硬體開發的基本準則

2006-01-13 00:05:15|分類： 電子技術 |標籤： |字型大小大中小訂閱

硬體開發的基本準則

1充分了解各方的設計需求，確定合適的解決方案啟動一個硬體開發項目，原始的推動力會來自於很多方面，比如市場的需要，基於整個系統架構的需要，應用軟體部門的功能實現需要，提高系統某方面能力的需要等等，所以作為一個硬體系統的設計者，要主動的去了解各個方面的需求，並且綜合起來，提出最合適的硬體解決方案。比如A項目的原始推動力來自於公司內部的一個高層軟體小組，他們在實際當中發現原有的處理器板IP轉發能力不能滿足要求，從而對於系統的配置和使用都會造成很大的不便，所以他們提出了對新硬體的需求。根據這個目標，硬體方案中就針對性的選用了兩個高性能網路處理器，然後還需要深入的和軟體設計者交流，以確定內存大小，內部結構，對外介面和調試介面的數量及類型等等細節，比如軟體人員喜歡將控制信令通路和數據通路完全分開來，這樣在確定內部數據走向的時候要慎重考慮。項目開始之初是需要召開很多的討論會議的，應該盡量邀請所有相關部門來參與，好處有三個，第一可以充分了解大家的需要，以免在系統設計上遺漏重要的功能，第二是可以讓各個部門了解這個項目的情況，提早做好時間和人員上協作的準備，第三是從感情方面講，在設計之初各個部門就參與了進來，這個項目就變成了大家共同的一個心血結晶，會得到大家的呵護和良好合作，對完成工作是很有幫助的。2原理圖設計中要注意的問題原理圖設計中要有「拿來主義」，現在的晶元廠家一般都可以提供參考設計的原理圖，所以要盡量的藉助這些資源，在充分理解參考設計的基礎上，做一些自己的發揮。當主要的晶元選定以後，最關鍵的外圍設計包括了電源，時鐘和晶元間的互連。電源是保證硬體系統正常工作的基礎，設計中要詳細的分析：系統能夠提供的電源輸入；單板需要產生的電源輸出；各個電源需要提供的電流大小；電源電路效率；各個電源能夠允許的波動範圍；整個電源系統需要的上電順序等等。比如A項目中的網路處理器需要1.25V作為核心電壓，要求精度在＋5%- －3%之間，電流需要12A左右，根據這些要求，設計中採用5V的電源輸入，利用Linear的開關電源控制器和IR的MOSFET搭建了合適的電源供應電路，精度要求決定了輸出電容的ESR選擇，並且為防止電流過大造成的電壓跌落，加入了遠端反饋的功能。時鐘電路的實現要考慮到目標電路的抖動等要求，A項目中用到了GE的PHY器件，剛開始的時候使用一個內部帶鎖相環的零延時時鐘分配晶元提供100MHz時鐘，結果GE鏈路上出現了丟包，後來換成簡單的時鐘Buffer器件就解決了丟包問題，分析起來就是內部的鎖相環引入了抖動。晶元之間的互連要保證數據的無誤傳輸，在這方面，高速的差分信號線具有速率高，好布線，信號完整性好等特點，A項目中的多晶元間互連均採用了高速差分信號線，在調試和測試中沒有出現問題。3PCB設計中要注意的問題PCB設計中要做到目的明確，對於重要的信號線要非常嚴格的要求布線的長度和處理地環路，而對於低速和不重要的信號線就可以放在稍低的布線優先順序上。重要的部分包括：電源的分割；內存的時鐘線，控制線和數據線的長度要求；高速差分線的布線等等。A項目中使用內存晶元實現了1G大小的DDR memory，針對這個部分的布線是非常關鍵的，要考慮到控制線和地址線的拓撲分布，數據線和時鐘線的長度差別控制等方面，在實現的過程中，根據晶元的數據手冊和實際的工作頻率可以得出具體的布線規則要求，比如同一組內的數據線長度相差不能超過多少個mil，每個通路之間的長度相差不能超過多少個mil等等。當這些要求確定後就可以明確要求PCB設計人員來實現了，如果設計中所有的重要布線要求都明確了，可以轉換成整體的布線約束，利用CAD中的自動布線工具軟體來實現PCB設計，這也是在高速PCB設計中的一個發展趨勢。4檢查和調試當準備調試一塊板的時候，一定要先認真的做好目視檢查，檢查在焊接的過程中是否有可見的短路和管腳搭錫等故障，檢查是否有元器件型號放置錯誤，第一腳放置錯誤，漏裝配等問題，然後用萬用表測量各個電源到地的電阻，以檢查是否有短路，這個好習慣可以避免貿然上電後損壞單板。調試的過程中要有平和的心態，遇見問題是非常正常的，要做的就是多做比較和分析，逐步的排除可能的原因，要堅信「凡事都是有辦法解決的」和「問題出現一定有它的原因」，這樣最後一定能調試成功。5一些總結的話現在從技術的角度來說，每個設計最終都可以做出來，但是一個項目的成功與否，不僅僅取決於技術上的實現，還與完成的時間，產品的質量，團隊的配合密切相關，所以良好的團隊協作，透明坦誠的項目溝通，精細周密的研發安排，充裕的物料和人員安排，這樣才能保證一個項目的成功。一個好的硬體工程師實際上就是一個項目經理，他/她需要從外界交流獲取對自己設計的需求，然後匯總，分析成具體的硬體實現。還要跟眾多的晶元和方案供應商聯繫，從中挑選出合適的方案，當原理圖完成後，他/她要組織同事來進行配合評審和檢查，還要和CAD工程師一起工作來完成PCB的設計。與此同時，還要準備好BOM清單，開始採購和準備物料，聯繫加工廠家完成板的貼裝。在調試的過程中他/她要組織好軟體工程師來一起攻關調試，配合測試工程師一起解決測試中發現的問題，等到產品推出到現場，如果出現問題，還需要做到及時的支持。所以做一個硬體設計人員要鍛鍊出良好的溝通能力，面對壓力的調節能力，同一時間處理多個事務的協調和決斷能力和良好平和的心態等等。還有細心和認真，因為硬體設計上的一個小疏忽往往就會造成非常大的經濟損失，比如以前碰到一塊板在PCB設計完備出製造文件的時候誤操作造成了電源層和地層連在了一起，PCB板製造完畢後又沒有檢查直接上生產線貼裝，到測試的時候才發現短路問題，但是元器件已經都焊接到板上了，結果造成了幾十萬的損失。所以細心和認真的檢查，負責任的測試，不懈的學習和積累，才能使得一個硬體設計人員持續不斷的進步，而後術業有所小成。相關文章：如何設計一個合適的電源對於現在一個電子系統來說，電源部分的設計也越來越重要，我想通過和大家探討一些自己關於電源設計的心得，來個拋磚引玉，讓我們在電源設計方面能夠都有所深入和長進。Q1：如何來評估一個系統的電源需求Answer：對於一個實際的電子系統，要認真的分析它的電源需求。不僅僅是關心輸入電壓，輸出電壓和電流，還要仔細考慮總的功耗，電源實現的效率，電源部分對負載變化的瞬態響應能力，關鍵器件對電源波動的容忍範圍以及相應的允許的電源紋波，還有散熱問題等等。功耗和效率是密切相關的，效率高了，在負載功耗相同的情況下總功耗就少，對於整個系統的功率預算就非常有利了，對比LDO和開關電源，開關電源的效率要高一些。同時，評估效率不僅僅是看在滿負載的時候電源電路的效率，還要關注輕負載的時候效率水平。至於負載瞬態響應能力，對於一些高性能的CPU應用就會有嚴格的要求，因為當CPU突然開始運行繁重的任務時，需要的啟動電流是很大的，如果電源電路響應速度不夠，造成瞬間電壓下降過多過低，造成CPU運行出錯。一般來說，要求的電源實際值多為標稱值的＋－5%，所以可以據此計算出允許的電源紋波，當然要預留餘量的。散熱問題對於那些大電流電源和LDO來說比較重要，通過計算也是可以評估是否合適的。Q2：如何選擇合適的電源實現電路Answer：根據分析系統需求得出的具體技術指標，可以來選擇合適的電源實現電路了。一般對於弱電部分，包括了LDO（線性電源轉換器），開關電源電容降壓轉換器和開關電源電感電容轉換器。相比之下，LDO設計最易實現，輸出紋波小，但缺點是效率有可能不高，發熱量大，可提供的電流相較開關電源不大等等。而開關電源電路設計靈活，效率高，但紋波大，實現比較複雜，調試比較煩瑣等等。Q3：如何為開關電源電路選擇合適的元器件和參數Answer：很多的未使用過開關電源設計的工程師會對它產生一定的畏懼心理，比如擔心開關電源的干擾問題，PCB layout問題，元器件的參數和類型選擇問題等。其實只要了解了，使用一個開關電源設計還是非常方便的。一個開關電源一般包含有開關電源控制器和輸出兩部分，有些控制器會將MOSFET集成到晶元中去，這樣使用就更簡單了，也簡化了PCB設計，但是設計的靈活性就減少了一些。開關控制器基本上就是一個閉環的反饋控制系統，所以一般都會有一個反饋輸出電壓的採樣電路以及反饋環的控制電路。因此這部分的設計在於保證精確的採樣電路，還有來控制反饋深度，因為如果反饋環響應過慢的話，對瞬態響應能力是會有很多影響的。而輸出部分設計包含了輸出電容，輸出電感以及MOSFET等等，這些的選擇基本上就是要滿足一個性能和成本的平衡，比如高的開關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），但是高的開關頻率會增加干擾和對MOSFET的開關損耗，從而效率降低。使用低的開關頻率帶來的結果則是相反的。對於輸出電容的ESR和MOSFET的Rds_on參數選擇也是非常關鍵的，小的ESR可以減小輸出紋波，但是電容成本會增加，好的電容會貴嘛。開關電源控制器驅動能力也要注意，過多的MOSFET是不能被良好驅動的。一般來說，開關電源控制器的供應商會提供具體的計算公式和使用方案供工程師借鑒的。Q4：如何調試開關電源電路Answer：有一些經驗可以共享給大家1: 電源電路的輸出輸出通過低阻值大功率電阻接到板內，這樣在不焊電阻的情況下可以先做到電源電路的先調試，避開後面電路的影響。2: 一般來說開關控制器是閉環系統，如果輸出惡化的情況超過了閉環可以控制的範圍，開關電源就會工作不正常，所以這種情況就需要認真檢查反饋和採樣電路。特別是如果採用了大ESR值的輸出電容，會產生很多的電源紋波，這也會影響開關電源的工作的。接地技術的討論Q1：為什麼要接地?Answer：接地技術的引入最初是為了防止電力或電子等設備遭雷擊而採取的保護性措施，目的是把雷電產生的雷擊電流通過避雷針引入到大地，從而起到保護建築物的作用。同時，接地也是保護人身安全的一種有效手段，當某種原因引起的相線（如電線絕緣不良，線路老化等）和設備外殼碰觸時，設備的外殼就會有危險電壓產生，由此生成的故障電流就會流經PE線到大地，從而起到保護作用。隨著電子通信和其它數字領域的發展，在接地系統中只考慮防雷和安全已遠遠不能滿足要求了。比如在通信系統中，大量設備之間信號的互連要求各設備都要有一個基準『地』作為信號的參考地。而且隨著電子設備的複雜化，信號頻率越來越高，因此，在接地設計中，信號之間的互擾等電磁兼容問題必須給予特別關注，否則，接地不當就會嚴重影響系統運行的可靠性和穩定性。最近，高速信號的信號迴流技術中也引入了「地」的概念。Q2：接地的定義Answer: 在現代接地概念中、對於線路工程師來說，該術語的含義通常是『線路電壓的參考點』；對於系統設計師來說，它常常是機櫃或機架；對電氣工程師來說，它是綠色安全地線或接到大地的意思。一個比較通用的定義是「接地是電流返回其源的低阻抗通道」。注意要求是」低阻抗」和「通路」。Q3：常見的接地符號Answer: PE,PGND,FG－保護地或機殼；BGND或DC-RETURN－直流－48V(+24V)電源（電池）迴流；GND－工作地；DGND－數字地；AGND－模擬地；LGND－防雷保護地Q4：合適的接地方式Answer: 接地有多種方式，有單點接地，多點接地以及混合類型的接地。而單點接地又分為串聯單點接地和並聯單點接地。一般來說，單點接地用於簡單電路，不同功能模塊之間接地區分，以及低頻（f<1MHz）電子線路。當設計高頻（f>10MHz）電路時就要採用多點接地了或者多層板（完整的地平面層）。Q5：信號迴流和跨分割的介紹Answer：對於一個電子信號來說，它需要尋找一條最低阻抗的電流迴流到地的途徑，所以如何處理這個信號迴流就變得非常的關鍵。第一，根據公式可以知道，輻射強度是和迴路面積成正比的，就是說迴流需要走的路徑越長，形成的環越大，它對外輻射的干擾也越大，所以，PCB布板的時候要儘可能減小電源迴路和信號迴路面積。第二，對於一個高速信號來說，提供有好的信號迴流可以保證它的信號質量，這是因為PCB上傳輸線的特性阻抗一般是以地層（或電源層）為參考來計算的，如果高速線附近有連續的地平面，這樣這條線的阻抗就能保持連續，如果有段線附近沒有了地參考，這樣阻抗就會發生變化，不連續的阻抗從而會影響到信號的完整性。所以，布線的時候要把高速線分配到靠近地平面的層，或者高速線旁邊並行走一兩條地線，起到屏蔽和就近提供迴流的功能。第三，為什麼說布線的時候盡量不要跨電源分割，這也是因為信號跨越了不同電源層後，它的迴流途徑就會很長了，容易受到干擾。當然，不是嚴格要求不能跨越電源分割，對於低速的信號是可以的，因為產生的干擾相比信號可以不予關心。對於高速信號就要認真檢查，盡量不要跨越，可以通過調整電源部分的走線。（這是針對多層板多個電源供應情況說的）Q6：為什麼要將模擬地和數字地分開，如何分開?Answer：模擬信號和數字信號都要迴流到地，因為數字信號變化速度快，從而在數字地上引起的雜訊就會很大，而模擬信號是需要一個乾淨的地參考工作的。如果模擬地和數字地混在一起，雜訊就會影響到模擬信號。一般來說，模擬地和數字地要分開處理，然後通過細的走線連在一起，或者單點接在一起。總的思想是盡量阻隔數字地上的雜訊竄到模擬地上。當然這也不是非常嚴格的要求模擬地和數字地必須分開，如果模擬部分附近的數字地還是很乾凈的話可以合在一起。Q7：單板上的信號如何接地?Answer：對於一般器件來說，就近接地是最好的，採用了擁有完整地平面的多層板設計後，對於一般信號的接地就非常容易了，基本原則是保證走線的連續性，減少過孔數量；靠近地平面或者電源平面，等等。Q8：單板的介面器件如何接地?Answer：有些單板會有對外的輸入輸出介面，比如串口連接器，網口RJ45連接器等等，如果對它們的接地設計得不好也會影響到正常工作，例如網口互連有誤碼，丟包等，並且會成為對外的電磁干擾源，把板內的雜訊向外發送。一般來說會單獨分割出一塊獨立的介面地，與信號地的連接採用細的走線連接，可以串上0歐姆或者小阻值的電阻。細的走線可以用來阻隔信號地上噪音過到介面地上來。同樣的，對介面地和介面電源的濾波也要認真考慮。Q9：帶屏蔽層的電纜線的屏蔽層如何接地?Answer：屏蔽電纜的屏蔽層都要接到單板的介面地上而不是信號地上，這是因為信號地上有各種的雜訊，如果屏蔽層接到了信號地上，雜訊電壓會驅動共模電流沿屏蔽層向外干擾，所以設計不好的電纜線一般都是電磁干擾的最大雜訊輸出源。當然前提是介面地也要非常的乾淨。