1 充分了解各方的設(shè)計(jì)需求,確定合適的解決方案
啟動(dòng)一個(gè)硬件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目,原始的推動(dòng)力會(huì)來(lái)自于很多方面,比如市場(chǎng)的需要,基于整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的需要,應(yīng)用軟件部門的功能實(shí)現(xiàn)需要,提高系統(tǒng)某方面能力的需要等等,所以作為一個(gè)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者,要主動(dòng)的去了解各個(gè)方面的需求,并且綜合起來(lái),提出最合適的硬件解決方案。比如A項(xiàng)目的原始推動(dòng)力來(lái)自于公司內(nèi)部的一個(gè)高層軟件小組,他們?cè)趯?shí)際當(dāng)中發(fā)現(xiàn)原有的處理器板IP轉(zhuǎn)發(fā)能力不能滿足要求,從而對(duì)于系統(tǒng)的配置和使用都會(huì)造成很大的不便,所以他們提出了對(duì)新硬件的需求。根據(jù)這個(gè)目標(biāo),硬件方案中就針對(duì)性的選用了兩個(gè)高性能網(wǎng)絡(luò)處理器,然后還需要深入的和軟件設(shè)計(jì)者交流,以確定內(nèi)存大小,內(nèi)部結(jié)構(gòu),對(duì)外接口和調(diào)試接口的數(shù)量及類型等等細(xì)節(jié),比如軟件人員喜歡將控制信令通路和數(shù)據(jù)通路完全分開(kāi)來(lái),這樣在確定內(nèi)部數(shù)據(jù)走向的時(shí)候要慎重考慮。項(xiàng)目開(kāi)始之初是需要召開(kāi)很多的討論會(huì)議的,應(yīng)該盡量邀請(qǐng)所有相關(guān)部門來(lái)參與,好處有三個(gè),第一可以充分了解大家的需要,以免在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上遺漏重要的功能,第二是可以讓各個(gè)部門了解這個(gè)項(xiàng)目的情況,提早做好時(shí)間和人員上協(xié)作的準(zhǔn)備,第三是從感情方面講,在設(shè)計(jì)之初各個(gè)部門就參與了進(jìn)來(lái),這個(gè)項(xiàng)目就變成了大家共同的一個(gè)心血結(jié)晶,會(huì)得到大家的呵護(hù)和良好合作,對(duì)完成工作是很有幫助的。
2 原理圖設(shè)計(jì)中要注意的問(wèn)題
原理圖設(shè)計(jì)中要有“拿來(lái)主義”,現(xiàn)在的芯片廠家一般都可以提供參考設(shè)計(jì)的原理圖,所以要盡量的借助這些資源,在充分理解參考設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,做一些自己的發(fā)揮。當(dāng)主要的芯片選定以后,最關(guān)鍵的外圍設(shè)計(jì)包括了電源,時(shí)鐘和芯片間的互連。
電源是保證硬件系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ),設(shè)計(jì)中要詳細(xì)的分析：系統(tǒng)能夠提供的電源輸入;單板需要產(chǎn)生的電源輸出;各個(gè)電源需要提供的電流大小;電源電路效率;各個(gè)電源能夠允許的波動(dòng)范圍;整個(gè)電源系統(tǒng)需要的上電順序等等。比如A項(xiàng)目中的網(wǎng)絡(luò)處理器需要1.25V作為核心電壓,要求精度在＋5%- －3%之間,電流需要12A左右,根據(jù)這些要求,設(shè)計(jì)中采用5V的電源輸入,利用Linear的開(kāi)關(guān)電源控制器和IR的MOSFET搭建了合適的電源供應(yīng)電路,精度要求決定了輸出電容的ESR選擇,并且為防止電流過(guò)大造成的電壓跌落,加入了遠(yuǎn)端反饋的功能。
時(shí)鐘電路的實(shí)現(xiàn)要考慮到目標(biāo)電路的抖動(dòng)等要求,A項(xiàng)目中用到了GE的PHY器件,剛開(kāi)始的時(shí)候使用一個(gè)內(nèi)部帶鎖相環(huán)的零延時(shí)時(shí)鐘分配芯片提供100MHz時(shí)鐘,結(jié)果GE鏈路上出現(xiàn)了丟包,后來(lái)?yè)Q成簡(jiǎn)單的時(shí)鐘Buffer器件就解決了丟包問(wèn)題,分析起來(lái)就是內(nèi)部的鎖相環(huán)引入了抖動(dòng)。
芯片之間的互連要保證數(shù)據(jù)的無(wú)誤傳輸,在這方面,高速的差分信號(hào)線具有速率高,好布線,信號(hào)完整性好等特點(diǎn),A項(xiàng)目中的多芯片間互連均采用了高速差分信號(hào)線,在調(diào)試和測(cè)試中沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題。
3 PCB設(shè)計(jì)中要注意的問(wèn)題
PCB設(shè)計(jì)中要做到目的明確,對(duì)于重要的信號(hào)線要非常嚴(yán)格的要求布線的長(zhǎng)度和處理地環(huán)路,而對(duì)于低速和不重要的信號(hào)線就可以放在稍低的布線優(yōu)先級(jí)上。重要的部分包括：電源的分割;內(nèi)存的時(shí)鐘線,控制線和數(shù)據(jù)線的長(zhǎng)度要求;高速差分線的布線等等。
A項(xiàng)目中使用內(nèi)存芯片實(shí)現(xiàn)了1G大小的DDR memory,針對(duì)這個(gè)部分的布線是非常關(guān)鍵的,要考慮到控制線和地址線的拓?fù)浞植?數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線的長(zhǎng)度差別控制等方面,在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中,根據(jù)芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)和實(shí)際的工作頻率可以得出具體的布線規(guī)則要求,比如同一組內(nèi)的數(shù)據(jù)線長(zhǎng)度相差不能超過(guò)多少個(gè)mil,每個(gè)通路之間的長(zhǎng)度相差不能超過(guò)多少個(gè)mil等等。當(dāng)這些要求確定后就可以明確要求PCB設(shè)計(jì)人員來(lái)實(shí)現(xiàn)了,如果設(shè)計(jì)中所有的重要布線要求都明確了,可以轉(zhuǎn)換成整體的布線約束,利用CAD中的自動(dòng)布線工具軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)PCB設(shè)計(jì),這也是在高速PCB設(shè)計(jì)中的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。
4 檢查和調(diào)試
當(dāng)準(zhǔn)備調(diào)試一塊板的時(shí)候,一定要先認(rèn)真的做好目視檢查,檢查在焊接的過(guò)程中是否有可見(jiàn)的短路和管腳搭錫等故障,檢查是否有元器件型號(hào)放置錯(cuò)誤,第一腳放置錯(cuò)誤,漏裝配等問(wèn)題,然后用萬(wàn)用表測(cè)量各個(gè)電源到地的電阻,以檢查是否有短路,這個(gè)好習(xí)慣可以避免貿(mào)然上電后損壞單板。調(diào)試的過(guò)程中要有平和的心態(tài),遇見(jiàn)問(wèn)題是非常正常的,要做的就是多做比較和分析,逐步的排除可能的原因,要堅(jiān)信“凡事都是有辦法解決的”和“問(wèn)題出現(xiàn)一定有它的原因”,這樣最后一定能調(diào)試成功。
5 一些總結(jié)的話
現(xiàn)在從技術(shù)的角度來(lái)說(shuō),每個(gè)設(shè)計(jì)最終都可以做出來(lái),但是一個(gè)項(xiàng)目的成功與否,不僅僅取決于技術(shù)上的實(shí)現(xiàn),還與完成的時(shí)間,產(chǎn)品的質(zhì)量,團(tuán)隊(duì)的配合密切相關(guān),所以良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作,透明坦誠(chéng)的項(xiàng)目溝通,精細(xì)周密的研發(fā)安排,充裕的物料和人員安排,這樣才能保證一個(gè)項(xiàng)目的成功。
一個(gè)好的硬件工程師實(shí)際上就是一個(gè)項(xiàng)目經(jīng)理,他/她需要從外界交流獲取對(duì)自己設(shè)計(jì)的需求,然后匯總,分析成具體的硬件實(shí)現(xiàn)。還要跟眾多的芯片和方案供應(yīng)商聯(lián)系,從中挑選出合適的方案,當(dāng)原理圖完成后,他/她要組織同事來(lái)進(jìn)行配合評(píng)審和檢查,還要和CAD工程師一起工作來(lái)完成PCB的設(shè)計(jì)。與此同時(shí),還要準(zhǔn)備好BOM清單,開(kāi)始采購(gòu)和準(zhǔn)備物料,聯(lián)系加工廠家完成板的貼裝。在調(diào)試的過(guò)程中他/她要組織好軟件工程師來(lái)一起攻關(guān)調(diào)試,配合測(cè)試工程師一起解決測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題,等到產(chǎn)品推出到現(xiàn)場(chǎng),如果出現(xiàn)問(wèn)題,還需要做到及時(shí)的支持。所以做一個(gè)硬件設(shè)計(jì)人員要鍛煉出良好的溝通能力,面對(duì)壓力的調(diào)節(jié)能力,同一時(shí)間處理多個(gè)事務(wù)的協(xié)調(diào)和決斷能力和良好平和的心態(tài)等等。
還有細(xì)心和認(rèn)真,因?yàn)橛布O(shè)計(jì)上的一個(gè)小疏忽往往就會(huì)造成非常大的經(jīng)濟(jì)損失,比如以前碰到一塊板在PCB設(shè)計(jì)完備出制造文件的時(shí)候誤操作造成了電源層和地層連在了一起,PCB板制造完畢后又沒(méi)有檢查直接上生產(chǎn)線貼裝,到測(cè)試的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)短路問(wèn)題,但是元器件已經(jīng)都焊接到板上了,結(jié)果造成了幾十萬(wàn)的損失。所以細(xì)心和認(rèn)真的檢查,負(fù)責(zé)任的測(cè)試,不懈的學(xué)習(xí)和積累,才能使得一個(gè)硬件設(shè)計(jì)人員持續(xù)不斷的進(jìn)步,而后術(shù)業(yè)有所小成。
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如何設(shè)計(jì)一個(gè)合適的電源
對(duì)于現(xiàn)在一個(gè)電子系統(tǒng)來(lái)說(shuō),電源部分的設(shè)計(jì)也越來(lái)越重要,我想通過(guò)和大家探討一些自己關(guān)于電源設(shè)計(jì)的心得,來(lái)個(gè)拋磚引玉,讓我們?cè)陔娫丛O(shè)計(jì)方面能夠都有所深入和長(zhǎng)進(jìn)。
Q1：如何來(lái)評(píng)估一個(gè)系統(tǒng)的電源需求
Answer：對(duì)于一個(gè)實(shí)際的電子系統(tǒng),要認(rèn)真的分析它的電源需求。不僅僅是關(guān)心輸入電壓,輸出電壓和電流,還要仔細(xì)考慮總的功耗,電源實(shí)現(xiàn)的效率,電源部分對(duì)負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力,關(guān)鍵器件對(duì)電源波動(dòng)的容忍范圍以及相應(yīng)的允許的電源紋波,還有散熱問(wèn)題等等。功耗和效率是密切相關(guān)的,效率高了,在負(fù)載功耗相同的情況下總功耗就少,對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的功率預(yù)算就非常有利了,對(duì)比LDO和開(kāi)關(guān)電源,開(kāi)關(guān)電源的效率要高一些。同時(shí),評(píng)估效率不僅僅是看在滿負(fù)載的時(shí)候電源電路的效率,還要關(guān)注輕負(fù)載的時(shí)候效率水平。
至于負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)能力,對(duì)于一些高性能的CPU應(yīng)用就會(huì)有嚴(yán)格的要求,因?yàn)楫?dāng)CPU突然開(kāi)始運(yùn)行繁重的任務(wù)時(shí),需要的啟動(dòng)電流是很大的,如果電源電路響應(yīng)速度不夠,造成瞬間電壓下降過(guò)多過(guò)低,造成CPU運(yùn)行出錯(cuò)。
一般來(lái)說(shuō),要求的電源實(shí)際值多為標(biāo)稱值的＋－5%,所以可以據(jù)此計(jì)算出允許的電源紋波,當(dāng)然要預(yù)留余量的。
散熱問(wèn)題對(duì)于那些大電流電源和LDO來(lái)說(shuō)比較重要,通過(guò)計(jì)算也是可以評(píng)估是否合適的。
Q2：如何選擇合適的電源實(shí)現(xiàn)電路
Answer：根據(jù)分析系統(tǒng)需求得出的具體技術(shù)指標(biāo),可以來(lái)選擇合適的電源實(shí)現(xiàn)電路了。一般對(duì)于弱電部分,包括了LDO（線性電源轉(zhuǎn)換器）,開(kāi)關(guān)電源電容降壓轉(zhuǎn)換器和開(kāi)關(guān)電源電感電容轉(zhuǎn)換器。相比之下,LDO設(shè)計(jì)最易實(shí)現(xiàn),輸出紋波小,但缺點(diǎn)是效率有可能不高,發(fā)熱量大,可提供的電流相較開(kāi)關(guān)電源不大等等。而開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)靈活,效率高,但紋波大,實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜,調(diào)試比較煩瑣等等。
Q3：如何為開(kāi)關(guān)電源電路選擇合適的元器件和參數(shù)
Answer：很多的未使用過(guò)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的工程師會(huì)對(duì)它產(chǎn)生一定的畏懼心理,比如擔(dān)心開(kāi)關(guān)電源的干擾問(wèn)題,PCB layout問(wèn)題,元器件的參數(shù)和類型選擇問(wèn)題等。其實(shí)只要了解了,使用一個(gè)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)還是非常方便的。
一個(gè)開(kāi)關(guān)電源一般包含有開(kāi)關(guān)電源控制器和輸出兩部分,有些控制器會(huì)將MOSFET集成到芯片中去,這樣使用就更簡(jiǎn)單了,也簡(jiǎn)化了PCB設(shè)計(jì),但是設(shè)計(jì)的靈活性就減少了一些。
開(kāi)關(guān)控制器基本上就是一個(gè)閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng),所以一般都會(huì)有一個(gè)反饋輸出電壓的采樣電路以及反饋環(huán)的控制電路。因此這部分的設(shè)計(jì)在于保證精確的采樣電路,還有來(lái)控制反饋深度,因?yàn)槿绻答伃h(huán)響應(yīng)過(guò)慢的話,對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)能力是會(huì)有很多影響的。
而輸出部分設(shè)計(jì)包含了輸出電容,輸出電感以及MOSFET等等,這些的選擇基本上就是要滿足一個(gè)性能和成本的平衡,比如高的開(kāi)關(guān)頻率就可以使用小的電感值（意味著小的封裝和便宜的成本）,但是高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)增加干擾和對(duì)MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗,從而效率降低。使用低的開(kāi)關(guān)頻率帶來(lái)的結(jié)果則是相反的。
對(duì)于輸出電容的ESR和MOSFET的Rds_on參數(shù)選擇也是非常關(guān)鍵的,小的ESR可以減小輸出紋波,但是電容成本會(huì)增加,好的電容會(huì)貴嘛。開(kāi)關(guān)電源控制器驅(qū)動(dòng)能力也要注意,過(guò)多的MOSFET是不能被良好驅(qū)動(dòng)的。
一般來(lái)說(shuō),開(kāi)關(guān)電源控制器的供應(yīng)商會(huì)提供具體的計(jì)算公式和使用方案供工程師借鑒的。
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