硬件工程師必須掌握的技能總結

1 充分了解各方的設計需求，確定合適的解決方案

啟動(dòng)一個(gè)硬件開(kāi)發(fā)項目，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)系統架構的需要，應用軟件部門(mén)的功能實(shí)現需要，提高系統某方面能力的需要等等，所以作為一個(gè)硬件系統的設計者，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項目的原始推動(dòng)力來(lái)自于公司內部的一個(gè)高層軟件小組，他們在實(shí)際當中發(fā)現原有的處理器板IP轉發(fā)能力不能滿(mǎn)足要求，從而對于系統的配置和使用都會(huì )造成很大的不便，所以他們提出了對新硬件的需求。根據這個(gè)目標，硬件方案中就針對性的選用了兩個(gè)高性能網(wǎng)絡(luò )處理器，然后還需要深入的和軟件設計者交流，以確定內存大小，內部結構，對外接口和調試接口的數量及類(lèi)型等等細節，比如軟件人員喜歡將控制信令通路和數據通路完全分開(kāi)來(lái)，這樣在確定內部數據走向的時(shí)候要慎重考慮。項目開(kāi)始之初是需要召開(kāi)很多的討論會(huì )議的，應該盡量邀請所有相關(guān)部門(mén)來(lái)參與，好處有三個(gè)，第一可以充分了解大家的需要，以免在系統設計上遺漏重要的功能，第二是可以讓各個(gè)部門(mén)了解這個(gè)項目的情況，提早做好時(shí)間和人員上協(xié)作的準備，第三是從感情方面講，在設計之初各個(gè)部門(mén)就參與了進(jìn)來(lái)，這個(gè)項目就變成了大家共同的一個(gè)心血結晶，會(huì )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(wèn)題

原理圖設計中要有“拿來(lái)主義”，現在的芯片廠(chǎng)家一般都可以提供參考設計的原理圖，所以要盡量的借助這些資源，在充分理解參考設計的基礎上，做一些自己的發(fā)揮。當主要的芯片選定以后，最關(guān)鍵的外圍設計包括了電源，時(shí)鐘和芯片間的互連。

電源是保證硬件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(chǎn)生的電源輸出；各個(gè)電源需要提供的電流大??；電源電路效率；各個(gè)電源能夠允許的波動(dòng)范圍；整個(gè)電源系統需要的上電順序等等。比如A項目中的網(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，根據這些要求，設計中采用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，加入了遠端反饋的功能。

時(shí)鐘電路的實(shí)現要考慮到目標電路的抖動(dòng)等要求，A項目中用到了GE的PHY器件，剛開(kāi)始的時(shí)候使用一個(gè)內部帶鎖相環(huán)的零延時(shí)時(shí)鐘分配芯片提供100MHz時(shí)鐘，結果GE鏈路上出現了丟包，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)就是內部的鎖相環(huán)引入了抖動(dòng)。

芯片之間的互連要保證數據的無(wú)誤傳輸，在這方面，高速的差分信號線(xiàn)具有速率高，好布線(xiàn)，信號完整性好等特點(diǎn)，A項目中的多芯片間互連均采用了高速差分信號線(xiàn)，在調試和測試中沒(méi)有出現問(wèn)題。

3 PCB設計中要注意的問(wèn)題

PCB設計中要做到目的明確，對于重要的信號線(xiàn)要非常嚴格的要求布線(xiàn)的長(cháng)度和處理地環(huán)路，而對于低速和不重要的信號線(xiàn)就可以放在稍低的布線(xiàn)優(yōu)先級上。重要的部分包括：電源的分割；內存的時(shí)鐘線(xiàn)，控制線(xiàn)和數據線(xiàn)的長(cháng)度要求；高速差分線(xiàn)的布線(xiàn)等等。

A項目中使用內存芯片實(shí)現了1G大小的DDR memory，針對這個(gè)部分的布線(xiàn)是非常關(guān)鍵的，要考慮到控制線(xiàn)和地址線(xiàn)的拓撲分布，數據線(xiàn)和時(shí)鐘線(xiàn)的長(cháng)度差別控制等方面，在實(shí)現的過(guò)程中，根據芯片的數據手冊和實(shí)際的工作頻率可以得出具體的布線(xiàn)規則要求，比如同一組內的數據線(xiàn)長(cháng)度相差不能超過(guò)多少個(gè)mil，每個(gè)通路之間的長(cháng)度相差不能超過(guò)多少個(gè)mil等等。當這些要求確定后就可以明確要求PCB設計人員來(lái)實(shí)現了，如果設計中所有的重要布線(xiàn)要求都明確了，可以轉換成整體的布線(xiàn)約束，利用CAD中的自動(dòng)布線(xiàn)工具軟件來(lái)實(shí)現PCB設計，這也是在高速PCB設計中的一個(gè)發(fā)展趨勢。

4 檢查和調試

當準備調試一塊板的時(shí)候，一定要先認真的做好目視檢查，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放置錯誤，第一腳放置錯誤，漏裝配等問(wèn)題，然后用萬(wàn)用表測量各個(gè)電源到地的電阻，以檢查是否有短路，這個(gè)好習慣可以避免貿然上電后損壞單板。調試的過(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，要堅信“凡事都是有辦法解決的”和“問(wèn)題出現一定有它的原因”，這樣最后一定能調試成功。

5 一些總結的話(huà)

現在從技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，每個(gè)設計最終都可以做出來(lái)，但是一個(gè)項目的成功與否，不僅僅取決于技術(shù)上的實(shí)現，還與完成的時(shí)間，產(chǎn)品的質(zhì)量，團隊的配合密切相關(guān)，所以良好的團隊協(xié)作，透明坦誠的項目溝通，精細周密的研發(fā)安排，充裕的物料和人員安排，這樣才能保證一個(gè)項目的成功。

一個(gè)好的硬件工程師實(shí)際上就是一個(gè)項目經(jīng)理，他/她需要從外界交流獲取對自己設計的需求，然后匯總，分析成具體的硬件實(shí)現。還要跟眾多的芯片和方案供應商聯(lián)系，從中挑選出合適的方案，當原理圖完成后，他/她要組織同事來(lái)進(jìn)行配合評審和檢查，還要和CAD工程師一起工作來(lái)完成PCB的設計。與此同時(shí)，還要準備好BOM清單，開(kāi)始采購和準備物料，聯(lián)系加工廠(chǎng)家完成板的貼裝。在調試的過(guò)程中他/她要組織好軟件工程師來(lái)一起攻關(guān)調試，配合測試工程師一起解決測試中發(fā)現的問(wèn)題，等到產(chǎn)品推出到現場(chǎng)，如果出現問(wèn)題，還需要做到及時(shí)的支持。所以做一個(gè)硬件設計人員要鍛煉出良好的溝通能力，面對壓力的調節能力，同一時(shí)間處理多個(gè)事務(wù)的協(xié)調和決斷能力和良好平和的心態(tài)等等。

還有細心和認真，因為硬件設計上的一個(gè)小疏忽往往就會(huì )造成非常大的經(jīng)濟損失，比如以前碰到一塊板在PCB設計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(xiàn)貼裝，到測試的時(shí)候才發(fā)現短路問(wèn)題，但是元器件已經(jīng)都焊接到板上了，結果造成了幾十萬(wàn)的損失。所以細心和認真的檢查，負責任的測試，不懈的學(xué)習和積累，才能使得一個(gè)硬件設計人員持續不斷的進(jìn)步，而后術(shù)業(yè)有所小成。

對于現在一個(gè)電子系統來(lái)說(shuō)，電源部分的設計也越來(lái)越重要，我想通過(guò)和大家探討一些自己關(guān)于電源設計的心得，來(lái)個(gè)拋磚引玉，讓我們在電源設計方面能夠都有所深入和長(cháng)進(jìn)。

Q1：如何來(lái)評估一個(gè)系統的電源需求

Answer：對于一個(gè)實(shí)際的電子系統，要認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，還要仔細考慮總的功耗，電源實(shí)現的效率，電源部分對負載變化的瞬態(tài)響應能力，關(guān)鍵器件對電源波動(dòng)的容忍范圍以及相應的允許的電源紋波，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，在負載功耗相同的情況下總功耗就少，對于整個(gè)系統的功率預算就非常有利了，對比LDO和開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源的效率要高一些。同時(shí)，評估效率不僅僅是看在滿(mǎn)負載的時(shí)候電源電路的效率，還要關(guān)注輕負載的時(shí)候效率水平。

至于負載瞬態(tài)響應能力，對于一些高性能的CPU應用就會(huì )有嚴格的要求，因為當CPU突然開(kāi)始運行繁重的任務(wù)時(shí)，需要的啟動(dòng)電流是很大的，如果電源電路響應速度不夠，造成瞬間電壓下降過(guò)多過(guò)低，造成CPU運行出錯。

一般來(lái)說(shuō)，要求的電源實(shí)際值多為標稱(chēng)值的＋－5%，所以可以據此計算出允許的電源紋波，當然要預留余量的。散熱問(wèn)題對于那些大電流電源和LDO來(lái)說(shuō)比較重要，通過(guò)計算也是可以評估是否合適的。

Q2：如何選擇合適的電源實(shí)現電路

Answer：根據分析系統需求得出的具體技術(shù)指標，可以來(lái)選擇合適的電源實(shí)現電路了。一般對于弱電部分，包括了LDO（線(xiàn)性電源轉換器），開(kāi)關(guān)電源電容降壓轉換器和開(kāi)關(guān)電源電感電容轉換器。相比之下，LDO設計最易實(shí)現，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)電源電路設計靈活，效率高，但紋波大，實(shí)現比較復雜，調試比較煩瑣等等。

Q3：如何為開(kāi)關(guān)電源電路選擇合適的元器件和參數

Answer：很多的未使用過(guò)開(kāi)關(guān)電源設計的工程師會(huì )對它產(chǎn)生一定的畏懼心理，比如擔心開(kāi)關(guān)電源的干擾問(wèn)題，PCB layout問(wèn)題，元器件的參數和類(lèi)型選擇問(wèn)題等。其實(shí)只要了解了，使用一個(gè)開(kāi)關(guān)電源設計還是非常方便的。

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設計，但是設計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，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。因此這部分的設計在于保證精確的采樣電路，還有來(lái)控制反饋深度，因為如果反饋環(huán)響應過(guò)慢的話(huà)，對瞬態(tài)響應能力是會(huì )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(mǎn)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(zhù)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)的結果則是相反的。

對于輸出電容的ESR和MOSFET的Rds_on參數選擇也是非常關(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)電源控制器驅動(dòng)能力也要注意，過(guò)多的MOSFET是不能被良好驅動(dòng)的。

一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源控制器的供應商會(huì )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(kāi)關(guān)電源電路

Answer：有一些經(jīng)驗可以共享給大家

1: 電源電路的輸出輸出通過(guò)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(kāi)后面電路的影響。

2: 一般來(lái)說(shuō)開(kāi)關(guān)控制器是閉環(huán)系統，如果輸出惡化的情況超過(guò)了閉環(huán)可以控制的范圍，開(kāi)關(guān)電源就會(huì )工作不正常，所以這種情況就需要認真檢查反饋和采樣電路。特別是如果采用了大ESR值的輸出電容，會(huì )產(chǎn)生很多的電源紋波，這也會(huì )影響開(kāi)關(guān)電源的工作的。

接地技術(shù)的討論

Q1：為什么要接地?

Answer：接地技術(shù)的引入最初是為了防止電力或電子等設備遭雷擊而采取的保護性措施，目的是把雷電產(chǎn)生的雷擊電流通過(guò)避雷針引入到大地，從而起到保護建筑物的作用。同時(shí)，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(xiàn)（如電線(xiàn)絕緣不良，線(xiàn)路老化等）和設備外殼碰觸時(shí)，設備的外殼就會(huì )有危險電壓產(chǎn)生，由此生成的故障電流就會(huì )流經(jīng)PE線(xiàn)到大地，從而起到保護作用。隨著(zhù)電子通信和其它數字領(lǐng)域的發(fā)展，在接地系統中只考慮防雷和安全已遠遠不能滿(mǎn)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(gè)基準‘地’作為信號的參考地。而且隨著(zhù)電子設備的復雜化，信號頻率越來(lái)越高，因此，在接地設計中，信號之間的互擾等電磁兼容問(wèn)題必須給予特別關(guān)注，否則，接地不當就會(huì )嚴重影響系統運行的可靠性和穩定性。最近，高速信號的信號回流技術(shù)中也引入了“地”的概念

Q2：接地的定義

Answer: 在現代接地概念中、對于線(xiàn)路工程師來(lái)說(shuō)，該術(shù)語(yǔ)的含義通常是‘線(xiàn)路電壓的參考點(diǎn)’；對于系統設計師來(lái)說(shuō)，它常常是機柜或機架；對電氣工程師來(lái)說(shuō)，它是綠色安全地線(xiàn)或接到大地的意思。一個(gè)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(jiàn)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）回流；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(diǎn)接地，多點(diǎn)接地以及混合類(lèi)型的接地。而單點(diǎn)接地又分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地。一般來(lái)說(shuō)，單點(diǎn)接地用于簡(jiǎn)單電路，不同功能模塊之間接地區分，以及低頻（f1MHz）電子線(xiàn)路。當設計高頻（f>10MHz）電路時(shí)就要采用多點(diǎn)接地了或者多層板（完整的地平面層）。

Q5：信號回流和跨分割的介紹

Answer：對于一個(gè)電子信號來(lái)說(shuō)，它需要尋找一條最低阻抗的電流回流到地的途徑，所以如何處理這個(gè)信號回流就變得非常的關(guān)鍵。

第一，根據公式可以知道，輻射強度是和回路面積成正比的，就是說(shuō)回流需要走的路徑越長(cháng)，形成的環(huán)越大，它對外輻射的干擾也越大，所以，PCB布板的時(shí)候要盡可能減小電源回路和信號回路面積。

第二，對于一個(gè)高速信號來(lái)說(shuō)，提供有好的信號回流可以保證它的信號質(zhì)量，這是因為PCB上傳輸線(xiàn)的特性阻抗一般是以地層（或電源層）為參考來(lái)計算的，如果高速線(xiàn)附近有連續的地平面，這樣這條線(xiàn)的阻抗就能保持連續，如果有段線(xiàn)附近沒(méi)有了地參考，這樣阻抗就會(huì )發(fā)生變化，不連續的阻抗從而會(huì )影響到信號的完整性。所以，布線(xiàn)的時(shí)候要把高速線(xiàn)分配到靠近地平面的層，或者高速線(xiàn)旁邊并行走一兩條地線(xiàn)，起到屏蔽和就近提供回流的功能。

第三，為什么說(shuō)布線(xiàn)的時(shí)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后，它的回流途徑就會(huì )很長(cháng)了，容易受到干擾。當然，不是嚴格要求不能跨越電源分割，對于低速的信號是可以的，因為產(chǎn)生的干擾相比信號可以不予關(guān)心。對于高速信號就要認真檢查，盡量不要跨越，可以通過(guò)調整電源部分的走線(xiàn)。（這是針對多層板多個(gè)電源供應情況說(shuō)的）

Q6：為什么要將模擬地和數字地分開(kāi)，如何分開(kāi)?

Answer：模擬信號和數字信號都要回流到地，因為數字信號變化速度快，從而在數字地上引起的噪聲就會(huì )很大，而模擬信號是需要一個(gè)干凈的地參考工作的。如果模擬地和數字地混在一起，噪聲就會(huì )影響到模擬信號。

一般來(lái)說(shuō)，模擬地和數字地要分開(kāi)處理，然后通過(guò)細的走線(xiàn)連在一起，或者單點(diǎn)接在一起?？偟乃枷胧潜M量阻隔數字地上的噪聲竄到模擬地上。當然這也不是非常嚴格的要求模擬地和數字地必須分開(kāi)，如果模擬部分附近的數字地還是很干凈的話(huà)可以合在一起。

Q7：?jiǎn)伟迳系男盘柸绾谓拥?

Answer：對于一般器件來(lái)說(shuō)，就近接地是最好的，采用了擁有完整地平面的多層板設計后，對于一般信號的接地就非常容易了，基本原則是保證走線(xiàn)的連續性，減少過(guò)孔數量；靠近地平面或者電源平面，等等。

Q8：?jiǎn)伟宓慕涌谄骷绾谓拥?

Answer：有些單板會(huì )有對外的輸入輸出接口，比如串口連接器，網(wǎng)口RJ45連接器等等，如果對它們的接地設計得不好也會(huì )影響到正常工作，例如網(wǎng)口互連有誤碼，丟包等，并且會(huì )成為對外的電磁干擾源，把板內的噪聲向外發(fā)送。一般來(lái)說(shuō)會(huì )單獨分割出一塊獨立的接口地，與信號地的連接采用細的走線(xiàn)連接，可以串上0歐姆或者小阻值的電阻。細的走線(xiàn)可以用來(lái)阻隔信號地上噪音過(guò)到接口地上來(lái)。同樣的，對接口地和接口電源的濾波也要認真考慮。

Q9：帶屏蔽層的電纜線(xiàn)的屏蔽層如何接地?

Answer：屏蔽電纜的屏蔽層都要接到單板的接口地上而不是信號地上，這是因為信號地上有各種的噪聲，如果屏蔽層接到了信號地上，噪聲電壓會(huì )驅動(dòng)共模電流沿屏蔽層向外干擾，所以設計不好的電纜線(xiàn)一般都是電磁干擾的最大噪聲輸出源。當然前提是接口地也要非常的干凈。