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時間:2019-08-13

  在學習電路設計的時候,不知道你是否有這樣的困擾:明明自己學了很多硬件電路理論,也做過了一些基礎操作實踐,但還是無法設計出自己理想的電路。歸根結底,我們缺少的是硬件電路設計的思路,以及項目實戰經驗。
  設計一款硬件電路,要熟悉元器件的基礎理論,比如元器件原理、選型及使用,學會繪制原理圖,並通過軟件完成PCB設計,熟練掌握工具的技巧使用,學會如何優化及調試電路等。要如何完整地設計一套硬件電路設計,下面爲大家分享我的幾點個人經驗:
  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麽功能,然後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,那麽恭喜你,你可以節約很多時間了(包括前期設計和後期調試)。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,因爲自己不懂的東西,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爲電路原理圖,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,然後根據飛線(也叫預拉線)連接其電信號(布線)。完成了pcb布局布線後,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
  原理圖建立+網表生成
  1. 原理图库建立。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。库中主要定义了该新元件的管脚定义及其属性,并且以具体的图形形式来代表(我们常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. 有了充足的库之后,就可以在原理图上画图了,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的區別在于,前者有電氣屬性,後者沒有。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是电气规则检查的缩写。它能对一些原理图基本的设计错误进行排查,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,不能过分依赖工具,毕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. 确定板框大小。在keepout区(或mechanic区)画个板框,这将限制了你布线的区域。需要根据需求好考虑板长,板宽(有时,还得考虑板厚)。当然了,叠层也得考虑好。(叠层的意思就是,板层有几层,怎么应用,比如板总共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)。
  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,然後按ctrl+C,然後按ctrl+V(copy命令發生在選中object之後)。
  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,然後再選中object,再在外面單擊(copy命令發生在選中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,哪些元件该摆背面,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;
  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成功。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。
  布線和布局問題涉及的因素很多,對于高速數字部分,因爲牽扯到信號完整性問題而變得複雜,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,應以布通爲第一原則。
  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(可能会导致成本增加),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,哪些部分元件不该上,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表自己准備好元件。等到板來了之後,一步步上元件、調試。
  電路板調試
  1. 拿到板第一步做什么,不要急急忙忙供电看功能,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(尽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,但是可以节约你后面不少时间!)。
  其實短路與否不光pcb有關,在生産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後果,但是電源短路就......
  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?这个比较麻烦,不过要仔细看看自己原理图是否有可能这样的情况,同时结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。关于检查短路还有一些技巧,这在今后登出......
  4. 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......
  5. 电源芯片输出值不在预料范围?如果超过很离谱,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。
  6. 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~)
  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述說它究竟有多麽重要了。
  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,我們後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,這是爲什麽呢?別著急,先讓我們看看它們的原理。
  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是怎麽穩定的,假設Vo變小,那麽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上擡來抑制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,爲了從高電壓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爲高,Vg2爲低;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後就得到了濾波後的穩定電壓Vo。
  Vo經過R1、R2分壓後送入第一個放大器(誤差放大器)的負端V+,誤差放大器的輸出Va做爲第二個放大器(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爲高;
  Va比三角波小時,Vpwm爲低,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,經過們邏輯之後,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後,我們就可以明白爲什麽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)。但是因爲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,內部結構複雜,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,盡管實際並非如此,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,複用到自己的硬件項目上面來。

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