进行修改，修改时对于每个功能模块都要找至少3个相同外围芯片的成功参考设计，如果找到的参考设计连接方法都是完全一样的，那么基本可以放心参照设计，但即使只有一个参考设计与其他的不一样，也不能简单地少数服从多数，而是要细读芯片数据手册，深入理解那些管脚含义，多方讨论，联系芯片厂技术支持，最终确定科学、正确的连接方式，如果仍有疑义，可以做兼容设计；当然，如果所采用的成功参考设计已经是确定正确无误的，则不一定要找全3个参考设计。这是整个原理图设计过程中最关键的部分，我们必须做到以下几点：1）对于每个功能模块要尽量找到更多的成功参考设计，越难的应该越多，成功参考设计是“前人”的经验和财富，我们理当借鉴吸收。2）要多向权威请教、学习，但不能迷信权威，因为人人都有认知误差，很难保证对哪怕是最了解的事物总能做出最科学的理解和判断，开发人员一定要在广泛调查、学习和讨论的基础上做出最科学正确的决定；3）如果是参考已有的老产品设计，设计中要留意老产品有哪些遗留问题，这些遗留问题与硬件哪些功能模块相关，在设计这些相关模块时要更加注意推敲，不能机械照抄原来设计。6、硬件原理图设计还应该遵守一些基本原则，这些基本原则要贯彻到整个设计过程，虽然成功的参考设计中也体现了这些原则，但因为我们可能是“拼”出来的原理图，所以我们还是要随时根据这些原则来设计审查我们的原理图，这些原则包括：1）数字电源和模拟电源分割；2）数字地和模拟地分割，单点接地，数字地可以直接接机壳地（大地），机壳必须接大地；3）保证系统各模块资源不能冲突，例如：同一I2C总线上的设备地址不能相同，等等；4）阅读系统中所有芯片的手册（一般是设计参考手册），看它们的未用输入管脚是否需要做外部处理（比如上拉，下拉等），如果需要一定要做相应处理，否则可能引起芯片内部振荡，导致芯片不能正常工作；5）在不增加硬件设计难度的情况下尽量保证软件开发方便，或者以小的硬件设计难度来换取更多方便、可靠、高效的软件设计，这点需要硬件设计人员和软件开发人员多次讨论，并最终获得软件开发人员认可。6）功耗问题。需要了解每颗IC的最大功耗，保证电源设计中的功耗需求，避免产品出来后电源无法驱动电路。7）产品散热问题，可以在功耗和发热较大的芯片增加散热片或风扇，产品机箱也要考虑这个问题，不能把机箱做成保温盒；还要考虑产品的安放位置，最好是放在空间比较大，空气流动畅通的位置，有利于热量散发出去；8）开关电源要降低纹波可以从下面两点着手：a）滤波电容。滤波电容的ESR（等效串联电阻）和ESL（等效串联电感）是非常重要的参数，越低越好，仅追求容量是远远不够的，当然在满足足够低的ESR和ESL的前提下，容量大些较好。开关电源的滤波电容优选X7R或X5R类电容与钽电解的组合，纹波稍放宽可用Y5V电容和瘦高外观的铝电解（低ESL型）配合。b）PCB设计。开关电源的PCB设计非常重要，开关电源芯片的取样及滤波回路的设计非常讲究，PCB分布参数会导致调整误差或滤波效率变差，严重时甚至可能导致自激（一般在特定的负载强度下发生）。原则是取样回路和滤波回路要尽量贴近开关电源IC，PCB走线不可太长、太细。c）为了避开后面电路的影响，先调试电源电路。可以通过低阻值大功率电阻将开关电源输出接入板内。有时会选用磁珠，但是磁珠受功率影响，不建议采用，除非在满足最大电流要求下又需要少许滤波功能时可采用。7、网表校对。原理图设计好后，要进行网表校对，包括对原理图中每个元器件的最终型号选定，封装确认，管脚连接的正确性复查。元件的型号要具有唯一性，方便采购员采购，避免出现采购回来的元器件不是所需要的元件；不可出现不同位号上同一种元器件，不同的封装。譬如：C1，C2位号上都是0805封装10uF、6.3V的电容，但是在原理图里面却是C1为0805，而C2为1206；8、硬件原理图设计完成之后，设计人员应该按照以上步骤和要求首先进行自审，自审后要达到有95%以上把握和信心，然后再提交他人审核，其他审核人员同样按照以上要求对原理图进行严格审查，如发现问题要及时进行讨论分析，分析解决过程同样遵循以上原则、步骤；9、原理图审核通过后，开始进行PCB设计。1）pcb封装库的建立。根据原理图中导出的网表，进行库的建立，封装要完全与原理中一致（包括管脚序号定义，尺寸大小，方向标识等信息）2）pcb布局。布局很重要，要充分考虑好外部接口的位置，元件之间的相邻疏远关系。好的布局不仅美观，而且方便布线，可降低干扰。3）布线。要充分了解每个信号线的特性，从而采用合适的线宽线距，拓扑结构。比如电源信号线需要根据功耗加大布线面积；差分信号对需要并行走线并等长；地址线组，数据线组需要等长；时钟线上尽量不要有过孔等等。拓扑结构是否合理可直接影响着产品的成功与否，一般，在几MHz低速情况下，我们采用菊花链式的拓扑结构，而在高速情况下则采用星型对称结构。10、只要开发和审核人员都能够严格按以上要求进行电路设计和审查，我们就有理由相信，所有硬件开发人员设计出的电路板一版成功率都会很高的，所以提出以下几点：1）设计人员自身应该保证原理图的正确性和可靠性，要做到设计即是审核，严格自审，不要把希望寄托在审核人员身上，设计出现的任何问题应由设计人员自己承担，其他审核人员不负连带责任；2）普通原理图设计，包括老产品升级修改，原则上要求原理图一版成功，最多两版封板；3）对于功能复杂，疑点较多的全新设计，原则上要求原理图两版内成功，最多三版封板；4）原理图封板标准为：电路板没有任何原理性飞线和其他处理点；