硬件大神们都是怎么搞定电路设计的？

monsterscvb · 发表于 2022-7-7 09:30

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概述

1）总体思路。设计硬件电路，大的框架和架构要搞清楚，但要做到这一点还真不容易。有些大框架也许自己的老板、老师已经想好，自己只是把思路具体实现;但也有些要自己设计框架的，那就要搞清楚要实现什么功能，然后找找有否能实现同样或相似功能的参考电路板。懂得尽量利用他人的成果，越是有经验的工程师越会懂得借鉴他人的成果。

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2）理解电路。如果你找到了的参考设计，那么恭喜你，你可以节约很多时间了(包括前期设计和后期调试)。马上就copy？NO，还是先看懂理解了再说，一方面能提高我们的电路理解能力，另一方面也能避免设计中的错误。

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3）没有找到参考设计?

没关系。先确定大IC芯片，找datasheet，看其关键参数是否符合自己的要求，哪些才是自己需要的关键参数，以及能否看懂这些关键参数，都是硬件工程师的能力的体现，这也需要长期地慢慢地积累。这期间，要善于提问，因为自己不懂的东西，别人往往一句话就能点醒你，尤其是硬件设计。

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4）硬件电路设计主要是三个部分，原理图，PCB ，物料清单(BOM)表。原理图设计就是将前面的思路转化为电路原理图。它很像我们教科书上的电路图。PCB涉及到实际的电路板，它根据原理图转化而来的网表(网表是沟通原理图和PCB之间的桥梁)，而将具体的元器件的封装放置(布局)在电路板上，然后根据飞线(也叫预拉线)连接其电信号(布线)。完成了PCB布局布线后，要用到哪些元器件应该有所归纳，所以我们将用到BOM表。

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5）用什么工具？protel，也就是altium容易上手，在国内也比较流行，应付一般的工作已经足够，适合初入门的设计者使用。

其实无论用简单的protel或者复杂的cadence工具，硬件设计大环节是一样的(protel上的操作类似windwos，是post-command型的;而cadence的产品concept & allegro 是pre-command型的，用惯了protel，突然转向cadence的工具，会不习惯就是这个原因)。

设计大环节都要有：原理图设计、PCB设计、制作BOM表。

设计流程

1）原理图库建立。

要将一个新元件摆放在原理图上，我们必须得建立该元件的库。库中主要定义了该新元件的管脚定义及其属性，并且以具体的图形形式来代表(我们常常看到的是一个矩形(代表其IC BODY)，周围许多短线(代表IC管脚))。

protel创建库及其简单，而且因为用的人多，许多元件都能找到现成的库，这一点对使用者极为方便。应搞清楚ic body，ic pins，input pin，output pin， analog pin， digital pin， power pin等区别。

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2）有了充足的库之后，就可以在原理图上画图了，按照datasheet和系统设计的要求，通过wire把相关元件连接起来。

在相关的地方添加line和text注释。wire和line的区别在于，前者有电气属性，后者没有。wire适用于连接相同网络，line适用于注释图形。

这个时候，应搞清一些基本概念，如：wire，line，bus，part，footprint，等等。

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3）做完这一步，我们就可以生成netlist了，这个netlist是原理图与pcb之间的桥梁。

原理图是我们能认知的形式，电脑要将其转化为pcb，就必须将原理图转化它认识的形式netlist，然后再处理、转化为pcb。

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4）得到netlist，马上画pcb？别急，先做ERC先。

ERC是电气规则检查的缩写。它能对一些原理图基本的设计错误进行排查，如多个output接在一起等问题，相关推荐:PCB Layout爬电距离、电气间隙是如何确定。但是一定要仔细检查自己的原理图，不能过分依赖工具，毕竟工具并不能明白你的系统，它只是纯粹地根据一些基本规则排查。

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5）从netlist得到了pcb，一堆密密麻麻的元件，和数不清的飞线是不是让你吓了一跳？呵呵，别急还得慢慢来。

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6）确定板框大小。

在keepout区(或mechanic区)画个板框，这将限制了你布线的区域。需要根据需求好考虑板长，板宽(有时，还得考虑板厚)。当然了，叠层也得考虑好。(叠层的意思就是，板层有几层，怎么应用，比如板总共4层，顶层走信号，中间第一层铺电源，中间第二层铺地，底层走信号)。

术语解释

post-command，例如我们要拷贝一个object(元件)，我们要先选中这个object，然后按ctrl+C，然后按ctrl+V(copy命令发生在选中object之后)。这种操作windows和protel都采用的这种方式。

但是concept就是另外一种方式，我们叫做pre-command。同样我们要拷贝一个东西，先按ctrl+C，然后再选中object，再在外面单击(copy命令发生在选中object之前)。

1）确定完板框之后，就该元件布局(摆放)了，布局这步极为关键。

它往往决定了后期布线的难易。哪些元器件该摆正面，哪些元件该摆背面，都要有所考量。但是这些都是一个仁者见仁，智者见智的问题;从不同角度考虑摆放位置都可以不一样。

其实自己画了原理图，明白所有元件功能，自然对元件摆放有清楚的认识(如果让一个不是画原理图的人来摆放元件，其结果往往会让你大吃一惊^_^)。

对于初入门的，注意模拟元件，数字元件的隔离，以及机械位置的摆放，同时注意电源的拓扑就可以了。

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2）接下来就是布线，这与布局往往是互动的。

有经验的人往往在开始就能看出哪些地方能布线成功，如果有些地方难以布线还需要改动布局，对于FPGA设计来说往往还要改动原理图来使布线更加顺畅。

布线和布局问题涉及的因素很多，对于高速数字部分，因为牵扯到信号完整性问题而变得复杂，但往往这些问题又是难以定量或即使定量也难以计算的。所以，在信号频率不是很高的情况下，应以布通为第一原则。

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3）OK了?别急，用DRC检查检查先。

这是一定要检查的。DRC对于布线完成覆盖率以及规则违反的地方都会有所标注，按照这个再一一的排查，修正。

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4）有些PCB还要加上敷铜(可能会导致成本增加)，将出线部分做成泪滴(工厂也许会帮你加)。

最后的pcb文件转成gerber文件就可交付pcb生产了。(有些直接给pcb也成，工厂会帮你转gerber)。

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5）要装配PCB，准备BOM表吧，一般能直接从原理图中导出。

但是需要注意的是，原理图中哪些部分元件该上，哪些部分元件不该上，要做到心理有数。对于小批量或研究板而言，用excel自己管理倒也方便(大公司往往要专业软件来管理)。

而对于新手而言，第一个版本，不建议直接交给装配工厂或焊接工厂将bom料全部焊上，这样不便于排查问题。最好的方法就是，根据bom表自己准备好元件。等板来了之后，一步步上元件、调试。

调试

1）拿到板第一步做什么，不要急急忙忙供电看功能，硬件调试不可能一步调试完成的。

先拿万用表看看关键网络是否有不正常，主要是看电源与地之间有否短路(尽管生产厂商已经帮你做过测试，这一步还是要自己亲自看看，有时候看起来某些步骤挺繁琐，但是可以节约你后面不少时间!)，其实短路与否不光PCB有关，在生产制作的任何一个环节可能导致这个问题，IO短路一般不会造成灾难性的后果，但是电源短路就......

2）电源网络没短路？那么好，那就看看电源输出是否是自己理想的值。

对于初学者，调试的时候最好IC一件件芯片上，第一个要上的就是电源芯片。

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3）电源网络短路了？这个比较麻烦，不过要仔细看看自己原理图是否有可能这样的情况，同时结合割线的方法一步步排查到底是什么地方短路了。

是pcb的问题(一般比较烂的pcb厂就可能出现这种情况)，还是装配的问题，还是自己设计的问题。

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4）电源芯片没有输出？检查检查你的电源芯片输入是否正常吧，还需要检查的地方有使能信号，分压电阻，反馈网络......

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5）电源芯片输出值不在预料范围？

如果超过很离谱，比如到了10%，那么看看分压电阻先，这两个分压电阻一般要用1%的精度，这个你做到了没有，同时看看反馈网络吧，这也会影响你的输出电源的范围。

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6）电源输出正常了，别高兴，如果有条件的话，拿示波器看看吧，看看电源的输出跳变是否正常。

也就是抓取开电的瞬间，看看电源从无到有的情况(至于为什么要看这个，嘿嘿......专业人士还是要看的～)

电源

无疑电源设计是整个电路板最重要的一环。电源不稳定，其他啥都别谈。我想不用balabala述说它究竟有多么重要了。

在电源设计我们用得最多的场合是，从一个稳定的“高”电压得到一个稳定的“低”电压，这也就是经常说的DC-DC(直流-直流)，相关视频推荐:老外教你DC-DC，做一个开关电源。而直流-直流中用得最多的电源稳压芯片有两种，一种叫LDO(低压差线性稳压器，我们后面说的线性稳压电源，也是指它)，另一种叫PWM(脉宽调制开关电源，我们在本文也称它开关电源)。

我们常常听到PWM的效率高，但是LDO的响应快，这是为什么呢？别着急，先让我们看看它们的原理。

下面会涉及一些理论知识，但是依然非常浅显易懂，如果你不懂，那确实得检查一下自己的基础了。

线性稳压电源的工作原理

如图是线性稳压电源内部结构的简单示意图，我们的目的是从高电压Vs得到低电压Vo。在图中，Vo经过两个分压电阻分压得到V+，V+被送入放大器(我们把这个放大器叫做误差放大器)的正端，而放大器的负端Vref是电源内部的参考电平(这个参考电平是恒定的)。

放大器的输出Va连接到MOSFET的栅极来控制MOSFET的阻抗。Va变大时，MOSFET的阻抗变大；Va变小时，MOSFET的阻抗变小。MOSFET上的压降将是Vs-Vo。

现在我们来看Vo是怎么稳定的，假设Vo变小，那么V+将变小，放大器的输出Va也将变小，这将导致MOSFET的阻抗变小，这样经过同样的电流，MOSFET的压差将变小，于是将Vo上抬来抑制Vo的变小。

同理，Vo变大，V+变大，Va变大，MOSFET的阻抗变大，经过同样的电流，MOSFET的压差变大，于是抑制Vo变大。

开关电源的工作原理

如上图，为了从高电压Vs得到Vo，开关电源采用了用一定占空比的方波Vg1,Vg2推动上下MOS管，Vg1和Vg2是反相的，Vg1为高，Vg2为低;上MOS管打开时，下MOS管关闭;下MOS管打开时，上MOS管关闭。

由此在L左端形成了一定占空比的方波电压，电感L和电容C我们可以看作是低通滤波器，因此方波电压经过滤波后就得到了滤波后的稳定电压Vo。

Vo经过R1、R2分压后送入第一个放大器(误差放大器)的负端V+，误差放大器的输出Va做为第二个放大器(PWM放大器)的正端，PWM放大器的输出Vpwm是一个有一定占空比的方波，经过门逻辑电路处理得到两个反相的方波Vg1、Vg2来控制MOSFET的开关。

误差放大器的正端Vref是一恒定的电压，而PWM放大器的负端Vt是一个三角波信号，一旦Va比三角波大时，Vpwm为高;Va比三角波小时，Vpwm为低，因此Va与三角波的关系，决定了方波信号Vpwm的占空比；Va高，占空比就低，Va低，占空比就高。

经过处理,Vg1与Vpwm同相，Vg2与Vpwm反相;最终L左端的方波电压Vp与Vg1相同。如下图：

当Vo上升时，V+将上升，Va下降，Vpwm占空比下降，经过门逻辑之后，Vg1的占空比下降，Vg2的占空比上升，Vp占空比下降，这又导致Vo降低，于是Vo的上升将被抑制，反之亦然。

线性稳压电源和开关电源的比较

懂得了线性稳压电源和开关电源的工作原理之后，我们就可以明白为什么线性稳压电源有较小的噪声，较快的瞬态响应，但是效率差；而开关电源噪声较大，瞬态响应较慢，但效率高了。

线性稳压电源内部结构简单，反馈环路短，因此噪声小，而且瞬态响应快(当输出电压变化时，补偿快)。但是因为输入和输出的压差全部落在了MOSFET上，所以它的效率低。因此，线性稳压一般用在小电流，对电压精度要求高的应用上。

而开关电源，内部结构复杂，影响输出电压噪声性能的因素很多，且其反馈环路长，因此其噪声性能低于线性稳压电源，且瞬态响应慢。但是根据开关电源的结构，MOSFET处于完全开和完全关两种状态，除了驱动MOSFET，和MOSFET自己内阻消耗的能量之外，其他能量被全部用在了输出(理论上L、C是不耗能量的，尽管实际并非如此，但这些消耗的能量很小)。

先写part 8，待到图片能上传再添补 part 6,7做为描述开关电源原理，以及LDO与开关电源比较之用。

下面来澄清高速信号认识的一些误区：