硬件電路設(shè)計流程系列——方案設(shè)計(目錄)

一、硬件電路設(shè)計流程系列--硬件電路設(shè)計規(guī)范

二、硬件電路設(shè)計流程串聯(lián)方案設(shè)計(1):主芯片選擇

三、硬件電路設(shè)計流程系列——方案設(shè)計(二):芯片購買

四、硬件電路設(shè)計流程串聯(lián)方案設(shè)計(三):功耗分析和電源設(shè)計

動詞 （verb的縮寫）硬件電路設(shè)計流程系列方案設(shè)計(4):設(shè)計合適的系統(tǒng)電源

一個

硬件電路設(shè)計規(guī)范

1.詳細了解設(shè)計要求，從要求中梳理出電路功能模塊和性能指標要求；

2.根據(jù)功能和性能要求，制定總體設(shè)計方案，選擇CPU。

CPU 選型有以下幾點要求：

a)性價比高；

b)易于開發(fā):體現(xiàn)在多種硬件調(diào)試工具，多種參考設(shè)計，豐富的軟件資源，多種成功案例；

c)擴展性好；

3、 針對已經(jīng)選定的 CPU 芯片，選擇一個與我們需求比較接近的成功參考設(shè)計，一般 CPU 生產(chǎn)商或他們的合作方都會對每款 CPU芯片做若干開發(fā)板進行驗證，比如 440EP 就有 yosemite 開發(fā)板和bamboo 開發(fā)板，我們參考得是 yosemite 開發(fā)板，廠家最后公開給用戶的參考設(shè)計圖雖說不是產(chǎn)品級的東西，也應(yīng)該是經(jīng)過嚴格驗證的，否則也會影響到他們的芯片推廣應(yīng)用，縱然參考設(shè)計的外圍電路有可推敲的地方，CPU 本身的管腳連接使用方法也絕對是值得我們信賴的，當(dāng)然如果萬一出現(xiàn)多個參考設(shè)計某些管腳連接方式不同，可以細讀 CPU 芯片手冊和勘誤表，或者找廠商確認；另外在設(shè)計之前，最好我們能外借或者購買一塊選定的參考板進行軟件驗證，如果沒問題那么硬件參考設(shè)計也是可以信賴的；但要注意一點，現(xiàn)在很多 CPU都有若干種啟動模式，我們要選一種最適合的啟動模式，或者做成兼容設(shè)計。

4.根據(jù)需要為外圍功能模塊選擇組件，組件選擇應(yīng)遵循以下原則:

a） 普遍性原則：所選的元器件要被廣泛使用驗證過的盡量少使用冷偏芯片，減少風(fēng)險；

b)高性價比原則:在功能、性能、利用率相近的情況下，盡量選擇價格更好的組件，降低成本；

c)采購方便原則:盡量選擇容易購買、供貨周期短的零部件；

d)可持續(xù)發(fā)展原則:盡量選擇在可預(yù)見的時間內(nèi)不會停產(chǎn)的零部件；

e)替代原則:盡量選擇引腳間兼容類型較多的元器件；

f)向上兼容原則:盡量選擇以前老產(chǎn)品使用的部件；

g)資源節(jié)約原則:盡量使用組件的所有功能和引腳；

5、 對選定的 CPU 參考設(shè)計原理圖外圍電路進行修改，修改時對于每個功能模塊都要找至少 3 個相同外圍芯片的成功參考設(shè)計，如果找到的參考設(shè)計連接方法都是完全一樣的，那么基本可以放心參照設(shè)計，但即使只有一個參考設(shè)計與其他的不一樣，也不能簡單地少數(shù)服從多數(shù)，而是要細讀芯片數(shù)據(jù)手冊，深入理解那些管腳含義，多方討論，聯(lián)系芯片廠技術(shù)支持，最終確定科學(xué)、正確的連接方式，如果仍有疑義，可以做兼容設(shè)計；這是整個原理圖設(shè)計過程中最關(guān)鍵的部分，我們必須做到以下幾點： a） 對于每個功能模塊要盡量找到更多的成功參考設(shè)計，越難的應(yīng)該越多，成功參考設(shè)計是“前人”的經(jīng)驗和財富，我們理當(dāng)借鑒吸收，站在“前人”的肩膀上，也就提高了自己的起點；

b)要多向權(quán)威咨詢學(xué)習(xí)，但不要迷信權(quán)威。因為每個人都有認知上的錯誤，即使是對自己最了解的事情，也很難保證總能做出最科學(xué)的理解和判斷。開發(fā)商必須在廣泛調(diào)查、研究和討論的基礎(chǔ)上做出最科學(xué)、最正確的決策；

c)如果參考現(xiàn)有的老產(chǎn)品設(shè)計，在設(shè)計中要注意老產(chǎn)品的遺留問題，硬件的哪些功能模塊與這些遺留問題有關(guān)，在設(shè)計這些相關(guān)模塊時更要注意推敲，不能機械地照搬原設(shè)計。例如，我們舊產(chǎn)品中的集成開發(fā)環(huán)境經(jīng)常有問題。經(jīng)過仔細考慮、廣泛討論和參考其他成功的設(shè)計，發(fā)現(xiàn)我們的ide接口的兩個引腳的連接方式確實不規(guī)則；另外，針對FGPI通道視頻同步信號丟失的問題，可以在硬件設(shè)計中引入硬件同步信號pin，進一步驗證，更好的發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)；

6、 硬件原理圖設(shè)計還應(yīng)該遵守一些基本原則，這些基本原則要貫徹到整個設(shè)計過程，雖然成功的參考設(shè)計中也體現(xiàn)了這些原則，但因為我們可能是“拼”出來的原理圖，所以我們還是要隨時根據(jù)這些原則來設(shè)計審查我們的原理圖，這些原則包括：

a)數(shù)字電源和模擬電源分開；

b)數(shù)字地和模擬地分開，單點接地。數(shù)字地可以直接接機柜的地(地)，機柜必須接地；

c)保證系統(tǒng)各模塊的資源不能沖突，例如同一I2C總線上的設(shè)備地址不能相同，等等；

d)閱讀系統(tǒng)中所有芯片的手冊(通常是設(shè)計參考手冊)，查看其未使用的輸入引腳是否需要進行外部處理，如果需要，則必須進行相應(yīng)處理，否則可能導(dǎo)致芯片內(nèi)部振蕩，導(dǎo)致芯片無法正常工作；

e)在不增加硬件設(shè)計難度的情況下盡量保證軟件開發(fā)的便利性，或者用小的硬件設(shè)計難度換取更方便、可靠、高效的軟件設(shè)計，這就要求硬件設(shè)計人員了解底層軟件的開發(fā)和調(diào)試，要求高；

f)功耗問題；

g)產(chǎn)品散熱問題，高功耗發(fā)熱的芯片可以加散熱器或風(fēng)扇，產(chǎn)品機箱也要考慮這個問題，不能做成保溫箱，電路板冷到“溫室”；產(chǎn)品的位置也要考慮，最好放在空之間比較大的位置，這里空氣流順暢，有利于散熱；

7.硬件原理圖設(shè)計完成后，設(shè)計師首先按照上述步驟和要求進行自檢，自檢后再提交給他人審核。其他審核員也要按照上述要求嚴格審核原理圖。如發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)及時討論分析，分析解決過程也遵循上述原則和步驟；

8.只要開發(fā)人員和審核員能夠嚴格按照上述要求設(shè)計和審核電路，我們有理由相信所有硬件開發(fā)人員設(shè)計的第一版電路板的成功率會非常高，因此提出以下幾點:

a)設(shè)計人員本身要保證原理圖的正確性和可靠性，保證設(shè)計是審核的，嚴格自審，不要把希望寄托在審核人員身上。設(shè)計中出現(xiàn)的任何問題都應(yīng)由設(shè)計者自己承擔(dān)，其他審核員不承擔(dān)連帶責(zé)任；

b)其他審計師雖然不承擔(dān)連帶責(zé)任，但也要按照上述要求進行嚴格審查。設(shè)計一旦有問題，也體現(xiàn)了審核員的水平、風(fēng)格和態(tài)度；

c)對于普通原理圖的設(shè)計，包括老產(chǎn)品的升級改造，原則上要求原理圖第一版成功，最多封兩版，超過兩版以上處以性能罰款；

d)對于功能復(fù)雜、疑點較多的新設(shè)計，原則上要求原理圖在兩版內(nèi)成功，板子最多封三版，超過三版要進行性能處罰；

e)原理圖板密封標準是:電路板沒有任何原理飛線等加工點；

9.上述方案設(shè)計相關(guān)的具體獎懲辦法，將在廣泛調(diào)研后制定，并征得公司領(lǐng)導(dǎo)同意后發(fā)布實施；

10.制定本規(guī)范的目的和出發(fā)點是培養(yǎng)硬件開發(fā)人員嚴謹務(wù)實的工作作風(fēng)和認真嚴肅的工作態(tài)度，增強其責(zé)任感和使命感，提高工作效率和開發(fā)成功率，保證產(chǎn)品質(zhì)量；希望年輕的硬件開發(fā)人員能在培訓(xùn)中快速成長！

目前我們重點設(shè)計的相關(guān)模擬電路產(chǎn)品沒有主芯片、外圍芯片和芯片間的連接。所以元器件的選擇尤為重要，一定要注意一些硬件設(shè)計的基本原則。

二

方案設(shè)計(1):主芯片選擇

平臺的選擇往往與系統(tǒng)選擇的算法有關(guān)，所以要想提高架構(gòu)和平臺的設(shè)計能力，就必須不斷提高自己的算法設(shè)計、復(fù)雜度評估能力和帶寬分析能力。

常用的主處理器芯片有:單片機、ASIC、RISC(DEC Alpha、ARC、ARM、MIPS、PowerPC、SPARC、SuperH)、DSP、FPGA等。網(wǎng)上有很多關(guān)于這些處理器比較的文章，在這里并不常見。這里只提到一種典型的主處理器選擇情況。

比如市場上對高清IPNC的設(shè)計要求很多，IPNC解決方案層出不窮。TI的解決方案包括DM355、DM365、DM368等。，海思康提供Hi3512、Hi3515、Hi3520等。，恩智浦提供PNX1700、PNX1005等。

對于高清IPNC的主處理芯片，主要有幾個技術(shù)指標:視頻分辨率、視頻編碼器算法、支持的最高圖像捕獲分辨率、CMOS圖像預(yù)處理能力、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧開發(fā)平臺。

Hi3512單片機實現(xiàn)720P30 H.264編解碼能力，滿足高清ip攝像頭的應(yīng)用。Hi3515可以實現(xiàn)1080P30編解碼能力，不斷提高高清IPCamera的性能。

720P30 MPEG4、720P30 H.264和1080P30 H.264的編解碼能力分別由DM355和DM368實現(xiàn)。

DM355于2007年第三季度推出，DM365于2009年在Q1推出，DM368于2010年在Q2推出。同一個階層的海思肯解也同時出現(xiàn)。HiSilicon和TI的解決方案都是基于linux的。對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的開發(fā)，除了芯片供應(yīng)商提供的SDK開發(fā)包外，開源社區(qū)的資源沒有區(qū)別。兩家公司的SDK離產(chǎn)品都很遠，但是linux的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)不是技術(shù)難點，不影響產(chǎn)品的推廣。

作為IPNC的一個解決方案，在720P時代，相比TI的解決方案，海思的解決方案具有支持H.264編解碼算法的優(yōu)勢，而TI只支持MPEG4編解碼算法。2008年初，MPEG4的劣勢開始出現(xiàn)在市場上，但當(dāng)時似乎并沒有影響到DM355的推廣。

關(guān)于支持的最高圖像捕獲分辨率，海斯的解決方案可以支持JPEG捕獲3M Pixels@5fps，DM355最高可以支持5M Pixels。雖然當(dāng)時沒有開發(fā)成功5m像素的捕捉(內(nèi)存分配有點問題，所以后來也沒有甩)，但至少捕捉到了4M Pixel。再者，有朋友已經(jīng)實現(xiàn)了2560x1920的快照，接近5M Pixel，所以DM355在這一點上略勝一籌。

由于高分辨率下的CCD傳感器非常昂貴，且CMOS傳感器圖像原始尺寸不大，低照度下性能較差的CMOS傳感器成像質(zhì)量在高分辨率下變差。所以TI在DM355處理器中集成了一個叫ISP的圖像預(yù)處理模塊，由CCDC、IPIPE、IPIPEIF、H3A模塊組成，可以幫助將CMOS RAW DATA(一般是拜耳格式數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)換成YCbCr數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)采用CMOS解決方案所必須的功能，比如白平衡調(diào)整、直方圖統(tǒng)計、自動曝光、自動對焦等。因此，DM355處理器可以與各種圖像傳感器無縫接口。然而，海斯的解決方案在選擇互補金屬氧化物半導(dǎo)體方面有局限性，只能使用OVT的解決方案，因為OVT的一些傳感器集成了圖像預(yù)處理功能。然而，DM355不僅可以與OVT解決方案連接，還可以與許多其他制造商的CMOS傳感器連接，如Aptina的MT9P031。因此，DM355在圖像預(yù)處理能力方面繼續(xù)勝出。

在IPNC領(lǐng)域，只要每臺賺一美元就可以開始運行，所以那個時候很少有人會下地獄去找H.264和MPEG4的性能差別，ti已經(jīng)給了市場一個很好的預(yù)期，支持H.264的DM365也很快就有了。所以就IPNC而言，當(dāng)時很多企業(yè)選擇了DM355。有朋友已經(jīng)成功從DM355過渡到現(xiàn)在的DM365和DM368了。雖然有時候會罵TI，但是為什么技術(shù)沒有變好？那一年，一步到位，浪費了很多生產(chǎn)力。但是技術(shù)是一點一點積累起來的，對于個人來說沒有任何的模糊性，對于大企業(yè)來說也不可能有很大的飛躍。DM355的CMOS預(yù)處理技術(shù)也有很多bug，SDK也有很多bug，有時候讓你又愛又恨，但是技術(shù)總是不完美的，在特定的歷史條件下能滿足市場需求，所以是好事。

當(dāng)然，海斯的解決方案在DVS和DVR也大放異彩，一點也不遜色于TI的解決方案。

其他芯片的選擇可以參考各芯片廠商官網(wǎng)的芯片手冊進行PK。目前大部分芯片廠商的芯片手冊都是從NDA免費下載的。如果涉及到NDA，就要看個人和公司的資源運營能力了。一般找相應(yīng)芯片在國內(nèi)的總代理，溝通。簽了NDA之后還是可以得到相應(yīng)的信息。每隔一周，去各IC廠商官方主頁，關(guān)注芯片的發(fā)展。這是每個電子工程師必備的課程，不僅為下一步方案設(shè)計積累了足夠的資金，也為公司的產(chǎn)品戰(zhàn)略做了足夠的功課。

三

方案設(shè)計(二):芯片采購

芯片采購是電子電路設(shè)計過程中不可缺少的環(huán)節(jié)。一般情況下，各種IC廠商找到的芯片，只要不是EOL芯片，都可以購買。但是作為一個電子電路的設(shè)計師，解決不了芯片采購的問題是很少見的。常見情況如下:

1.面對經(jīng)濟危機，各種ic制造商減產(chǎn)，導(dǎo)致芯片供應(yīng)周期延長。有的IC廠商甚至提出了20周交貨期的訂貨條件。2009年上半年印象深刻，我們訂購了PTH08T240WAD，4-6周就拿到貨了。但2009年下半年，要么交貨期20周，要么價格翻倍，數(shù)量只有幾個。

2.雖然有些芯片在數(shù)據(jù)表上有工業(yè)級產(chǎn)品，但市場上的消費量很小，導(dǎo)致集成電路制造商的生產(chǎn)量很少，市場供應(yīng)非常短缺，這使得想要制造寬溫工業(yè)級產(chǎn)品或軍用級產(chǎn)品的企業(yè)付出了巨大的代價。

3.一些芯片廠商的代理渠道受到嚴格控制，一些相對較新的芯片是普通貿(mào)易商無法購買的，只能向代理商訂購。如果數(shù)量能滿足MPQ或最小起訂量的要求，總代理會幫你采購。但如果你只想要一兩個工程樣品，那就看你和代理的關(guān)系了。如果你剛進入這個行業(yè)，很有可能無法從代理商那里拿到這個工程樣本。

4.部分籌碼受限。如果這些芯片只限于中國，而不是亞洲，它們可以通過新加坡進口。如果芯片局限在亞洲，購買難度會大大增加，購買價格會遠遠超出你的想象空。首先看一個芯片采購案例:

之前給朋友推薦了一個FPGA芯片，他后來給我發(fā)了一條聊天記錄如下:

2010-8-3 9:13:12 A B XC6SLX16-2CSG225C 訂貨 250.00

2010-8-3 9:22:10 B A訂購需要多長時間？

2010-8-3 9:22:37甲乙兩周

2010年8月13日14: 22: 47 A B XC 6 SLX 16-2 CSG 225 C你當(dāng)天跟我訂的，本來是發(fā)貨兩周的。但是這個型號是敏感型號，中國禁止，需要第三方購買，所以現(xiàn)在發(fā)貨時間大概是五周左右。你能接受嗎？

注:B是芯片買家，A是芯片供應(yīng)商

回頭看看當(dāng)時發(fā)生的事情:

2010年8月3日，B設(shè)計方案確定芯片型號后，因為芯片型號比較新，怕芯片買不到，就向芯片供應(yīng)商a確認了芯片的供貨情況，得知價格和交貨期后，B非常高興和滿意的告訴我，你推薦的芯片性價比確實不錯。原理圖設(shè)計完成后，他會立即下單。

2010年8月13日，B設(shè)計好原理圖后，當(dāng)B想和A下單時，突然收到A的上述回復(fù)，一下子就蒙了，因為PCB布圖2周就可以完成，PCB加工生產(chǎn)1周就可以完成。這意味著即使B在2010年8月13日下單，也要等2周才能開始焊接調(diào)試。(最后供應(yīng)商A得知芯片被中國封禁，沒辦法幫B拿到。最后B花了5周時間從另一個籌碼交易商那里購買，價格漲到了450)

兩個星期的延遲可能被認為是一個小的延遲。也有可能是芯片在其他特殊情況下拿不到。如果在原理圖設(shè)計好之后出現(xiàn)這種情況，幾乎是哭。如果這種情況發(fā)生在PCB布局準備好之后，那就是哭了。

所以建議在芯片方案確定后，立即下單購買芯片。有時候芯片查詢時得到的價格和交貨期信息可能并不準確，因為IC行業(yè)的數(shù)據(jù)庫更新有時候會有一定的滯后性。只有下了訂單，確認了供應(yīng)商的合同，才能塵埃落定。

四

方案設(shè)計(3):功耗分析和電源設(shè)計

分析系統(tǒng)主芯片的紋波要求

由于DC穩(wěn)壓電源一般是由交流電源經(jīng)過整流穩(wěn)壓后形成的，所以DC穩(wěn)壓量中難免會有一些交流分量。疊加在DC穩(wěn)定量上的交流分量稱為紋波，它對系統(tǒng)有許多負面影響。比如紋波太大，會導(dǎo)致主處理器芯片重啟，或者給一些AD和DA引入噪聲。一個典型的現(xiàn)象是，如果電源的紋波疊加在音頻DA芯片的輸出上，會產(chǎn)生嗡嗡聲。下表顯示了設(shè)計中所用芯片的紋波要求以及電源芯片能夠提供的紋波范圍。紋波是選擇功率芯片的重要參數(shù)。此處僅列出一兩個芯片進行解釋:

芯片紋波統(tǒng)計

分析系統(tǒng)主芯片的電壓上電順序要求

當(dāng)今大多數(shù)電子產(chǎn)品需要使用多種電源電壓。電源電壓數(shù)量的增加帶來了設(shè)計問題，即需要控制電源的相對通電和斷電特性，以消除數(shù)字系統(tǒng)被損壞或鎖定的可能性。一般這一點會在芯片手冊中詳細描述，所以建議符合芯片手冊的要求進行設(shè)計。

分析系統(tǒng)中所有芯片的功耗

統(tǒng)計板上使用的所有芯片的功耗，大部分在芯片手冊中有詳細描述，但也有一些手冊中沒有明確說明，比如FPGA。這時候可以用EDA工具做統(tǒng)計，比如ISE的Xpower Analyzer。下表是功耗分析的統(tǒng)計案例。注意:因為數(shù)據(jù)很多，這里只選了幾個3.3V的芯片來統(tǒng)計。

演示所選電源方案是否能夠滿足上述所有要求

根據(jù)上電順序的要求，分析紋波和功耗，選擇正確的供電方案。

電源設(shè)計是一項精細的工作，數(shù)據(jù)統(tǒng)計是一項必不可少的工作，養(yǎng)成良好的設(shè)計習(xí)慣是“一板溝通”的必要環(huán)節(jié)。

關(guān)于供電方案選擇的知識很多，分析的文章數(shù)不勝數(shù)。這里只是一些常規(guī)的東西。

在消費類產(chǎn)品中，由于成本非常敏感，散熱要求比較高，一般首選DC/DC解決方案，現(xiàn)在越來越多的電源管理多通道IC (PMIC)解決方案首選。DC/DC的缺點之一是波動大。另外，電感電容設(shè)計不合理，電壓會不穩(wěn)定。

印象深刻的是，在用DC/DC給FPGA供電的時候，根據(jù)FPGA的配電系統(tǒng)(PDS)分析，加了足夠的330uF鉭電容，結(jié)果DC/DC經(jīng)常出問題，所以DC/DC的設(shè)計一定要慎重。設(shè)計大功率電路時，電感的選擇也非常關(guān)鍵。參考設(shè)計中的許多電感型號在北京鐘發(fā)電子市場或深圳世嘉廣場都買不到。但國內(nèi)市場上替代品的飽和電流往往低于參考設(shè)計中對電感的要求值。所以建議先買符合要求的電感，再開始做電感的Footprint。

在非消費品領(lǐng)域，LDO和電源模塊因功率紋波小、設(shè)計簡單而使用更頻繁。我初學(xué)電路的時候，對DC/DC設(shè)計特別感興趣，所以一直用LDO和電源模塊，直到開始設(shè)計消費類產(chǎn)品。出于成本考慮，我不得不開始設(shè)計DC/DC。但是現(xiàn)在集成電路設(shè)計廠商已經(jīng)基本將MOSFET集成到芯片中，所以DC/DC設(shè)計的復(fù)雜度變小了。

五

方案設(shè)計(4):設(shè)計合適的系統(tǒng)電源

對于現(xiàn)在的電子系統(tǒng)來說，電源的設(shè)計變得越來越重要。想和大家探討一下關(guān)于電源設(shè)計的一些經(jīng)驗，讓大家在電源設(shè)計上有進一步的進步。

Q1:如何評估一個系統(tǒng)的電力需求

答:對于一個實際的電子系統(tǒng)，要仔細分析它的用電需求。不僅要考慮輸入電壓、輸出電壓和電流，還要考慮總功耗、電源實現(xiàn)的效率、電源對負載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力、關(guān)鍵器件對功率波動的耐受范圍和相應(yīng)的允許功率紋波，以及散熱問題等。功耗和效率密切相關(guān)，效率高。相同負載功耗下，總功耗較小，對整個系統(tǒng)的功率預(yù)算非常有利。與LDO和開關(guān)電源相比，開關(guān)電源的效率更高。同時，評估效率不僅取決于滿負荷時電源電路的效率，還應(yīng)注意輕負荷時的效率水平。

至于負載瞬態(tài)響應(yīng)能力，對于一些高性能的CPU應(yīng)用會有嚴格的要求，因為當(dāng)CPU突然開始運行繁重的任務(wù)時，啟動電流非常大。如果電源電路響應(yīng)速度不夠，瞬時電壓下降太多太低，導(dǎo)致CPU運行錯誤。

一般來說，所需的實際電源值大多是標稱值的±5%，因此可以根據(jù)它計算出允許的電源紋波，當(dāng)然也要留出余量。

散熱對于大電流電源和LDO非常重要，可以通過計算來評估是否合適。

Q2:如何選擇合適的電源實現(xiàn)電路

答:根據(jù)分析系統(tǒng)需求得到的具體技術(shù)指標，可以選擇合適的電源實現(xiàn)電路。弱電部分一般包括LDO(線性功率變換器)、開關(guān)電源電容降壓變換器和開關(guān)電源電感電容變換器。相比之下，LDO設(shè)計最容易實現(xiàn)，輸出紋波小，但其缺點可能是效率低、發(fā)熱量高、比開關(guān)電源電流小等。但開關(guān)電源電路設(shè)計靈活，效率高，但紋波大，實現(xiàn)復(fù)雜，調(diào)試繁瑣等。

Q3:如何為開關(guān)電源電路選擇合適的元件和參數(shù)

答:很多沒有使用過開關(guān)電源設(shè)計的工程師會害怕，比如擔(dān)心開關(guān)電源的干擾，擔(dān)心PCB布局，擔(dān)心元器件的參數(shù)和類型的選擇。其實只要我們理解，用一個開關(guān)電源設(shè)計是很方便的。

開關(guān)電源一般包括兩部分:開關(guān)電源控制器和輸出。一些控制器將MOSFET集成到芯片中，使其更易于使用，簡化了PCB設(shè)計，但降低了設(shè)計的靈活性。

開關(guān)控制器基本上是一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，所以通常有一個反饋輸出電壓的采樣電路和一個反饋環(huán)路的控制電路。所以這部分的設(shè)計是為了保證采樣電路的準確和控制反饋深度，因為如果反饋回路的響應(yīng)太慢，會對瞬態(tài)響應(yīng)能力產(chǎn)生很大的影響。

輸出部分的設(shè)計包括輸出電容、輸出電感和MOSFET等。這些選擇基本上都是為了滿足性能和成本的平衡。例如，高開關(guān)頻率可以使用小電感值(這意味著小封裝和便宜的成本)，但是高開關(guān)頻率會增加對MOSFET的干擾和開關(guān)損耗，從而降低效率。使用低開關(guān)頻率的結(jié)果相反。

輸出電容的ESR和MOSFET的Rds_on參數(shù)選擇也很關(guān)鍵。小的等效串聯(lián)電阻可以降低輸出紋波，但電容成本會增加，好的電容會很貴。開關(guān)電源控制器的驅(qū)動能力也要注意，太多了

不能很好地驅(qū)動MOSFET。

一般來說，開關(guān)電源控制器的供應(yīng)商會提供具體的計算公式和應(yīng)用方案，供工程師學(xué)習(xí)。

Q4:如何調(diào)試開關(guān)電源電路

回答:有一些經(jīng)驗可以分享給大家

1.電源電路的輸出通過一個低電阻大功率電阻接在板上，這樣就可以先調(diào)試電源電路，不用焊接電阻，避免了后續(xù)電路的影響。

2.一般來說，切換控制器是一個閉環(huán)系統(tǒng)。如果輸出惡化超過閉環(huán)可以控制的范圍，開關(guān)電源將無法正常工作，因此需要仔細檢查反饋和采樣電路。特別是如果使用ESR值大的輸出電容，會產(chǎn)生大量的電源紋波，也會影響開關(guān)電源的工作。

接地技術(shù)探討

Q1:為什么它被禁足了？

答:引入接地技術(shù)原本是為了防止電力或電子設(shè)備被雷擊的保護措施。目的是通過避雷針將閃電產(chǎn)生的雷電流引入地球，從而起到保護建筑物的作用。同時，接地也是一種保護

人身安全的有效手段，當(dāng)相線(如導(dǎo)線絕緣不良、線路老化等。)因某種原因觸碰設(shè)備外殼，設(shè)備外殼內(nèi)會產(chǎn)生危險電壓，由此產(chǎn)生的故障電流會通過PE線流向地面，從而起到保護作用。隨著電子通信等數(shù)字領(lǐng)域的發(fā)展，僅考慮接地系統(tǒng)的防雷和安全已經(jīng)遠遠不能滿足要求。例如，在通信系統(tǒng)中，大量設(shè)備之間的信號互連要求每個設(shè)備都有一個參考“地”作為信號的參考地。而且隨著電子設(shè)備的復(fù)雜化，信號頻率越來越高。因此，在接地設(shè)計中，必須特別注意信號之間的相互干擾等電磁兼容問題，否則，接地不當(dāng)將嚴重影響系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。最近，“接地”的概念被引入到高速信號的信號回流技術(shù)中。

Q2:接地的定義

答:在現(xiàn)代接地概念中，對于線路工程師來說，這個術(shù)語的含義通常是‘線路電壓參考點’；對于系統(tǒng)設(shè)計師來說，往往是機柜或機架；對于電氣工程師來說，它是一根綠色安全接地線或接地

想想。一個常見的定義是“接地是電流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是“低阻抗”和“路徑”。

Q3:常見接地符號

回答:PE、PGND、FG保護地或機殼；BGND或DC-RETURN - DC-48v (+24v)電源回流(電池)；GND -工作場所；DGND -數(shù)字地面；AGND -模擬現(xiàn)場；雷電防護場

Q4:合適的接地方法

答:接地方式有很多種，有單點接地、多點接地、混合接地。而單點接地又分為串聯(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地。一般來說，簡單電路采用單點接地時，不同功能模塊之間的接地區(qū)分，以及低頻(f10MHz)電路，應(yīng)采用多點接地或多層板(完整的地平面層)。

Q5:信號回流和交叉分割介紹

答:對于一個電子信號來說，它需要找到一種方法將阻抗最低的電流返回到地，那么如何處理這種信號返回就變得非常關(guān)鍵。

第一，根據(jù)公式可以知道輻射強度與回路面積成正比，也就是說回流需要走的路徑越長，形成的回路越大，其對外界輻射的干擾越大。因此，在布置PCB時，應(yīng)盡可能減少電源電路和信號電路的面積。

其次，對于一個高速信號來說，提供良好的信號回傳可以保證其信號質(zhì)量，因為PCB上傳輸線的特性阻抗一般是以接地層(或電源層)為基準來計算的。如果在高速線附近有一個連續(xù)的接地面，這條線的阻抗可以保持連續(xù)。如果線段附近沒有接地參考，阻抗會發(fā)生變化，不連續(xù)的阻抗會影響信號的完整性。所以布線的時候，應(yīng)該把高速線分布到靠近地平面的那一層，或者在高速線旁邊走一根或者兩根地線，在附近屏蔽提供回流。

第三，為什么布線時盡量不要跨電源拆分？這也是因為信號經(jīng)過不同的功率層后會有較長的返回路徑，容易受到干擾。當(dāng)然，并不是嚴格要求不能跨電源劃分，但對于低速信號是可以的，因為產(chǎn)生的干擾相比信號可以忽略。對于高速信號，仔細檢查，盡量不要交叉，調(diào)整電源的走線。(這是多層板的多個電源。)

問題6:為什么以及如何將模擬地和數(shù)字地分開？

答:模擬信號和數(shù)字信號都要流回地，因為數(shù)字信號變化快，會對數(shù)字地造成很大的噪聲，模擬信號需要干凈的地參考。如果模擬地和數(shù)字地混在一起，噪聲會影響模擬信號。

一般來說，模擬接地和數(shù)字接地應(yīng)該分開處理，然后通過細線連接在一起或在一個點連接在一起?？偟乃悸肥潜M可能阻擋數(shù)字地到模擬地的噪聲。當(dāng)然，模擬地和數(shù)字地必須分開也不是很嚴格，如果模擬部分附近的數(shù)字地還是干凈的，可以合并。

Q7:單板信號怎么接地？

答:一般設(shè)備，就近接地最好。采用具有完整接地層的多層板設(shè)計后，很容易將一般信號接地?；驹瓌t是保證布線的連續(xù)性，減少過孔數(shù)量；靠近接地層或電源層等。

Q8:單板的接口器件怎么接地？

答:有些單板會有外部I/O接口，比如串口連接器、RJ45連接器等。如果他們的接地設(shè)計不好，會影響正常工作，比如網(wǎng)口互聯(lián)有錯誤碼，丟包等。，并將成為外部電磁干擾源，將電路板內(nèi)部的噪聲發(fā)送到外部。一般來說，一個獨立的接口接地會單獨分開，與信號接地的連接會采用細導(dǎo)線連接，可以串聯(lián)一個0歐姆或小電阻的電阻。細線可以用來阻擋信號地到接口地的噪聲。同樣，接口接地和接口電源的濾波也要認真考慮。

Q9:屏蔽層電纜的屏蔽層怎么接地？

答:屏蔽電纜的屏蔽層應(yīng)接至單板的接口地，而不是信號地。這是因為信號地有各種噪聲。如果屏蔽層連接到信號地，噪聲電壓將驅(qū)動共模電流沿著屏蔽層向外干擾。所以設(shè)計不良的電纜一般是電磁干擾最大的噪聲輸出源。當(dāng)然前提是界面要很干凈。

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