硬件电路设计规范样本.doc

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硬件电路板设计规范

制定此《规范》的目的和出发点是为了培养硬件开发人员严谨、 务实的工作作风和严肃、 认真的工作态度, 增强硬件开发人员的责任感和使命感, 提高工作效率和开发成功率, 保证产品质量。
1、 深入理解设计需求, 从需求中整理出电路功能模块和性能指标要求;
2、 根据功能和性能需求制定总体设计方案, 对CPU等主芯片进行选型, CPU选型有以下几点要求:
1) 容易采购, 性价比高;
2) 容易开发: 体现在硬件调试工具种类多, 参考设计多, 软件资源丰富, 成功案例多;
3) 可扩展性好;
3、 针对已经选定的CPU芯片, 选择一个与我们需求比较接近的成功参考设计。
一般CPU生产商或她们的合作方都会对每款CPU芯片做若干开发板进行验证, 厂家最后公开给用户的参考设计图虽说不是产品级的东西, 也应该是经过严格验证的, 否则也会影响到她们的芯片推广应用, 纵然参考设计的外围电路有可推敲的地方, CPU本身的管脚连接使用方法也绝对是值得我们信赖的, 当然如果万一出现多个参考设计某些管脚连接方式不同, 能够细读CPU芯片手册和勘误表, 或者找厂商确认; 另外在设计之前, 最好我们能外借或者购买一块选定的参考板进行软件验证, 如果没问题那么硬件参考设计也是能够信赖的; 但要注意一点, 现在很多CPU都有若干种启动模式, 我们要选一种最适合的启动模式, 或者做成兼容设计;
4、 根据需求对外设功能模块进行元器件选型, 元器件选型应该遵守以下原则:
1) 普遍性原则: 所选的元器件要被广泛使用验证过的尽量少使用冷、 偏芯片, 减少风险;
2) 高性价比原则: 在功能、 性能、 使用率都相近的情况下, 尽量选择价格比较好的元器件, 减少成本;
3) 采购方便原则: 尽量选择容易买到, 供货周期短的元器件;
4) 持续发展原则: 尽量选择在可预见的时间内不会停产的元器件;
5) 可替代原则: 尽量选择pin to pin兼容种类比较多的元器件;
6) 向上兼容原则: 尽量选择以前老产品用过的元器件;
7) 资源节约原则: 尽量用上元器件的全部功能和管脚;
5、 对选定的CPU参考设计原理图外围电路进行修改, 修改时对于每个功能模块都要找至少3个相同外围芯片的成功参考设计, 如果找到的参考设计连接方法都是完全一样的, 那么基本能够放心参照设计, 但即使只有一个参考设计与其它的不一样, 也不能简单地少数服从多数, 而是要细读芯片数据手册, 深入理解那些管脚含义, 多方讨论, 联系芯片厂技术支持, 最终确定科学、 正确的连接方式, 如果仍有疑义, 能够做兼容设计; 当然, 如果所采用的成功参考设计已经是确定正确无误的, 则不一定要找全3个参考设计。这是整个原理图设计过程中最关键的部分, 我们必须做到以下几点:
1) 对于每个功能模块要尽量找到更多的成功参考设计, 越难的应该越多, 成功参考设计是”前人”的经验和财富, 我们理当借鉴吸收。
2) 要多向权威请教、 学习, 但不能迷信权威, 因为人人都有认知误差, 很难保证对哪怕是最了解的事物总能做出最科学的理解和判断, 开发人员一定要在广泛调查、 学习和讨论的基础上做出最科学正确的决定;
3) 如果是参考已有的老产品设计, 设计中要留意老产品有哪些遗留问题, 这些遗留问题与硬件哪些功能模块相关, 在设计这些相关模块时要更加注意推敲, 不能机械照抄原来设计。
6、 硬件原理图设计还应该遵守一些基本原则, 这些基本原则要贯彻到整个设计过程, 虽然成功的参考设计中也体现了这些原则, 但因为我们可能是”拼”出来的原理图, 因此我们还是要随时根据这些原则来设计审查我们的原理图, 这些原则包括:
1) 数字电源和模拟电源分割;
2) 数字地和模拟地分割, 单点接地, 数字地能够直接接机壳地( 大地) , 机壳必须接大地;
3) 保证系统各模块资源不能冲突, 例如: 同一I2C总线上的设备地址不能相同, 等等;
4) 阅读系统中所有芯片的手册( 一般是设计参考手册) , 看它们的未用输入管脚是否需要做外部处理( 比如上拉, 下拉等) , 如果需要一定要做相应处理, 否则可能引起芯片内部振荡, 导致芯片不能正常工作;
5) 在不增加硬件设计难度的情况下尽量保证软件开发方便, 或者以小的硬件设计难度来换取更多方便、 可靠、 高效的软件设计, 这点需要硬件设计人员和软件开发人员多次讨论, 并最终获得软件开发人员认可。
6) 功耗问题。需要了解每颗IC的最大功耗, 保证电源设计中的功耗需求, 避免产品出来后电源无法驱动电路。
7) 产品散热问题, 能够在功耗和发热较大的芯片增加散热片或风扇, 产品机箱也要考虑这个问题, 不能把机箱做成保温盒; 还要考虑产品的安放位置, 最好是放在空间比较大 空气流动畅通的位置, 有利于热量散发出去;
8) 开关电源要降低纹波能够从下面两点着手:
a) 滤波电容。滤波电容的ESR( 等效串联电阻) 和ESL( 等效串联电感) 是非常重要的参数, 越低越好, 仅追求容量是远远不够的, 当然在满足足够低的ESR和ESL的前提下, 容量大些较好。开关电源的滤波电容优选X7R或X5R类电容与钽电解的组合, 纹波稍放宽可用Y5V电容和瘦高外观的铝电解( 低ESL型) 配合。
b) PCB设计。开关电源的PCB设计非常重要, 开关电源芯片的取样及滤波回路的设计非常讲究, PCB分布参数会导致调整误差或滤波效率变差, 严重时甚至可能导致自激( 一般在特定的负载强度下发生) 。原则是取样回路和滤波回路要尽量贴近开关电源IC, PCB走线不可太长、 太细。
c) 为了避开后面电路的影响, 先调试电源电路。能够经过低阻值大功率电阻将开关电源输出接入板内。有时会选用磁珠, 可是磁珠受功率影响, 不建议采用, 除非在满足最大电流要求下又需要少许滤波功能时可采用。
7、 网表校对。原理图设计好后, 要进行网表校对, 包括对原理图中每个元器件的最终型号选定, 封装确认, 管脚连接的正确性复查。元件的型号要具有唯一性, 方便采购员采购, 避免出现采购回来的元器件不是所需要的元件; 不可出现不同位号上同一种元器件, 不同的封装。譬如: C1, C2位号上都是0805封装10uF、 6.3V的电容, 可是在原理图里面却是C1为0805, 而C2为1206;
8、 硬件原理图设计完成之后, 设计人员应该按照以上步骤和要求首先进行自审, 自审后要达到有95%以上把握和信心, 然后再提交她人审核, 其它审核人员同样按照以上要求对原理图进行严格审查, 如发现问题要及时进行讨论分析, 分析解决过程同样遵循以上原则、 步骤;
9、 原理图审核经过后, 开始进行PCB设计。
1) pcb封装库的建立。根据原理图中导出的网表, 进行库的建立, 封装要完全与原理中一致( 包括管脚序号定义, 尺寸大小, 方向标识等信息)
2) pcb布局。布局很重要, 要充分考虑好外部接口的位置, 元件之间的相邻疏远关系。好的布局不但美观, 而且方便布线, 可降低干扰。
3) 布线。要充分了解每个信号线的特性, 从而采用合适的线宽线距, 拓扑结构。比如电源信号线需要根据功耗加大布线面积; 差分信号对需要并行走线并等长; 地址线组, 数据线组需要等长; 时钟线上尽量不要有过孔等等。拓扑结构是否合理可直接影响着产品的成功与否, 一般, 在几MHz低速情况下, 我们采用菊花链式的拓扑结构, 而在高速情况下则采用星型对称结构。

10、 只要开发和审核人员都能够严格按以上要求进行电路设计和审查, 我们就有理由相信, 所有硬件开发人员设计出的电路板一版成功率都会很高的, 因此提出以下几点:
1) 设计人员自身应该保证原理图的正确性和可靠性, 要做到设计即是审核, 严格自审, 不要把希望寄托在审核人员身上, 设计出现的任何问题应由设计人员自己承担, 其它审核人员不负连带责任;
2) 普通原理图设计, 包括老产品升级修改, 原则上要求原理图一版成功, 最多两版封板;
3) 对于功能复杂, 疑点较多的全新设计, 原则上要求原理图两版内成功, 最多三版封板;
4) 原理图封板标准为: 电路板没有任何原理性飞线和其它处理点;