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如何完整地設計一套硬件電路?

技術中心

Technology

如何完整地設計一套硬件電路?

分類:
電源技術
作者:
廣州市愛浦電子科技有限公司
來源:
原創
發布時間:
2020/12/01
瀏覽量

1)總體思路
設計硬件電路,大的框架和架構要搞清楚,但要做到這一點還真不容易。有些大框架也許自己的老板、老師已經想好,自己只是把思路具體實現;但也有些要自己設計框架的,那就要搞清楚要實現什么功能,然后找找有否能實現同樣或相似功能的參考電路板(要懂得盡量利用他人的成果,越是有經驗的工程師越會懂得借鑒他人的成果)。
2)理解電路
如果你找到了的參考設計,那么恭喜你,你可以節約很多時間了(包括前期設計和后期調試)。馬上就copy?NO,還是先看懂理解了再說,一方面能提高我們的電路理解能力,而且能避免設計中的錯誤。
3)找到參考設計
在開始做硬件設計前,根據自己的項目需求,可以去找能夠滿足硬件功能設計的,有很多相關的參考設計。沒有找到?也沒關系,先確定大IC芯片,找datasheet,看其關鍵參數是否符合自己的要求,哪些才是自己需要的關鍵參數,以及能否看懂這些關鍵參數,都是硬件工程師的能力的體現,這也需要長期地慢慢地積累。這期間,要善于提問,因為自己不懂的東西,別人往往一句話就能點醒你,尤其是硬件設計。
4)硬件電路設計的三個部分:原理圖、PCB和物料清單(BOM)表
原理圖設計,其實就是將前面的思路轉化為電路原理圖,它很像我們教科書上的電路圖。pcb涉及到實際的電路板,它根據原理圖轉化而來的網表(網表是溝通原理圖和pcb之間的橋梁),而將具體的元器件的封裝放置(布局)在電路板上,然后根據飛線(也叫預拉線))連接其電信號(布線)。完成了pcb布局布線后,要用到哪些元器件應該有所歸納,所以我們將用到BOM表。
5)選擇PCB設計工具
protel,也就是altium(現在入門的童鞋大多用AD)容易上手,網上的學習教程資料也很全面,在國內也比較流行,應付一般的工作已經足夠,適合初入門的設計者使用。
硬件電路設計的大環節必不可少,主要都要經過以下這幾個流程:
1)原理圖設計
2)PCB設計
3)制作BOM表
現在再談一下具體的設計步驟:
一、原理圖建立+網表生成
1. 原理圖庫建立。要將一個新元件擺放在原理圖上,我們必須得建立改元件的庫。庫中主要定義了該新元件的管腳定義及其屬性,并且以具體的圖形形式來代表(我們常常看到的是一個矩形(代表其IC BODY),周圍許多短線(代表IC管腳)。protel創建庫及其簡單,而且因為用的人多,許多元件都能找到現成的庫,這一點對使用者極為方便。應搞清楚ic body,ic pins,input pin,output pin,analog pin,digital pin,power pin等區別。
2. 有了充足的庫之后,就可以在原理圖上畫圖了,按照datasheet和系統設計的要求,通過wire把相關元件連接起來。在相關的地方添加line和text注釋。wire和line的區別在于,前者有電氣屬性,后者沒有。wire適用于連接相同網絡,line適用于注釋圖形。這個時候,應搞清一些基本概念,如:wire,line,bus,part,footprint,等等。
3. 做完這一步,我們就可以生成netlist了,這個netlist是原理圖與pcb之間的橋梁。原理圖是我們能認知的形式,電腦要將其轉化為pcb,就必須將原理圖轉化它認識的形式netlist,然后再處理、轉化為pcb。
4. 得到netlist,馬上畫pcb?別急,先做ERC先。ERC是電氣規則檢查的縮寫。它能對一些原理圖基本的設計錯誤進行排查,如多個output接在一起等問題。(但是一定要仔細檢查自己的原理圖,不能過分依賴工具,畢竟工具并不能明白你的系統,它只是純粹地根據一些基本規則排查。)
5. 從netlist得到了pcb,一堆密密麻麻的元件,和數不清的飛線是不是讓你嚇了一跳?呵呵,別急還得慢慢來。
6. 確定板框大小。在keepout區(或mechanic區)畫個板框,這將限制了你布線的區域。需要根據需求好考慮板長,板寬(有時,還得考慮板厚)。當然了,疊層也得考慮好。(疊層的意思就是,板層有幾層,怎么應用,比如板總共4層,頂層走信號,中間第一層鋪電源,中間第二層鋪地,底層走信號)。
二、PCB布局布線
先解釋一下前面的術語。post-command,例如我們要拷貝一個object(元件),我們要先選中這個object,然后按ctrl+C,然后按ctrl+V(copy命令發生在選中object之后)。這種操作windows和protel都采用的這種方式。但是concept就是另外一種方式,我們叫做pre-command。同樣我們要拷貝一個東西,先按ctrl+C,然后再選中object,再在外面單擊(copy命令發生在選中object之前)。
1. 確定完板框之后,就該元件布局(擺放)了,布局這步極為關鍵。它往往決定了后期布線的難易。哪些元器件該擺正面,哪些元件該擺背面,都要有所考量。但是這些都是一個仁者見仁,智者見智的問題;從不同角度考慮擺放位置都可以不一樣。其實自己畫了原理圖,明白所有元件功能,自然對元件擺放有清楚的認識(如果讓一個不是畫原理圖的人來擺放元件,其結果往往會讓你大吃一驚)。對于初入門的,注意模擬元件,數字元件的隔離,以及機械位置的擺放,同時注意電源的拓撲就可以了。
2. 接下來就是布線。這與布局往往是互動的。有經驗的人往往在開始就能看出哪些地方能布線成功。如果有些地方難以布線還需要改動布局。對于FPGA設計來說往往還要改動原理圖來使布線更加順暢。布線和布局問題涉及的因素很多,對于高速數字部分,因為牽扯到信號完整性問題而變得復雜,但往往這些問題又是難以定量或即使定量也難以計算的。所以,在信號頻率不是很高的情況下,應以布通為第一原則。
3. OK了?別急,用DRC檢查檢查先,這是一定要檢查的。DRC對于布線完成覆蓋率以及規則違反的地方都會有所標注,按照這個再一一的排查,修正。
4. 有些pcb還要加上敷銅(可能會導致成本增加),將出線部分做成淚滴(工廠也許會幫你加)。最后的pcb文件轉成gerber文件就可交付pcb生產了。(有些直接給pcb也成,工廠會幫你轉gerber)。
5. 要裝配pcb,準備bom表吧,一般能直接從原理圖中導出。但是需要注意的是,原理圖中哪些部分元件該上,哪些部分元件不該上,要做到心理有數。對于小批量或研究板而言,用excel自己管理倒也方便(大公司往往要專業軟件來管理)。而對于新手而言,第一個版本,不建議直接交給裝配工廠或焊接工廠將bom的料全部焊上,這樣不便于排查問題。最好的方法就是,根據bom表自己準備好元件。等到板來了之后,一步步上元件、調試。
三、電路板調試
1. 拿到板第一步做什么,不要急急忙忙供電看功能,硬件調試不可能一步調試完成的。先拿萬用表看看關鍵網絡是否有不正常,主要是看電源與地之間有否短路(盡管生產廠商已經幫你做過測試,這一步還是要自己親自看看,有時候看起來某些步驟挺繁瑣,但是可以節約你后面不少時間!),其實短路與否不光pcb有關,在生產制作的任何一個環節可能導致這個問題,IO短路一般不會造成災難性的后果,但是電源短路就......
2. 電源網絡沒短路?那么好,那就看看電源輸出是否是自己理想的值,對于初學者,調試的時候最好IC一件件芯片上,第一個要上的就是電源芯片。
3. 電源網絡短路了?這個比較麻煩,不過要仔細看看自己原理圖是否有可能這樣的情況,同時結合割線的方法一步步排查倒底是什么地方短路了,是pcb的問題(一般比較爛的pcb廠就可能出現這種情況),還是裝配的問題,還是自己設計的問題。關于檢查短路還有一些技巧,這在今后登出......
4. 電源芯片沒有輸出?檢查檢查你的電源芯片輸入是否正常吧,還需要檢查的地方有使能信號,分壓電阻,反饋網絡......
5. 電源芯片輸出值不在預料范圍?如果超過很離譜,比如到了10%,那么看看分壓電阻先,這兩個分壓電阻一般要用1%的精度,這個你做到了沒有,同時看看反饋網絡吧,這也會影響你的輸出電源的范圍。
6. 電源輸出正常了,別高興,如果有條件的話,拿示波器看看吧,看看電源的輸出跳變是否正常。也就是抓取開電的瞬間,看看電源從無到有的情況(至于為什么要看著個,嘿嘿......專業人士還是要看的~)
四、電源設計

無疑電源設計是整個電路板最重要的一環。電源不穩定,其他啥都別談。我想不用balabala述說它究竟有多么重要了。

在電源設計我們用得最多的場合是,從一個穩定的“高”電壓得到一個穩定的“低”電壓。這也就是經常說的DC/DC,其中用得最多的電源穩壓芯片有兩種,一種叫LDO(低壓差線性穩壓器,我們后面說的線性穩壓電源,也是指它),另一種叫PWM(脈寬調制開關電源,我們在本文也稱它開關電源)。我們常常聽到PWM的效率高,但是LDO的響應快,這是為什么呢?別著急,先讓我們看看它們的原理。

下面會涉及一些理論知識,但是依然非常淺顯易懂,如果你不懂,嘿嘿,得檢查一下自己的基礎了。
一、線性穩壓電源的工作原理
 

如圖是線性穩壓電源內部結構的簡單示意圖。我們的目的是從高電壓Vs得到低電壓Vo。在圖中,Vo經過兩個分壓電阻分壓得到V+,V+被送入放大器(我們把這個放大器叫做誤差放大器)的正端,而放大器的負端Vref是電源內部的參考電平(這個參考電平是恒定的)。放大器的輸出Va連接到MOSFET的柵極來控制MOSFET的阻抗。Va變大時,MOSFET的阻抗變大;Va變小時,MOSFET的阻抗變小。MOSFET上的壓降將是Vs-Vo。

現在我們來看Vo是怎么穩定的,假設Vo變小,那么V+將變小,放大器的輸出Va也將變小,這將導致MOSFET的阻抗變小,這樣經過同樣的電流,MOSFET的壓差將變小,于是將Vo上抬來抑制Vo的變小。同理,Vo變大,V+變大,Va變大,MOSFET的阻抗變大,經過同樣的電流,MOSFET的壓差變大,于是抑制Vo變大。
二、開關電源的工作原理
 

如上圖,為了從高電壓Vs得到Vo,開關電源采用了用一定占空比的方波Vg1,Vg2推動上下mos管,Vg1和Vg2是反相的,Vg1為高,Vg2為低;上MOS管打開時,下MOS管關閉;下MOS管打開時,上MOS管關閉。由此在L左端形成了一定占空比的方波電壓,電感L和電容C我們可以看作是低通濾波器,因此方波電壓經過濾波后就得到了濾波后的穩定電壓Vo。Vo經過R1、R2分壓后送入第一個放大器(誤差放大器——的負端V+,誤差放大器的輸出Va做為第二個放大器(PWM放大器)的正端,PWM放大器的輸出Vpwm是一個有一定占空比的方波,經過門邏輯電路處理得到兩個反相的方波Vg1、Vg2來控制MOSFET的開關。

誤差放大器的正端Vref是一恒定的電壓,而PWM放大器的負端Vt是一個三角波信號,一旦Va比三角波大時,Vpwm為高;Va比三角波小時,Vpwm為低,因此Va與三角波的關系,決定了方波信號Vpwm的占空比;Va高,占空比就低,Va低,占空比就高。經過處理,Vg1與Vpwm同相,Vg2與Vpwm反相;最終L左端的方波電壓Vp與Vg1相同。如下圖:
 

當Vo上升時,V+將上升,Va下降,Vpwm占空比下降,經過們邏輯之后,Vg1的占空比下降,Vg2的占空比上升,Vp占空比下降,這又導致Vo降低,于是Vo的上升將被抑制。反之亦然。
三、線性穩壓電源和開關電源的比較

懂得了線性穩壓電源和開關電源的工作原理之后,我們就可以明白為什么線性穩壓電源有較小的噪聲,較快的瞬態響應,但是效率差;而開關電源噪聲較大,瞬態響應較慢,但效率高了。
線性穩壓電源內部結構簡單,反饋環路短,因此噪聲小,而且瞬態響應快(當輸出電壓變化時,補償快)。但是因為輸入和輸出的壓差全部落在了MOSFET上,所以它的效率低。因此,線性穩壓一般用在小電流,對電壓精度要求高的應用上。
而開關電源,內部結構復雜,影響輸出電壓噪聲性能的因數很多,且其反饋環路長,因此其噪聲性能低于線性穩壓電源,且瞬態響應慢。但是根據開關電源的結構,MOSFET處于完全開和完全關兩種狀態,除了驅動MOSFET,和MOSFET自己內阻消耗的能量之外,其他能量被全部用在了輸出(理論上L、C是不耗能量的,盡管實際并非如此,但這些消耗的能量很小)。

總而言之,要學好硬件電路設計,首先要弄清楚項目需求,根據功能設計硬件框架,結合參考設計,多借鑒別人的設計成果,復用到自己的硬件項目上面來。

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