本文主要針對那些剛開始或準備開始搞設計硬件電路的工程師，高級別的硬件工程師看這篇文章就沒必要了。時光飛逝，離俺最初畫第一塊電路已有3年。剛剛開始接觸電路板的時候，與你一樣，俺充滿了疑惑同時又帶著些興奮。在網上許多關于硬件電路的經驗、知識讓人目不暇接。像信號完整性，EMI，PS設計準會把你搞暈。別急，一切要慢慢來。 1）總體思路。設計硬件電路，大的框架和架構要搞清楚，但要做到這一點還真不容易。有些大框架也許自己的老板、老師已經想好，自己只是把思路具體實現;但也有些要自己設計框架的，那就要搞清楚要實現什么功能，然后找找有否能實現同樣或相似功能的參考電路板（要懂得盡量利用他人的成果，越是有經驗的工程師越會懂得借鑒他人的成果）。 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，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）沒有找到參考設計？ 沒關系。先確定大IC芯片，找datasheet，看其關鍵參數是否符合自己的要求，哪些才是自己需要的關鍵參數，以及能否看懂這些關鍵參數，都是硬件工程師的能力的體現，這也需要長期地慢慢地積累。這期間，要善于提問，因為自己不懂的東西，別人往往一句話就能點醒你，尤其是硬件設計。 4）硬件電路設計主要是三個部分，原理圖，pcb ，物料清單（BOM）表。原理圖設計就是將前面的思路轉化為電路原理圖。它很像我們教科書上的電路圖。pcb涉及到實際的電路板，它根據原理圖轉化而來的網表（網表是溝通原理圖和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（也叫預拉線）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該有所歸納，所以我們將用到BOM表。 5）用什么工具？Protel，也就是altium容易上手，在國內也比較流行，應付一般的工作已經足夠，適合初入門的設計者使用。 其實無論用簡單的protel或者復雜的cadence工具，硬件設計大環節是一樣的（protel上的操作類似windwos，是post-command型的;而cadence的產品concept & allegro 是pre-command型的，用慣了protel，突然轉向cadence的工具，會不習慣就是這個原因）。設計大環節都要有：1）原理圖設計。2）pcb設計。3）制作BOM表?，F在簡要談一下設計流程（步驟）： 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?？吹降氖且粋€矩形（代表其IC BODY），周圍許多短線（代表IC管腳））。protel創建庫及其簡單，而且因為用的人多，許多元件都能找到現成的庫，這一點對使用者極為方便。應搞清楚ic body，ic pins，input pin，output pin， analog pin， digital pin， power pin等區別。 2）有了充足的庫之后，就可以在原理圖上畫圖了，按照datasheet和系統設計的要求，通過wire把相關元件連接起來。在相關的地方添加line和text注釋。wire和line的區別在于，前者有電氣屬性，后者沒有。wire適用于連接相同網絡，line適用于注釋圖形。這個時候，應搞清一些基本概念，如：wire，line，bus，part，footprint，等等。 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pcb？別急，先做ERC先。ERC是電氣規則檢查的縮寫。它能對一些原理圖基本的設計錯誤進行排查，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，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（或mechanic區）畫個板框，這將限制了你布線的區域。需要根據需求好考慮板長，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）。 先解釋一下（2）中的術語。post-command，例如我們要拷貝一個object（元件），我們要先選中這個object，然后按ctrl+C，然后按ctrl+V（copy命令發生在選中object之后）。這種操作windows和protel都采用的這種方式。但是concept就是另外一種方式，我們叫做pre-command。同樣我們要拷貝一個東西，先按ctrl+C，然后再選中object，再在外面單擊（copy命令發生在選中object之前）。 1）確定完板框之后，就該元件布局（擺放）了，布局這步極為關鍵。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，其結果往往會讓你大吃一驚^_^）。對于初入門的，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，對于高速數字部分，因為牽扯到信號完整性問題而變得復雜，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文件轉成gerber文件就可交付pcb生產了。（有些直接給pcb也成，工廠會幫你轉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（大公司往往要專業軟件來管理）。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。最好的方法就是，根據bom表自己準備好元件。等到板來了之后，一步步上元件、調試。。。 談談調試 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。先拿萬用表看看關鍵網絡是否有不正常，主要是看電源與地之間有否短路（盡管生產廠商已經幫你做過測試，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，但是可以節約你后面不少時間！），其實短路與否不光pcb有關，在生產制作的任何一個環節可能導致這個問題，IO短路一般不會造成災難性的后果，但是電源短路就。。。。。。 2）電源網絡沒短路？那么好，那就看看電源輸出是否是自己理想的值，對于初學者，調試的時候最好IC一件件芯片上，第一個要上的就是電源芯片。 3）電源網絡短路了？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廠就可能出現這種情況），還是裝配的問題，還是自己設計的問題。關于檢查短路還有一些技巧，這在今后登出。。。。。。 3）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，反饋網絡。。。。。。 4） 電源芯片輸出值不在預料范圍？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，同時看看反饋網絡吧，這也會影響你的輸出電源的范圍。 5）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。也就是抓取開電的瞬間，看看電源從無到有的情況（至于為什么要看著個，嘿嘿。。。。。。專業人士還是要看的～） 談談電源 無疑電源設計是整個電路板最重要的一環。電源不穩定，其他啥都別談。我想不用balabala述說它究竟有多么重要了。 在電源設計我們用得最多的場合是，從一個穩定的“高”電壓得到一個穩定的“低”電壓。這也就是經常說的DC-DC（直流-直流），而直流-直流 中用得最多的電源穩壓芯片有兩種，一種叫LDO（低壓差線性穩壓器，我們后面說的線性穩壓電源，也是指它），另一種叫PWM（脈寬調制開關電 源，我們在本文也稱它開關電源）。我們常常聽到PWM的效率高，但是LDO的響應快，這是為什么呢？別著急，先讓我們看看它們的原理。 下面會涉及一些理論知識，但是依然非常淺顯易懂，如果你不懂，嘿嘿，得檢查一下自己的基礎了。 一、線性穩壓電源的工作原理 如圖是線性穩壓電源內部結構的簡單示意圖。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。 現在我們來看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，經過同樣的電流，MOSFET的壓差變大，于是抑制Vo變大。 二、開關電源的工作原理 如上圖，為了從高電壓Vs得到Vo，開關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管關閉；下MOS管打開時，上MOS管關閉。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，因此方波電壓經過濾波后就得到了濾波后的穩定電壓Vo。Vo經過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。 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，這又導致Vo降低，于是Vo的上升將被抑制。反之亦然。 三、線性穩壓電源和開關電源的比較 懂得了線性穩壓電源和開關電源的工作原理之后，我們就可以明白為什么線性穩壓電源有較小的噪聲，較快的瞬態響應，但是效率差;而開關電源噪聲較大，瞬態響應較慢，但效率高了。 線性穩壓電源內部結構簡單，反饋環路短，因此噪聲小，而且瞬態響應快（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，線性穩壓一般用在小電流，對電壓精度要求高的應用上。 而開關電源，內部結構復雜，影響輸出電壓噪聲性能的因數很多，且其反饋環路長，因此其噪聲性能低于線性穩壓電源，且瞬態響應慢。但是根據開關電源的結構，MOSFET處于完全開和完全關兩種狀態，除了驅動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，盡管實際并非如此，但這些消耗的能量很小）。 先寫part 8，待到圖片能上傳再添補 part 6，7做為描述開關電源原理，以及LDO與開關電源比較之用。 這一部分澄清高速信號認識的一些誤區。