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想成为硬件电路工程师,这篇文章不可不读!

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发表于 2018-1-4 01:09 PM | 显示全部楼层 |阅读模式
本京电港论坛文章主要针对那些刚开始或准备开始搞设计硬件电路的工程师,高级别的硬件工程师看这篇文章就没须要了。时光飞逝,离俺最初画第一块电路已有3年。刚刚开始打仗电路板的时候,与你一样,俺充满了疑惑同时又带着些兴奋。在网上许多关于硬件电路的履历、知识让人目不暇接。像信号完整性,EMI,PS设计准会把你搞晕。别急,一切要逐步来。

1)总体思路。设计硬件电路,大的框架和架构要搞清楚,但要做到这一点还真不容易。有些大框架也许自己的老板、老师已经想好,自己只是把思路详细实现;但也有些要自己设计框架的,那就要搞清楚要实现什么功能,然后找找有否能实现同样或相似功能的参考电路板(要懂得只管使用他人的结果,越是有经验的工程师越会懂得鉴戒他人的成果)。

2)明白电路。如果你找到了的参考方案,那么恭喜你,你可以节省许多时间了(包罗前期设计和后期调试)。立刻就copy?NO,照旧先看懂理解了再说,一方面能提高昨们的电路理解能力,而且能制止设计中的错误。

3)没有找到参考设计? 不要紧。先确定大IC芯片,找datasheet,看其关键参数是否符合自己的要求,哪些才是自己需要的关键参数,以及能否看懂这些关键参数,都是硬件工程师的能力的体现,这也需要恒久地慢慢地积累。这期间,要善于提问,因为自己不懂的东西,别人往往一句话就能点醒你,尤其是硬件设计。

4)硬件电路设计主要是三个部门,原理图,pcb ,物料清单(BOM)表。原理图设计就是将前面的思路转化为电路原理图。它很像我们教科书上的电路原理图纸。pcb涉及到实际的电路板,它根据原理图转化而来的网表(网表是沟通原理图和pcb之间的桥梁),而将具体的元器件的封装放置(结构)在电路板上,然后根据飞线(也叫预拉线)毗连其电信号(布线)。完成了pcb布局布线后,要用到哪些元器件应该有所归纳,所以我们将用到BOM表。

5)用什么工具?Protel,也就是altium容易上手,在国内也比力盛行,应付一般的工作已经足够,适合初入门的设计者使用。

其实无论用简朴的protel大概复杂的cadence工具,硬件设计大环节是一样的(protel上的利用类似windwos,是post-command型的;而cadence的产物concept & allegro 是pre-command型的,用惯了protel,突然转向cadence的工具,会不习惯就是这个原因)。设计大环节都要有:1)原理图设计。2)pcb设计。3)制作BOM表。现在扼要谈一下设计流程(步调):

1)原理图库创建。要将一个新元件摆放在原理图上,我们必须得建立改元件的库。库中主要界说了该新元件的管脚定义及其属性,而且以具体的图形形式来代表(我们经常看到的是一个矩形(代表其IC BODY),周围许多短线(代表IC管脚))。protel创建库及其简单,而且因为用的人多,许多元件都能找到现成的库,这一点对使用者极为方便。应搞清楚ic body,ic pins,input pin,output pin, analog pin, digital pin, power pin等区别。

2)有了富足的库之后,就可以在原理图上绘图了,按照datasheet和系统设计的要求,通过wire把相关元件连接起来。在相关的地方添加line和text注释。wire和line的区别在于,前者有电气属性,后者没有。wire适用于连接相同网络,line适用于注释图形。这个时候,应搞清一些根本概念,如:wire,line,bus,part,footprint,等等。

3)做完这一步,我们就可以生成netlist了,这个netlist是原理图与pcb之间的桥梁。原理图是我们能认知的形式,电脑要将其转化为pcb,就必须将原理图转化它认识的形式netlist,然后再处理、转化为pcb。

4)得到netlist,马上画pcb?别急,先做ERC先。ERC是电气规则查抄的缩写。它能对一些原理图基本的设计错误举行排查,如多个output接在一起等问题。(但是一定要仔细检查自己的原理图,不能太过依赖工具,究竟工具并不能明白你的系统,它只是纯粹地根据一些基本规则排查。)

5)从netlist得到了pcb,一堆密密麻麻的元件,和数不清的飞线是不是让你吓了一跳?呵呵,别急还得慢慢来。

6)确定板框巨细。在keepout区(或mechanic区)画个板框,这将限制了你布线的区域。需要根据需求好思量板长,板宽(有时,还得考虑板厚)。固然了,叠层也得考虑好。(叠层的意思就是,板层有几层,怎么应用,好比板总共4层,顶层走信号,中间第一层铺电源,中间第二层铺地,底层走信号)。

先表明一下(2)中的术语。post-command,比方我们要拷贝一个object(元件),我们要先选中这个object,然后按ctrl+C,然后按ctrl+V(copy命令发生在选中object之后)。这种操作windows和protel都接纳的这种方式。但是concept就是别的一种方式,我们叫做pre-command。同样我们要拷贝一个东西,先按ctrl+C,然后再选中object,再在外面单击(copy命令发生在选中object之前)。

1)确定完板框之后,就该元件布局(摆放)了,布局这步极为关键。它往往决定了后期布线的难易。哪些元器件该摆正面,哪些元件该摆反面,都要有所考量。但是这些都是一个仁者见仁,智者见智的问题;从差别角度考虑摆放位置都可以不一样。其实自己画了原理图,明白所有元件功能,自然对元件摆放有清楚的认识(如果让一个不是画原理图的人来摆放元件,其效果往往会让你大吃一惊^_^)。对于初入门的,注意模拟元件,数字元件的隔离,以及呆板位置的摆放,同时注意电源的拓扑就可以了。

2)接下来就是布线。这与布局往往是互动的。有经验的人往往在开始就能看出哪些地方能布线乐成。如果有些地方难以布线还需要改动布局。对于fpga设计来说往往还要改动原理图来使布线更加顺畅。布线和布局问题涉及的因素很多,对于高速数字部分,因为牵扯到信号完整性问题而变得复杂,但往往这些问题又是难以定量或纵然定量也难以盘算的。所以,在信号频率不是很高的情况下,应以布通为第一原则。

3)OK了?别急,用DRC检查检查先。这是一定要检查的。DRC对于布线完成覆盖率以及规则违反的地方都会有所标注,按照这个再一一的排查,修正。

4)有些pcb还要加上敷铜(大概会导致资本增加),将出线部分做成泪滴(工厂也许会帮你加)。最后的pcb文件转成gerber文件就可交付pcb生产了。(有些直接给pcb也成,工厂会帮你转gerber)。

5)要装配pcb,准备bom表吧,一般能直接从原理图中导出。但是需要注意的是,原理图中哪些部分元件该上,哪些部分元件不应上,要做到心理有数。对于小批量或研究板而言,用excel自己管理倒也方便(大公司往往要专业软件来管理)。而对于新手而言,第一个版本,不发起直接交给装配工厂或焊接工厂将bom的料全部焊上,这样未便于排盘问题。最好的方法就是,根据bom表自己准备好元件。比及板来了之后,一步步上元件、调试。。。

谈谈调试

1)拿到板第一步做什么,不要仓促乎乎供电看功能,硬件调试不可能一步调试完成的。先拿万用表看看关键网络是否有不正常,主要是看电源与地之间有否短路(只管生产厂商已经帮你做过测试,这一步还是要自己亲自看看,有时候看起来某些步骤挺繁琐,但是可以节约你背面不少时间!),其实短路与否不但pcb有关,在生产制作的任何一个环节可能导致这个问题,IO短路一般不会造成灾难性的结果,但是电源短路就。。。。。。

2)电源网络没短路?那么好,那就看看电源输出是否是自己理想的值,对于初学者,调试的时候最好IC一件件芯片上,第一个要上的就是电源芯片。

3)电源网络短路了?这个比较贫苦,不外要仔细看看自己原理图是否有可能这样的情况,同时联合割线的方法一步步排查倒底是什么地方短路了,是pcb的问题(一般比较烂的pcb厂就可能出现这种情况),还是装配的问题,还是自己设计的问题。关于检查短路另有一些本事,这在以后登出。。。。。。

3)电源芯片没有输出?检查检查你的电源芯片输入是否正常吧,还需要检查的地方有使能信号,分压电阻,反馈网络。。。。。。

4) 电源芯片输出值不在预料范围?如果凌驾很离谱,比如到了10%,那么看看分压电阻先,这两个分压电阻一般要用1%的精度,这个你做到了没有,同时看看反馈网络吧,这也会影响你的输出电源的范围。

5)电源输出正常了,别高兴,如果有条件的话,拿示波器看看吧,看看电源的输出跳变是否正常。也就是抓取开电的瞬间,看看电源从无到有的情况(至于为什么要看着个,嘿嘿。。。。。。专业人士还是要看的~)

谈谈电源

无疑电源设计是整个电路板最重要的一环。电源不稳定,其他啥都别谈。我想不消balabala述说它毕竟有多么重要了。

在电源设计我们用得最多的场所是,从一个稳定的“高”电压得到一个稳定的“低”电压。这也就是常常说的DC-DC(直流-直流),而直流-直流

中用得最多的电源稳压芯片有两种,一种叫LDO(低压差线性稳压器,我们后面说的线性稳压电源,也是指它),另一种叫PWM(脉宽调制开关电

源,我们在本文也称它开关电源)。我们常常听到PWM的效率高,但是LDO的响应快,这是为什么呢?别着急,先让我们看看它们的原理。

下面会涉及一些理论知识,但是依然非常浅显易懂,如果你不懂,嘿嘿,得检查一下自己的底子了。

一、线性稳压电源的工作原理

如图是线性稳压电源内部布局的简单示意图。我们的目的是从高电压Vs得到低电压Vo。在图中,Vo颠末两个分压电阻分压得到V+,V+被送入放大器(我们把这个放大器叫做误差放大器)的正端,而放大器的负端Vref是电源内部的参考电平(这个参考电平是恒定的)。放大器的输出Va连接到MOSFET的栅极来控制MOSFET的阻抗。Va变大时,MOSFET的阻抗变大;Va变小时,MOSFET的阻抗变小。MOSFET上的压降将是Vs-Vo。


现在我们来看Vo是怎么稳定的,假设Vo变小,那么V+将变小,放大器的输出Va也将变小,这将导致MOSFET的阻抗变小,这样经过同样的电流,MOSFET的压差将变小,于是将Vo上抬来抑制Vo的变小。同理,Vo变大,V+变大,Va变大,MOSFET的阻抗变大,经过同样的电流,MOSFET的压差变大,于是抑制Vo变大。

二、开关电源的工作原理


如上图,为了从高电压Vs得到Vo,开关电源采用了用一定占空比的方波Vg1,Vg2推动上下MOS管,Vg1和Vg2是反相的,Vg1为高,Vg2为低;上MOS管打开时,下MOS管关闭;下MOS管打开时,上MOS管关闭。由此在L左端形成了一定占空比的方波电压,电感L和电容C我们可以看作是低通滤波器,因此方波电压经过滤波后就得到了滤波后的稳定电压Vo。Vo经过R1、R2分压后送入第一个放大器(误差放大器)的负端V+,误差放大器的输出Va做为第二个放大器(PWM放大器)的正端,PWM放大器的输出Vpwm是一个有一定占空比的方波,经过门逻辑电路处理得到两个反相的方波Vg1、Vg2来控制MOSFET的开关。

三、线性稳压电源和开关电源的比较

懂得了线性稳压电源和开关电源的工作原理之后,我们就可以明白为什么线性稳压电源有较小的噪声,较快的瞬态响应,但是效率差;而开关电源噪声较大,瞬态响应较慢,但效率高了。

线性稳压电源内部结构简单,反馈环路短,因此噪声小,而且瞬态响应快(当输出电压厘革时,赔偿快)。但是因为输入和输出的压差全部落在了MOSFET上,所以它的效率低。因此,线性稳压一般用在小电流,对电压精度要求高的应用上。

而开关电源,内部结构复杂,影响输出电压噪声性能的因数很多,且其反馈环路长,因此其噪声性能低于线性稳压电源,且瞬态响应慢。但是根据开关电源的结构,MOSFET处于完全开和完全关两种状态,除了驱动MOSFET,和MOSFET自己内阻消耗的能量之外,其他能量被全部用在了输出(理论上L、C是不耗能量的,尽管实际并非如此,但这些消耗的能量很小)。

先写part 8,待到图片能上传再添补 part 6,7做为形貌开关电源原理,以及LDO与开关电源比较之用。

这一部分澄清高速信号认识的一些误区。
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