硬件设计规范草案.docx

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硬件设计规范草案

概述-----------------------------------------------------------------------------------------------1

1.项目准备---------------------------------------------------------------------------------------2

1.1方案确定-------------------------------------------------------------------------------------2

1.2具体准备-------------------------------------------------------------------------------------2

2.原理图设计------------------------------------------------------------------------------------3

3.PCB设计---------------------------------------------------------------------------------------4

3.1设计中的一般性问题-------------------------------------------------------------------4

3.1.1建立元器件封装库-----------------------------------------------------------------4

3.1.2确定PCB的层数-------------------------------------------------------------------4

3.1.3元件的导入和布局-----------------------------------------------------------------7

3.1.4设计规则和限制--------------------------------------------------------------------7

3.1.5扇出设计-----------------------------------------------------------------------------7

3.1.6手动布线以及关键信号的处理--------------------------------------------------8

3.1.7自动布线-----------------------------------------------------------------------------8

3.1.8布线的整理--------------------------------------------------------------------------9

3.1.9电路板的外观-----------------------------------------------------------------------9

3.1.10机壳设计---------------------------------------------------------------------------9

3.2布线中关于电磁兼容性的特别考虑-------------------------------------------------10

3.2.1发射带宽-----------------------------------------------------------------------------11

3.2.2PCB寄生参数----------------------------------------------------------------------11

3.2.3电流路经-----------------------------------------------------------------------------12

3.2.4两种形式的EMI-------------------------------------------------------------------12

3.2.5电路板设计中控制EMI的技术-------------------------------------------------13

3.2.6器件的位置、布线和布局--------------------------------------------------------15

3.3集成电路的选择上控制EMI的技术------------------------------------------------16

3.4设计中关于信号完整性的特别考虑-------------------------------------------------17

3.4.1SI问题的常见起因----------------------------------------------------------------17

3.4.2SI问题的解决办法----------------------------------------------------------------19

3.5设计中的可制造性的特别考虑-------------------------------------------------------20

3.6电子产品的接地考虑-------------------------------------------------------------------24

3.6.1电子产品为什么要接地-----------------------------------------------------------24

3.6.2“四套法”接地系统---------------------------------------------------------------24

3.6.3“三套法”接地系统---------------------------------------------------------------25

4.调试----------------------------------------------------------------------------------------------27

4.1准备过程----------------------------------------------------------------------------------27

4.2调试过程----------------------------------------------------------------------------------27

5.总结---------------------------------------------------------------------------------------------28

后记-----------------------------------------------------------------------------------------------29

概述

在公司以往的产品开发过程中，由于没有一个明确的设计规范，设计过程中随意性比较大，这给设计过程和生产过程都造成了一定的影响。

为了总结大家在以往设计中积累的经验，以便在以后的开发过程中能共同吸取，有必要制定一份硬件设计规范。

我先将我能想到的和看到的一些经验、注意事项写下来，肯定有许多想不到的或者搞错的地方，权当抛砖引玉，以备大家一同讨论。

为了使设计过程规范化，必须先规范化设计流程。

结合我公司的实际情况，设计流程按先后顺序可分为项目准备、原理图设计、PCB设计、调试、总结等五大部分。

通常都是按以上步骤顺序进行，如果运气不好，可能还需要改板一两次。

下面分别就这五部分需要注意的加以讨论。

由于产品的开发是一项非常复杂的工作，有很多问题需要综合考虑，因此，上面划分的五大部分本身是一个有机的整体，不能割裂开来单独考虑。

PCB的设计是硬件设计当中最关键的部分，在查阅了大量资料的基础上，本规范中用了大量的篇幅进行描述，有些内容已经超出了目前我们所设计的电路的考虑范畴，但为了今后设计更高性能的电路发展需要，也把它们列了出来，以备参考。

由于我们目前所接触到的电路大多都是数字电路，因此在下面的篇幅中主要是讨论了数字电路的设计方法，但由于射频电路、模拟数字混合电路的设计也有一些特有的规则，而且在今后的设计中也很可能会遇到。

因此，在附录中抄录了两篇以往看到的关于设计射频电路、模拟数字混合电路的文章，与大家共享。

1项目准备

项目准备阶段包括提出方案，需求分析，市场分析，成本分析，技术可行性分析，软硬件平台选择，器件选择，核实器件供货状况，资料准备等许多环节。

从某种意义上来说是一个项目开发过程中最重要的阶段，而在项目实施阶段一旦发现有准备阶段考虑不周的地方，很可能意味着一切的推翻重来。

所以，应该格外重视。

1.1方案确定

对于硬件设计人员来说，在准备阶段，首要问题是协同项目负责人选择一个合理的开发平台，主要是指核心芯片和软件平台。

此时必须考虑以下几点：

1．该平台应该能完全胜任所要完成的任务；

2．该平台的性能应该留有余量，以备不时之需；

3．平台的易用性，尽量挑选用过的平台，降低开发难度，缩短开发周期；

4．技术的先进性，这一点所指的是，并非一定要用最新的技术，但一定不能用即将淘汰的技术，否则会缩短产品的生命周期；

5．平台的可扩展性，应该考虑到用来开发的产品相关的后续功能，留足扩展空间；

6．如果采用全新的平台，应该考虑是否购买开发板。

以上几点应该全面考虑，最终拿出一个折衷书面方案。

1.2具体准备

方案确定以后，就应该着手具体的准备工作了。

这时要仔细阅读芯片手册，应用指南等技术资料，如果有新的开发板，应该尽早开始熟悉。

选择相关的外围电路，这时要注意：

1．最好采用芯片手册上推荐的电路；

2．根据产品的定位选择芯片的温度范围；

3．尽量选择常用芯片，不要用偏冷门芯片；

4．紧跟大公司的产品线路，大公司的芯片无论从质量，供货，兼容性，可替代性方面都有优势；

5．联系所有器件（包括各种连接器，接插件）的供货状况（包括价格，货期，最小定量）；

6．联系索取样片，准备所有器件，这一步应该越早越好，不要造成最终“无米下锅

”的局面；

7．电源选择，电子产品中最容易出问题的就是电源，所以一定要谨慎选择：

a.一定要用大厂质量可靠的产品；

b.根据产品的应用场合选择合适的供电方式；

c.根据产品的形态和成本选择使用开板电源还是模块电源；

d.估算电路的功耗，选择电源的容量，一定要留出足够的余量，推荐容量为电路最大功耗的1.5倍到两倍；

e.注意电源的纹波电压，至少要小于100mV，推荐选择小于50mV；

f.根据电源的功耗考虑散热问题。

2.原理图设计

准备充分之后，就要开始设计原理图了。

与此同时，应该确定与软件人员的接口问题了。

在这期间，都应该注意以下一些问题：

1．仔细阅读各种有用资料，并做好笔记；

2．鉴于通用性，建议目前统一采用Protel软件进行设计；

3．为规范起见，建议每一个工程都建立各自的原理图库；

4．原理图设计时，建议模块化，不同的功能模块绘于不同的图纸上，最终统一由一张图纸连接各模块；

5．网络标号统一命名，标号应该能使人望文生义，低电平有效的引脚建议统

标示出；

6．统一器件编号，使器件编号连续；

7．如果需要设计成多板电路，注意确定板间连接方式和线序；

8．如果必须采用PLD，则应该：

a.估算所需容量，选择合适的器件，器件容量建议比实际容量需求大三分之一左右；

b.确定与其它电路接口，开始内部逻辑设计；

c.为了以后功能扩展，建议将主芯片当中不用的引脚都接到PLD上，并将PLD空余管脚结合电源、地都连到一排插针上；

d.为调试方便，建议接几个LED到PLD上；

9．原理图设计完成后，仔细检查，确认无误后，生成网络表，以备设计PCB时调用。

3.PCB设计

PCB设计是硬件设计中最为复杂的，也是一名硬件设计人员设计水平的集中体现，应该特别注意。

尤其是目前芯片的速度越来越快，稍有不慎，就有可能前功尽弃，在设计的过程中，需要考虑许多问题，集中体现在电磁兼容（EMC）、信号完整性（SI）、可制造性（DFM）和接地等几大方面，下面首先列出设计中需要注意的一般性问题，然后分别就电磁兼容性、信号完整性、可制造性以及接地的一些特殊要求加以探讨。

3.1设计中的一般性问题

当前的硬件设计一般都采取电子辅助设计（EDA）软件来完成。

在我们公司目前推荐采用Protel及Spectra。

在EDA设计中，通过很多人的实际设计经验，总结出了一些设计的一般规则和技巧，下面按照设计的先后顺序列出，以备以后设计过程中参考：

3.1.1建立元器件的封装库

设计PCB之前，首先要建立所有元器件的封装库，建议一般的阻容件和常用的封装形式采用Protel提供的标准库；而一些特殊的芯片、器件则要按照手册上的尺寸绘出。

一些存在多种封装的芯片设计使尽量考虑各种封装的兼容性。

管脚数目比较多的芯片，在旁边应加上管脚计数参考点，这在调试时会体现出它的优点来；这种芯片在其对角线的延长线上也要加上焊接参考点。

3.1.2确定PCB的层数

电路板尺寸和布线层数需要在设计初期确定。

如果设计要求使用高密度球栅阵列（BGA）组件，就必须考虑这些器件布线所需要的最少布线层数。

布线层的数量以及层叠（stack-up）方式会直接影响到印制线的布线和阻抗。

板的大小有助于确定层叠方式和印制线宽度，实现期望的设计效果。

多年来，人们总是认为电路板层数越少成本就越低，但是影响电路板的制造成本还有许多其他因素。

近几年来，多层板之间的成本差别已经大大减小。

在开始设计时最好采用较多的电路层并使敷铜均匀分布，以避免在设计临近结束时才发现有少量信号不符合已定义的规则以及空间要求，从而被迫添加新层。

在设计之前认真的规划将减少布线中很多的麻烦。

什麽样的

层叠策略有助於屏蔽和抑制EMI？

以下层叠方案假定电源电流在单一层上流动，单电压或多电压分布在同一层的不同部份。

由于双面板中不可能有单独的地层或电源层，只能通过覆铜的办法抑制EMI，不存在层叠方案，因此，下面就比较常用的多层板：

四层板和六层板的层叠方案加以讨论。

1.四层板

四层板设计存在若干潜在问题。

首先，传统的厚度为62mil的四层板，即使信号层在外层，电源和接地层在内层，电源层与接地层的间距仍然过大。

如果成本要求是第一位的，可以考虑以下两种传统四层板的替代方案。

这两个方案都能改善EMI抑制的性能，但只适用於板上元件密度足够低和元件周围有足够面积（放置所要求的电源覆铜层）的场合。

第一种为首选方案，PCB的外层均为地层，中间两层均为信号/电源层。

信号层上的电源用宽线走线，这可使电源电流的路径阻抗低，且信号微带路径的阻抗也低。

从EMI控制的角度看，这是现有的最佳四层PCB结构。

第二种方案的外层走电源和地，中间两层走信号。

该方案相对传统四层板来说，改进要小一些，层间阻抗和传统的四层板一样欠佳。

如果要控制走线阻抗，上述堆叠方案都要非常小心地将走线布置在电源和接地铺铜岛的下边。

另外，电源或地层上的铺铜岛之间应尽可能地互连在一起，以确保DC和低频的连接性。

2．六层板

如果四层板上的元件密度比较大，则最好采用六层板。

但是，六层板设计中某些叠层方案对电磁场的屏蔽作用不够好，对电源汇流排瞬态信号的降低作用甚微。

下面讨论两个实例。

第一例将电源和地分别放在第2和第5层，由于电源覆铜阻抗高，对控制共模EMI辐射非常不利。

不过，从信号的阻抗控制观点来看，这一方法却是非常正确的。

第二例将电源和地分别放在第3和第4层，这一设计解决了电源覆铜阻抗问题，由於第1层和第6层的电磁屏蔽性能差，差模EMI增加了。

如果两个外层上的信号线数量最少，走线长度很短（短於信号最高谐波波长的1/20），则这种设计可以解决差模EMI问题。

将外层上的无元件和无走线区域铺铜填充并将覆铜区接地（每1/20波长为间隔），则对差模EMI的抑制特别好。

如前所述，要将铺铜区与内部接地层多点相联。

通用高性能六层板设计一般将第1和第6层布为地层，第3和第4层走电源和地。

由於在电源层和接地层之间是两层居中的双微带信号线层，因而EMI抑制能力是优异的。

该设计的缺点在於走线层只有两层。

前面介绍过，如果外层走线短且在无走线区域铺铜，则用传统的六层板也可以实现相同的堆叠。

另一种六层板布局为信号、地、信号、电源、地、信号，这可实现高级信号完整性设计所需要的环境。

信号层与接地层相邻，电源层和接地层配对。

显然，不足之处是层的堆叠不平衡。

这通常会给加工制造带来麻烦。

解决问题的办法是将第3层所有的空白区域填铜，填铜後如果第3层的覆铜密度接近於电源层或接地层，这块板可以不严格地算作是结构平衡的电路板。

填铜区必须接电源或接地。

连接过孔之间的距离仍然是1/20波长，不见得处处都要连接，但理想情况下应该连接。

3.1.3元件的导入和布局

在确定好电路板的层数，导入网络表后，就要考虑元件的布局。

为最优化装配过程，可制造性设计（DFM）规则会对元件布局产生限制。

如果装配部门允许元件移动，可以对电路适当优化，更便于自动布线。

所定义的规则和约束条件会影响布局设计。

在布局时需考虑布线路径（routingchannel）和过孔区域，如图1所示。

这些路径和区域对设计人员而言是显而易见的，但自动布线工具一次只会考虑一个信号，通过设置布线约束条件以及设定可布信号线的层，可以使布线工具能像设计师所设想的那样完成布线。

3.1.4设计规则和限制

自动布线工具本身并不知道应该做些什么。

为完成布线任务，布线工具需要在正确的规则和限制条件下工作。

不同的信号线有不同的布线要求，要对所有特殊要求的信号线进行分类，不同的设计分类也不一样。

每个信号类都应该有优先级，优先级越高，规则也越严格。

规则涉及印制线宽度、过孔的最大数量、平行度、信号线之间的相互影响以及层的限制，这些规则对布线工具的性能有很大影响。

认真考虑设计要求是成功布线的重要一步。

3.1.5扇出设计

在扇出设计阶段，要使自动布线工具能对元件引脚进行连接，表面贴装器件的每一个引脚至少应有一个过孔，以便在需要更多的连接时，电路板能够进行内层连接、在线测试（ICT）和电路再处理。

为了使自动布线工具效率最高，一定要尽可能使用最大的过孔尺寸和印制线，间隔设置为50mil较为理想。

要采用使布线路径数最大的过孔类型。

进行扇出设计时，要考虑到电路在线测试问题。

测试夹具可能很昂贵，而且通常是在即将投入全面生产时才会订购，如果这时候才考虑添加节点以实现100%可测试性就太晚了。

经过慎重考虑和预测，电路在线测试的设计可在设计初期进行，在生产过程后期实现，根据布线路径和电路在线测试来确定过孔扇出类型，电源和接地也会影响到布线和扇出设计。

为降低滤波电容器连接线产生的感抗，过孔应尽可能靠近表面贴装器件的引脚，必要时可采用手动布线，这可能会对原来设想的布线路径产生影响，甚至可能会导致你重新考虑使用哪种过孔，因此必须考虑过孔和引脚感抗间的关系并设定过孔规格的优先级。

3.1.6手动布线以及关键信号的处理

尽管主要采用自动布线，但手动布线在现在和将来都是印刷电路板设计的一个重要过程。

采用手动布线有助于自动布线工具完成布线工作。

通过对挑选出的网络（net）进行手动布线并加以固定，可以形成自动布线时可依据的路径。

无论关键信号的数量有多少，首先对这些信号进行布线，手动布线或结合自动布线工具均可。

关键信号通常必须通过精心的电路设计才能达到期望的性能。

布线完成后，再对这些信号布线进行检查，这个过程相对容易得多。

检查通过后，将这些线固定，然后开始对其余信号进行自动布线。

3.1.7自动布线

对关键信号的布线需要考虑在布线时控制一些电参数，比如减小分布电感和EMI等，对于其它信号的布线也类似。

所有的EDA厂商都会提供一种方法来控制这些参数。

在了解自动布线工具有哪些输入参数以及输入参数对布线的影响后，自动布线的质量在一定程度上可以得到保证。

应该采用通用规则来对信号进行自动布线。

通过设置限制条件和禁止布线区来限定给定信号所使用的层以及所用到的过孔数量，布线工具就能按照设计思想来自动布线。

如果对自动布线工具所用的层和所布过孔的数量不加限制，自动布线时将会使用到每一层，而且将会产生很多过孔。

在设置好约束条件和应用所创建的规则后，自动布线将会达到与预期相近的结果，当然可能还需要进行一些整理工作，同时还需要确保其它信号和网络布线的空间。

在一部分设计完成以后，将其固定下来，以防止受到后边布线过程的影响。

采用相同的步骤对其余信号进行布线。

布线次数取决于电路的复杂性和你所定义的通用规则的多少。

每完成一类信号后，其余网络布线的约束条件就会减少。

但随之而来的是很多信号布线需要手动干预。

现在的自动布线工具功能非常强大，通常可完成100%的布线。

但是当自动布线工具未完成全部信号布线时，就需对余下的信号进行手动布线。

自动布线的设计要点包括：

1.略微改变设置，试用多种路径布线；

2.保持基本规则不变，试用不同的布线层、不同的印制线和间隔宽度以及不同线宽、不同类型的过孔如盲孔、埋孔等，观察这些因素对设计结果有何影响；

3.让布线工具对那些默认的网络根据需要进行处理；

4.信号越不重要，自动布线工具对其布线的自由度就越大。

3.1.8布线的整理

EDA工具软件能够列出信号的布线长度，检查这些数据，可能会发现一些约束条件很少的信号布线的长度很长。

这个问题比较容易处理，通过手动编辑可以缩短信号布线长度和减少过孔数量。

在整理过程中，你需要判断出哪些布线合理，哪些布线不合理。

同手动布线设计一样，自动布线设计也能在检查过程中进行整理和编辑。

3.1.9电路板的外观

以前的设计常常注意电路板的视觉效果，现在不一样了。

自动设计的电路板不比手动设计的美观，但在电子特性上能满足规定的要求，而且设计的完整性能得到保证。

3.1.10机壳设计

在产品设计中，硬件人员要根据产品的运行环境、电路板的大小、各种对外的接口、散热、防潮等各方面情况提出对机壳的要求，并配合结构设计人员完成最终的机壳设计。

由于我们公司目前没有专门的结构设计人员，所有的结构设计都必须由硬件设计人员来完成总体规划然后委托机壳生产厂家来完成。

这给我们的设计人员提出了更高的要求。

3.2布线中关于电磁兼容性的特别考虑

电磁干扰（EMI）指电路板发出的杂散能量或外部进入电路板的杂散能量，它包括：

传导型（低频）EMI、辐射型（高频）EMI、ESD（静电放电）或雷电引起的EMI。

传导型和辐射型EMI具有差模和共模表现形式。

在处理各种形式的EMI时，必须具体问题具体分析。

对于ESD和雷电引起的EMI，必须利用EMI抑制器件在ESD和雷电进入系统之前予以消除，防止由此导致的系统工作异常或损坏。

对传导型或低频EMI，不论是接收还是发送，都要在电源线上和电路板输入/输出口的传输线路上采取滤波措施。

辐射型EMI的抑制有3种基本形式：

电子滤波、机械屏蔽和