硬件电路的设计思路

一、硬件电路设计需求分析

任何产品项目立项之前，都会对产品进行分析，明确产品定位及功能细分，在此基础上进行需求细化分类。最终形成需求列表，形成产品设计方案及任务划分。

工程师在明确需求列表后，需要明确哪些功能是以硬件实现，哪些是软件实现。其次，对需要硬件实现的功能再次进行需求细化，具体到哪些电路来实现对应的功能。

需求分析与细化是硬件电路设计的方向，所有硬件电路都是基于这些需求来进行设计。需求分析可以对硬件方案选型进行明确，需求分析的过程中，硬件方案基本就可以确定了。

二、硬件电路方案选型

当遇到相同的功能实现可以通过不同的方案来完成时，需要我们对方案本身再进行对比分析

1. 对比方案的成本差异

任何一款产品，成本是首要约束。主要包括：（1）物料本身的成本；（2）研发成本；（3）使用该方案周围配套电路的成本；（4）加工成本等

2. 对比方案成熟度

这种主要是在新方案和成熟方案之间的选择，如果项目日程紧急，一般首选成熟方案

3.对比方案性能优势

产品设计时需要清楚自己关注的性能是哪些，关注关键指标，突出产品的优势

4.其他方面的支持力度

对于需要依赖供应商的方案，选择时需要关注与供应商的配合度

方案选型对于产品的性能质量有很大影响，方案选型是硬件设计的关键之一。对于全新功能的产品，产品方案选型可以参考市场上同类功能产品样机。这样可以省去很多时间，又可以比较精准的找到对应成熟的方案

三、硬件电路设计框图

硬件电路设计框图是整理电路逻辑绝佳的方法。通过硬件设计框图，可以详细分析产品的逻辑、信号的逻辑流向、功能板的对接等。

硬件设计框图设计对于复杂项目至关重要。通过硬件框图的评审可以check产品功能是否有缺失、信号流向是否正确、逻辑选择是否正确。同时，也为原理图设计打下设计稿，在原理图设计时候做到心里有数，不盲目。

硬件框图设计还包括电源树设计，这是电路中的隐形框图，很多问题都是因为电源的设计余量不足导致电源异常，电源设计需要自下而上进行设计。

首先要了解电路中各个模块的需要电源情况，然后汇总，最后进行整体设计。

如下图所示，为某产品的电源树设计

四、硬件电路设计的原理图及PCB设计

原理图设计是整个硬件产品设计的基础和关键，如何保证原理图设计正确，有以下几点： 

1. 原理图绘制规范性

对新器件画symbol时，要根据应用电路进行绘制，不建议按照PIN脚序进行排列，在绘制的时候建议按照symbol中各个模块进行分类，这样在绘制原理图时候才能做到信号流向清晰。

绘制原理图时，建议做到紧耦合，一个功能模块的原理图尽量放置在一页，并做好原理图模块的文字说明，连接器接口尽量使用文字进行功能描述。

2. 原理图网络命名规范性

原理图信号网络命名需要规范，比如电源模块表示出电源电压，控制信号标出信号流向等。

3. 原理图自检和互检

绘制完成原理图之后首先要自检：

（1）网络连通性检查，检查是否有单点网络，网络漏连等问题

（2）电路设计裕量是否满足设计要求，如电阻电容电感的通流耐压是否满足条件

（3）设计规范性检查即网络命名是否规范，信号流向标记方向是否正确

（4）检查一些低级错误，如网络连接错误，没有连接上，漏器件等

原理图互检：请其他工程师帮忙检视，因为每个人思维都有局限性，通过他人可以发现自己发现不了的问题，还能够发现自己的认知错误。

原理图的正确性主要依靠绘制者，责任主体也是绘制者。这里分享一个我认为比较好经验，就是对原理图反复的检视，自己检视三遍以上，很多时候能发现很多错误或不规范的设计。书读百遍其意自现和这个是一个道理。

PCB设计是硬件电路的具体化、实物化，是硬件电路的载体。通过生产加工之后的 PCBA，最后和产品机构组装在一起。其设计思路和方法主要有：

1. PCB设计需要仔细分析结构

2. PCB设计需要有大局观

多数情况的PCB设计都是围绕一个CPU核展开，再复杂一些的就是双核，即有两个主控芯片，但是两个主控芯片往往也是只有一个是主要的，另一个是次要的。板子上的其他的电路都可以称为这个CPU的外围电路。有为保证CPU工作的最小系统的外围电路、有功能扩展的外围电路、有相互通讯的外围电路等等。只有了解以上的电路形态、电路功能，了解各个模块之间PCB走线的疏密情况，才能在PCB布局的时候，做到心中有数，即我所说的大局观。

有很多刚刚开始从事PCB设计的工程师，因为对PCB的电路分布情况、电路形态、整体的电路框架没有基本的认识。认为只要将电子元器件全部放到PCB板子上，然后将线走通，就万事大吉了。很显然这种想法是不正确的，对于简单的板子这样的处理可能不会出问题。如果对于复杂的、器件较多的板子来说，这样做最后都会吃苦头的。你会发现没有好的大局观，常常会导致PCB走线绕来绕去，需要紧密靠近的元器件因为空间利用不合理，不能放置在一起。最后导致的问题，多是结构壳体无法将PCB元器件放置不下去，然后倒逼着硬件工程师删减电路。或元器件能够放置到壳体，但是走线无法完成连通，不得不牺牲走线规则，将原本该走粗的线改成细线，从而导致PCB通流不够；敏感信号线之间间距不够，导致信号之间相关串扰；元器件放置过于拥挤，甚至发生干涉，导致生产加工自动化操作性降低、维修、返修困难等等问题。最终导致产品各种电气参数、硬件指标不能达到设计要求，生产加工成本高等等问题。

PCB设计需要大局观还有一点重要表现，即在开始模块电路元器件摆放时。一定要做到合理的紧密，对于PCB面积比较紧张单板来说，在一开始就要树立这个意识。只有将每一个模块都做到内部走线最短，最少，模块元器件面积最优。这样在最后的才可能将元器件全部放进去的同时留出足够的走线空间。

3. PCB设计需要懂得信号流向

信号流向对于梳理PCB布局布线有指导的作用，明白信号从那里到那里，对于电路模块摆放有很大的指导作用。那么怎么能够明白信号走向呢？

（1）从设计框图中：

新产品电路设计开始，都会进行框图设计，包括电源框图、逻辑框图，模块框图等，这些框图中都会清楚标注出信号的走向，通过这些框图，可以很清楚的知道信号走向。

（2）学会看原理图：

原理图设计是最详细的信号流向图，对于PCB工程师，不要求了解原理图的细节，但是要知道原理图每个电路模块的基本作用，比如看到DCDC电路要知道，他是进行电压转换的。它的信号流是电流与电压，信号方向通常是从连接器接口进来。到各个模块的供电脚去，或到下一级的电源转换电路去。在比如一些逻辑开关的选择，它通常是进入几个信号，选择出一个信号，连接到下一个模块，或CPU的信号处理管脚。

4. PCB设计需要了解关键信号

关键信号的设计，对于产品电气质量有重要的作用，产品的质量往往也由关键信号决定，比如电源、时钟等信号。电源信号是整个产品的血液，电源处理不好，则会影响整个系统的稳定性，影响各个模块的正常工作。而时钟信号如果处理不好，也会导致系统不稳定、高低温死机、时间不准等问题，严重直接导致CPU无法工作。

也有些产品特有的关键信号，比如音视频处理的产品，音频和视频就是关键信号，如果处理不好视频信号，显示可能会出现斜纹、雪花等问题。如果处理不好音频信号，则可能出现声音干扰，底噪大等问题。

PCB设计需要抓住关键信号，只有保证关键信号的质量，产品质量才能有保障。常见的关键信号有：CPU电源、时钟、MIPI、SPI、SDIO、eMMC、PLL电源、晶振时钟、EPHY信号、BT656、BT1120、I2C等。

5.  PCB设计需要懂得设计规格

设计规则是PCB设计的依据，只有懂得PCB设计规则，才能知道器件的摆放位置，比如去耦电容要靠近CPU管脚放置；才能知道PCB走线粗细，比如1A的电流通常需要线宽20mil以上；才能知道走线间距，比如高速信号通常间距3W以上，从而减少串扰等等。

那么怎么能够了解设计规则呢？对于一般常规的规则，记住即可。对于不常见，或者第一次绘制的电路模块来说，查看电路模块主要器件的说明手册是最好的办法。

6.  PCB设计需要多与周边团队交流

(1) 与硬件工程师沟通：

PCB电路的设计，其实是硬件电路的实现的手段。硬件电路设计灵魂人物是硬件工程师。对于公司有专门的PCB工程师，那就要求PCB工程师多与硬件工程师进行沟通。通过沟通要了解产品形态、设计框图、设计要点等等。

(2) 与机构工程师沟通：

与机构工程师沟通主要目的是为了加深自己对机构壳体了解程度。方便自己进行元器件的摆放。

(3) 与生产工艺工程师沟通：

生产工艺工程师主要任务是保证产品的可制造性。比如PCB在进行拼版时，就要考虑到当前的SMT机器是否可以加工，坐标原点的选取是否合理。DIP元器件摆放是否方便制作治具，从而进行自动化生产等等。通过与生产工艺工程师交流，可以帮助PCB工程师了解生产加工过程。从而在PCB设计过程中，能够给出最合理的布局方案。

7.  PCB设计需要有美感追求

PCB的设计，其实在我看来和工笔画很类似。整体看起来工整、细致、缜密。不是东一榔头，西一棒子。是按照一定电气规则，通过放置电子元器件，构成的一幅画。所以我提倡大家在满足电气特性的情况下做到有美感。这个美感体现在各个方面，体现在放置模块电路时的整齐；体现在PCB走线时的笔直；体现在摆放时丝印字体大小方向的一致；体现在接口元器件放置位置的合理等等。其实有美感并不难，最重要的是要用心，内心有对美的追求。其他都可以使用手段来完成，比如对于元器件摆放整齐，可以通过将格点设置大一些进行比较细致的捕捉，PCB走线绘制好之后可以通过粘连的方式进行固定等等。希望大家在完成PCB设计时，或拿到PCBA能够感受到上面的工控美，能够感受到成就感。亦或在产品出货后，能感受到自己的一份自豪。

五、硬件电路知识补充

1. 阅读相关硬件设计的书籍

2. 做好问题案例分析

在实际的硬件调试过程中，对于典型问题，在问题解决后，建议形成案例文档。这个过程中不仅可以整理分析问题的思路，将实际问题与理论相结合。而且可以在后面的硬件工作中对照案例进行check 防止类似问题再次出现。

3. 仔细阅读器件手册

器件手册对器件功能指标和如何使用都会做出详细的说明，通过器件手册不仅可以学到如何使用器件，理解器件性能。还可以做到触类旁通，理解同类器件使用和注意事项。