硬件电路设计流程与方法

2022-03-21 08:27:21 | 浏览次数：

【摘要】硬件电路是电路系统的重要组成部分，硬件电路设计是否合理直接影响电路系统的性能。本文从分析硬件电路设计的各个阶段入手，阐述了设计硬件电路的一般流程与方法，指出了其中应注意的问题及解决方法，对硬件设计具有一定的实用意义。

【关键词】硬件电路;原理图设计;PCB设计;设计需求

Abstract：Hardware is an important part of the circuit system.The rationality of the hardware circuit design will influence the performance of the system.This paper elaborates the processes and methods of hardware circuit design starting from anglicizing the Design process of hardware circuit，and points out the problems and solutions in the design process.It has the practical significance for hardware circuit design.

Keywords：Hardware circuit;Schematic design;PCB design;The design requirements

前言

随着集成电路设计与制造技术的不断发展，电路系统的功能越来越强大，组成却越来越简单，软件设计的重要性逐渐提高，但硬件电路设计的重要性不容忽视。软件设计得再完美，若硬件电路设计不合理，系统的性能将大打折扣，严重时甚至不能正常工作。

硬件电路的设计一般分为设计需求分析、原理图设计、PCB设计、工艺文件处理等几个阶段，本文主要阐述各阶段的设计流程与方法。

1.设计需求分析

硬件电路的设计需求是基于项目或控制平台的系统需求，设计需求的合理分析是选用电路核心元器件及其典型电路的关键。硬件电路的通用设计需求有应用环境、面积/体积限制、电源、功耗等，此外功能不同电路需求也不同。以某控制平台典型电路为例，设计前必须关注的需求如表1所示。

表1 某控制平台典型电路的设计需求

典型电路设计需求

主控制电路 I/O口数量、数据宽度、通讯方式、电源等

数字量输入电路输入点数、额定输入电压、输入电流、噪声容限、是否隔离、隔离电压等

数字量输出电路输出点数、额定负载电压、输出类型、输出节点容量等

模拟量输入电路输入类型与等级、精度要求、频率等级、输出类型等

模拟量输出电路输入位数、精度要求、输出类型、驱动能力等

光纤输入电路传输带宽、频率、输出接口类型、逻辑关系等

光纤输出电路输入接口类型、频率、传输带宽、输出接口类型、逻辑关系等

脉冲功率放大电路逻辑关系、驱动电源、驱动能力等

通讯电路通讯接口、通讯协议、传输速率、ESD能力等

2.原理图设计

原理图设计是硬件电路设计的核心，合适的器件选型、必要的计算分析以进行参数搭配、仿真工具的运用与验证等是其常用工作流程，最终通过绘制原理图将这些技术用图形化语言表达出来。

2.1 元器件选型

元器件的选型是原理图设计过程中的一个重要环节。元器件是否合理、优质选用，将直接影响整个硬件电路的性能和可靠性，也关系到产品后期的使用与维护。

在选用元器件时，应根据电路功能要求确定元器件的关键参数，表2中给出了常用元器件选型时需要关注的参数，此外还应考虑元器件工作的可靠性、成本、供货周期等因素。

表2 常用元器件的关键参数

常用元器件关注的参数

电阻阻值、功率、误差、裕量等

电容容量、耐压值、工作频率、裕量等

发光二极管正向电流、光体颜色、正向压降等

稳压二极管稳压值、稳定电流、精度、功率等

AD芯片位数、采样速率、单/双极性、带宽、管脚定义、电源、串/并行、封装、典型电路等

晶振频率范围、电源电压、工作电压、封装等

电源模块输入/输出类型、输出功率、稳压系数等

数字IC 电源电压、逻辑关系、噪声容限等

传感器输入/输出类型、精度、线性度等

存储器电源电压、存储容量、最大时钟频率、访问速度、擦写次数、接口电路等

CPLD 电源电压、逻辑单元数、管脚数、最大时钟频率、接口电路等

MCU或DSP I/O口数量、片内ROM和RAM类型及大小、片上外设类型及数量、体积、功耗等

2.2 绘制原理图

在确定好元器件型号后，就可使用EDA工具软件绘制电路原理图。在绘制过程中应该注意以下问题：

（1）对于初次使用的元器件，一定要查看元器件手册，弄清楚其关键参数、封装、推荐电路等。

（2）尽量使用或借鉴成熟电路，对于不成熟电路要多测试。

（3）按照信号流向绘制原理图。对于复杂电路，可根据功能模块分多张sheet绘制，并给出必要的文字说明。

（4）网络名称的命名尽量遵循信号的含义，以增加原理图的可读性。

（5）综合考虑PCB性能和加工的效率选择电路加工流程。因为少一个工艺流程，可以有效缩短硬件电路的加工时间。加工工艺的优选顺序为：元器件面单面贴装﹥元器件面贴、插混装﹥双面贴装﹥元器件面贴插混装、焊接面贴装。

（6）原理图绘制完成后要编译。这样可以检查出很多问题，如缺少网络标号、信号源属性错误等。

（7）在原理图编译通过后，需要生成网络表。这是原理图到PCB的一个必要环节，如果原理图存在错误，网络表是无法成功导入PCB中的。

3.PCB设计

PCB设计是以电路原理图为依据实现硬件电路的功能，此外还应满足可生产性、可测试性、安规、EMC、EMI等技术规范要求，以构建产品的工艺、技术、质量和成本优势。

3.1 制作物理边框

封闭的物理边框是PCB设计的基本平台，对后续的自动布局和布线起着约束作用。绘制物理边框时一定要精确，以免出现安装问题。使用圆弧边框可以减少应力导致PCB板断裂的现象，也能避免尖脚划伤人员。

3.2 引入元器件和网络

引入元器件和网络是将原理图中的元器件和网络等信息引入到物理边框内，为布局和布线做准备。在更新PCB之前，应确认原理图中与PCB关联的所有元器件的封装库均可用。

3.3 元器件布局

元器件的布局与布线对产品的寿命、稳定性、电磁兼容等都有很大的影响。布局常用的规则有：

（1）元器件的放置顺序。先放置与电路结构有关的需固定位置的元器件，如电源插座、指示灯、开关、连接件等，最好将其位置锁定，以免被误移动;再放置电路中的特殊元器件，如发热元件、大体积元件、IC等;最后放置小元件。

（2）元器件的安放位置。首先应考虑特殊元器件的安放位置，例如发热元件要尽量靠边放置以便散热，且不宜集中放置，并远离电解电容;去耦电容要尽量靠近IC的电源管脚，并力求与电源和地之间形成的回路最短。其次应考虑信号的隔离问题，例如高电压、大电流的强信号与低电压、小电流的弱信号应完全分开;模拟信号与数字信号分开;高频信号与低频信号分开等。非特殊元器件的布局应使总的连线尽可能短，关键信号线最短。结构相同的电路可采用对称式设计以提高设计效率、减小出错率，并节省调试时电路的辨识时间。布局应留有足够的工艺边，以免干涉PCB板的正常传送。

（3）元器件的放置方向。在设计许可的条件下，同类元器件应按相同方向排列，相同封装的元器件等距离放置，以便元件贴装、焊接、测试和返修。

3.4 电路板布线

合理的布线可以有效减少外部环境对信号的干扰以及各种内部信号之间的相互干扰，提高设备运行的可靠性，同时也便于查找故障原因和维护工作，提高产品的可用性。布线常用的规则有：

（1）布线的位置。布线应尽量走在焊接面;模拟部分和数字部分的地和电源应分开布线;大电流、高电压信号与小信号之间应注意隔离;尽量少用过孔、跳线;布线也应留有足够的工艺边。

（2）布线的宽度与长度。除地线外，在同一块PCB板上导线的宽度应尽可能均匀一致，避免突然变粗或变细。电源线和地线的宽度要求可以根据1mm的线宽最大对应1A 的电流来计算，电源和地构成的环路应尽量小;由于：

b：线宽，d：厚度，l：长度，因此在可能的条件下电路的连线应尽量短，这样有利于降低线路阻抗，也可减弱由于连线引起的各种干扰效应。

（3）布线的角度。布线时应避免锐角、直角，宜采用135°或圆角布线。

3.5 工艺文件处理

布线完成后，需要对个别元器件、布线和文字的位置和大小等进行调整完善，以便进行生产、调试和维修。然后进行覆铜，推荐采用接地覆铜方式。其次核对网络是否与原理图一致，最后还可使用软件仿真功能对电路进行调试。

4.结论

总之，硬件电路设计过程中的每一个细节都可能成为导致设计成功与失败的关键。作为电路设计的硬件工程师，必须努力积累经验，不断创新，才能设计出具有推动性的产品。

参考文献