电子技术（十七）——硬件设计

mengmianren

一、需求导入


1.市场需求导入

项目名称

项目背景

重要时间点

项目预期目标

2.设计需求导入

环境说明：工作环境，供电环境

标准说明：电磁兼容设计规范，电气部分规范，PCB设计参考规范等

功能需求：信号采集与滤波模块；通信模块；MCU模块；电源魔魁啊；驱动模块；诊断模块等

电气说明：电气接口；功能接口；系统供电；传感器

DV测试需求：环境测试；电性能测试；EMC测试等

二、硬件方案


设计人明确所设计产品的总体需求情况和基本性能指标，比如包括主控芯片的MCU的运算速度和时钟频率、存储类器件的种类和资源、外设种类和输入输出电平的要求、I/O端口和通讯端口接口的位置和硬件配置、特殊电路的设计、特殊工艺说明等等。根据《产品需求说明书》分析制定硬件总体设计方案，寻求关键元器件的性能的技术资料、技术支持、技术途径。在总体设计方案的基础上需要比较充分的考虑技术的可行性、可靠性和成本的控制，并对开发调试工具提出明确的要求、关键元器件索取样品。

并对硬件方案的元器件进行供应商查询，了解价格、供货周期，是否满足开发需求。

三、原理图设计


1.分模块



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MCU：电源【供电电源+模拟电源】；下载模块；晶振；引脚

电源：12->5 or 其他；防反接【二极管】；防浪涌【TVS管】，去噪【并电容，PI型滤波】

信号：去噪，模数转换

通信：CAN；LIN

驱动：基础电路；MOS；蓄流；防反接；

检测：按要求进行

分模块进行绘制，按照基础需求进行，参照数据手册设计，传承量产电路图经验。

2.标注关键参数



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如上图，标注了最大输出电流，这样可以方便别人修改电路的时候，知道电源能不能带得起负载。也可以写其它参数，如：输入电压范围，适用的温度范围，甚至是数字电路中的真值表等。【来源：队长-Leader 原理图设计规范】

3.基础元器件注释

电阻。

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如上图所示，每个电阻都写上阻值、精度。针对大功率电阻，也可以写上功率，要视具体情况灵活变通。一般对于开关电源上的采样电阻以及运放电路上的电阻得用1%精度，上下拉电阻可以使用5%精度。PS：这里的阻值不建议写成102，要直接写成1K。尽量不要让别人去做这个换算，或者人家也不会算。【来源：队长-Leader 原理图设计规范】

电容

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如上图所示，每个电容都写上了容值和耐压。针对高精度电容，也可以写上精度，或者是材质。如：瓷片电容的材质有X7R、Y5V、NP0等。PS：这里的容值不建议写成105，要直接写成1uF。【来源：队长-Leader 原理图设计规范】

电感

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如上图所示，每个电感都写上电感值和饱和电流。

磁珠

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如上图所示，每个磁珠都写上阻值和对应的频率。

其它元件

其它元件也是和电阻、电容等类似，如：晶振8MHz 50ppm等

4.可维修性



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如上图所示，增加L1电感，以便维修时可以断开，更容易排查故障。这里可以使用电感、磁珠或者0R电阻，视具体情况而定。但是也有特殊情况，如果负载特别大，需要的串入的元件功率很大，成本增加太多，也是划不来的，这时，可以不加。如果后面接的是QFP64封装之类芯片，功率又比较小，可以串入元件，因为QFP焊接不良的情况会比较多。【来源：队长-Leader 原理图设计规范】

5.BOM表归一化



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BOM表就是物料清单，尽量让物料的种类少一些，可以让采购员减少工作量，也会在生产上减少很多问题。这里有两个上拉电阻，一个4.7K，一个10K，如果这个阻值影响不大的话，可以把它们都合并为10K。去耦电容也是雷同的操作。

6.电源和地的符号



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如上图所示。对于双电源系统来说，要在电源符号上写上正负号，单电源系统可以只写正号。但是千万不要用VCC，不然别人看的时候还要观察一下是几V供电的。



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如上图所示，只有一个地平面，则用GND。有数字地和模拟地，则用AGND、DGND。也有一些系统还有视频地、音频地等，也要用不同的符号。注意：不要把GND这些网络名给隐藏掉了，会容易出问题。【来源：队长-Leader 原理图设计规范】

7.测试点



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如上图所示，增加了测试点。测试点也就是一个圆形的pad，裸铜的。在一些QFP、BGA、QFN封装的芯片，有的引脚很难用示波器测量，这时可以增加测试点，方便操作。

8.网络标号



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如上图所示，PC7、PC6是接OLED12864的IIC接口。这里的网络标号增加OLED前缀，以减少网络标号的冲突，也增加了可读性。同理，接温度传感器的网络可以写DS18B20_DATA，网络标号上增加了元件名。其它的芯片也是一样的操作。所有的网络标号均使用大写字母。

9.容错性



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在设计初期或是不经意，或是工期太赶，就没有那么多时间去研究电路上的接法是否正确。这时可以使用一些预留的电路，来提高整板的容错性。如上图所示，假设工程师还不确定是RX对TX还是RX对TX时，可以使用四个电阻来实现这两种接法。（NC为不接）焊上R11和R14，不焊R12和R13时，是RX对RX，TX对TX的接法。不焊R11和R14，焊上R12和R13时，是RX对TX，TX对RX的接法。当调试通过后，再把这四个电阻去掉，并连上正确的接法。这样既能保证工期，又不会出错。如果一个板子，不太确定用STM32的F103还是F407，此时，可以做成兼容设计。【来源：队长-Leader 原理图设计规范】

10.NC、NF

原理图上常常出现NC和NF两种字符，如下图所示，是不接、不焊的意思。



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NC=Not connect 不接。

NF=Not Fix 不安装。

当然，NC也可以表示为normal close常闭，在继电器、接触器上用的多。

要视具体情况来辨认。

11.版本变更

版本变更做好说明，并标注

12.悬空引脚



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悬空引脚也要画上X。

13.可扩展性

预留引脚电路，支持后期扩展

14.信号流向



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一些模拟电路，需要标明信号的流向

15.PCB走线建议



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绘制的一个

四、PCB设计


1.整体布局原则

首先放置安装孔、接插件等需要定位的器件，并将这类元件设置为不可移动的属性

遵循“先大后小，先易后难”的布置原则，即重要的单元电路、核心元器件应当优先布局。

按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局，对于相同结构电路部分，尽可能采用“对称式”标准布局，晶体、晶振靠近相关器件放置、多负载应平衡放置。

布局中应参考原理图逻辑图，根据单板电路功能和主信号流向规律安排主要元器件，实现同一功能的元器件放在同一区域，元器件摆放次序应与原理图信号流向一致。

所有器件应放置在板面，另外布局应尽量满足总的连线尽可能的短，关键信号线最短；高电压、大电流信号与小电流，低电流的弱信号完全分开；模拟信号与数字信号分开；高频信号与低频信号分开；高频元器件的间隔要充分；高温发热器件要远离其他器件进行放置。

除了接口器件等特殊需要外，其他器件本体都不能超出PCB边缘，满足引脚焊盘边缘（或器件本体）距离传送边≥5mm的要求。

器件布局栅格的设置，一般IC器件布局是，栅格应为50--100mil，小型表面安装器件，如表面贴装元件布局时，栅格设置应不少于25mil。

布局时需要考虑走线和铺铜过程中可能会出现的死区和孤岛。

2.局部布局原则

根据结构要素图，放置接插件、安装孔、指示灯等需要定位的器件，并给这些器件赋予不可移动属性，并进行尺寸标注。

同类型插装元器件在X或Y方向上应朝一个方向放置。同一种类型的有极性分立元件也要力争在X或Y方向上保持一致，便于生产和检验。

元器件的排列要便于调试和维修，高度>=10mm器件周围3mm内不能放置矮小器件。

有极性插装器件第一脚为方焊盘，芯片及其他元器件第一脚也必须为方焊盘。

元件布局时，应适当考虑让使用同一种电源的器件，尽量放在一起，以便于将来电源分隔。

BGA与相邻元件的距离大于5mm，IC大于2mm；贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm；有压接件的PCB，压接的接插件周围5mm内不能有插装元器件，在焊接面其周围5mm内也不能有贴装元器件。

IC去耦电容的布局要尽量靠近IC的电源管脚，并使之与电源和地之间形成的回路最短，另外模拟元器件的模拟地不允许接数字地，数字地的接地端不允许接模拟地。

可调元件的布局应便于调节，如跳线、按键开关、冗余阻容件等。

所有反馈元器件必须放近运算放大器，运算放大器与其他模块中的去耦电容必须非常接近POWER PIN，该部分的电容布局有优先级要高于电阻的布局。