硬件设计手册要点.docx
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硬件设计手册要点
硬
件
工
程
师
手
册
目的
规范硬件设计的设计输入、设计范围、设计输出、设计要求，籍此规范来把关硬件设计的关键点。
。
2适用范围
适用于DVDP，DVDRW，PDVD及其相关产品的硬件设计。
3定义
3.1元器件的定义：
在不同的标准中有不同的定义，这里采用GJB4027-2000《军用电子元器件破坏性物理分析方法》中的定义，即元器件（Part或Component）是指“在电子线路或电子设备中执行电气、电子、电磁、机电和光电功能的基本单元。
应基本单元可由一个或多个零件组成，通常不被破坏是不能将其分解的。
3.2一般环境的定义：
温度15～35℃相对湿度：
20%～80%大气压：
86～106KPa
3.3仲裁环境的定义：
温度25±1℃相对湿度：
48%～52%大气压：
86～106KPa
4职责
硬件工程师：
负责原理图输出；
PCB工程师：
负责PCBLAYOUT。
5设计要求规范
硬件设计的输入包括客户明示的要求和潜在的要求，如CRS、ID、CA、法律法规要求（如UL、
CE、CB、FCC、CCC）、知识产权（MACROVISION、DOLBY）的要求等。
硬件的设计必须以满足客户要求为前提，并按照先做系统总体设计，再做好概要设计，最后做详细设计的步骤进行设计。
硬件设计的输出包括但不限于电原理图、PCB、样机、BOM单、EMC及安规工艺要求表等。
本规范包括
✧5.1电原理图制作与PCBLAYOUT
✧5.2元器件选择
✧5.3通用功能与性能设计规范
✧5.4安规设计
✧5.5EMC（不包括ESD）设计
✧5.6ESD设计
✧5.7热设计
✧5.8能效设计
✧5.9噪声设计
✧5.10环保要求设计
✧5.11制造可行性相关设计
✧5.12售后可行性相关设计
✧5.13接口电路的设计规范
5.1电原理图绘制与PCBLAYOUT
本司电原理图制作工具采用ORCAD15.7CIS，原理图八绘制的相关要求请参见《电原理图制图规范》。
原理图的输出目的是为适应PCBLAYOUT的要求，PCBLAYOUT工具软件采用PADS2007之PADSLAYOUT部分，其所需要遵行的规范要求请参见《PCB设计规范》。
特别需要注意的是：
在绘制原理图时，对大电流的电源回路要标示出来，以便PCBLAYOUT时根据下表确定合适的线宽。
温升（K）
10K
20K
30K
铜厚（OZ.）
0.5
1
2
0.5
1
2
0.5
1
2
线宽（inch）
最大通流容量（A）
0.010
0.5
1.0
1.4
0.6
1.2
1.6
0.7
1.5
2.0
0.015
0.7
1.2
1.6
0.8
1.3
2.4
1.0
1.6
3.0
0.020
0.7
1.3
2.1
1.0
1.7
3.0
1.2
2.4
3.0
0.025
0.9
1.7
2.5
1.2
2.2
3.3
1.5
2.8
4.0
0.030
1.1
1.9
3.0
1.4
2.5
4.0
1.7
3.2
5.0
0.050
1.5
2.6
4.0
2.0
3.6
6.0
2.6
4.4
7.3
0.075
2.0
3.5
5.7
2.8
4.5
7.8
3.5
6.0
10.0
0.100
2.6
4.2
6.9
3.5
6.0
9.9
4.3
7.5
12.5
0.200
4.2
7.0
11.5
6.0
10.0
11.0
7.5
13.0
20.5
0.250
5.0
8.3
12.3
7.2
12.3
20.0
9.0
15.0
24.5
PCB板上线宽与电流的关系（TraceCarryingCapacitypermilstd275美军标）
举例说，线宽0.025英寸，铜厚采用2oz.盎斯，而允许温升30度，那查表可知，最大安全电
流是4.0A（安培）。
1oz.等于35微米厚，2oz.等于70微米,以此类推。
5.2元器件选择规范
元器件的选择应遵循公司元器件标准化的要求，从标准化元器件库中选取，尽量选用“优选”类元器件，不选用“淘汰”类元器件，必要时才选用“非优选”类元器件。
下面的选择规范仅仅提供一般的原则供硬件设计人员设计时选取合适的元器件用。
元器件包括分立元件和集成器件两大类，分立元件包括电阻、电容、电感、二极管、三极管等，集成器件主要指集成电路（IntegratedCircuit,简称IC），同时本规范也对一些会用到的其它元器件如天线、喇叭等作一个简单的介绍。
在选择元器件进行设计时,应对参数的选取留有足够的余量,实际使用应力（电、热、机械等应力）应低于元器件的额定值，这就叫元器件的降额使用。
元器件降额的程度以元器件实际承受的应力（工作应力）与额定应力之比来定量表示，此应力之比通常称为降额因子。
元器件降额使用时，降额因子小于1。
元器件降额使用后，能在一定程度上提高元器件的可靠性（降低元器件的工作失效率）。
在设计电子产品时，可以参考国军标GJB/Z35-93《元器件降额准则》决定降额因子。
5.2.1电阻器件的选择规范
电阻的要主要有标称阻值、误差、功率、耐压等参数，在进行电子产品设计时，根据不同的产
品，所关注的参数有所不同，为兼顾到各种设计的需要，这里分别把上述四荐参数的选取原则，考
虑到工艺的要求和可靠性的要求，对条件极限电压、电阻温度系数及工艺条件的选取原则也一并进行了说明。
5.2.1.1阻值的选择
当前，科技的发展日新月异，电子元器件的封装为适应各种产品的需要也多种多样，电阻也不
例外，但就当前的工艺而言，主要有两类封装，一类是插件，另一类是贴片（即SMD）。
下面两个
表分别是插件电阻与SMD电阻的阻值选择指引。
涂绿色的表示优选值，无色表示非优选（又称备选）
值，橙色表示淘汰值，基本上不能选用。
表5.1.1－1插件电阻优先选用表
表5.1.1－2SMD电阻优先选用表
5.2.1.2误差的选择
本司常用的电阻有两种精度，一种＋－5％，另一种是＋－1％。
其中前者是优选值，后者是特殊情况下才使用。
5.2.1.3功率的选择
这里的功率是指电阻所标的额定功率，一般是指在70℃环境温度下进行耐久性试验，而且阻值变
化不超过该试验的允许值时所允许的最大功耗值。
电阻所能承受的功耗与温度的关系称之为降功耗曲线。
该曲线一般在产品目录或规格书中给出。
电阻在实际使用过程中总会发热而产生温升，因此电阻实际承受的功率应在额定功率的30%~40%为宜，以保证电阻长期可靠稳定地工作。
5.2.1.4额定电压的选择
这里的电压是电阻的额定电压，一般是指施加在电阻两端的电压不应超过额定电压或元件极限
电压，两者中取小者.
5.2.1.5条件极限电压
可以连续施加在电阻两端的最大直流电压或交流有效值电压；元件极限电压取决于电阻器的尺寸和制造工艺。
此电压一般在产品目录或标准中给出，选用电阻或进行电阻试验时一定要注意该电压值。
举例如下：
GB8551-87规定的RT13型碳膜固定电阻器的典型数据：
70℃额定功耗
温度系数α
元件极限电压
绝缘电压
最大尺寸
引线直径d
L
D
0.125
+350/-1000
150
250
4.1
1.8
0.5±0.05
GB7275-87规定的RJ15型金属膜固定电阻器的典型数据：
70℃额定功耗
温度系数α
元件极限电压
绝缘电压
最大尺寸
引线直径d
L
D
0.5
±100
350
500
10.5
3.9
0.7±0.05
SJ/T10618-95规定的RYG1功率型金属氧化膜电阻器的典型数据：
70℃额定功耗
阻值范围
温度系数α
元件极限电压
绝缘电压
最大尺寸
引线直径d
L
D
0.5
1Ω~75KΩ
±250
250
350
10
4.0
0.6±0.05
1
1Ω~100KΩ
±250
350
500
13
4.5
0.8±0.05
2
1Ω~120KΩ
350
500
16
6.5
3
1Ω~150KΩ
500
700
24.9
9.5
SJ/T10619-95规定的RYG2功率型金属氧化膜电阻器的典型数据：
70℃额定功耗
阻值范围
温度系数α
元件极限电压
绝缘电压
最大尺寸
引线直径d
L
D
0.5
1Ω~22KΩ
±350
250
350
7.0
2.7
0.6±0.05
1
1Ω~68KΩ
350
500
10
4.0
0.8±0.05
2
1Ω~68KΩ
350
500
13
4.5
3
1Ω~100KΩ
350
500
16
6.5
5
1Ω~100KΩ
500
700
24.9
9.5
注：
电压值是指直流或交流有效值，单位V。
功耗单位W。
直径单位mm。
温度系数单位10-6/℃
5.2.1.6电阻温度系数α的选择
电阻的阻值随着工作温度的变化而变化，这种变化用温度系数来表达，在厂家的技术资料或相关标准中应明确给出，其定义为α=（R1-R2）/（R1.△T）；这种变化对电路的工作稳定性将产生不良影响，电路要求越高，选用的电阻温度系数越小，特别是作为基准电压和提供工作点的电阻，更应该注意这一点。
5.2.1.7工艺条件的选择
这里的工艺条件对本司而言就是指电阻的引线直径及间距。
下面分别进行说明。
5.2.1.7.1引线直径
电阻的引线直径（d）通常在0.45~1.2mm之间，一般情况下1/8W~1/4W电阻采用0.45±0.05mm的引线；1/3W~1/2W电阻采用0.60±0.05mm的引线；1W~3W电阻采用0.80±0.05mm的引线；水泥电阻引线一般较粗，采用0.8~1.2mm的引线，也会采用扁平状引线。
5.2.7.2引线成型间距
◆为了提高插件时的效率，需要对电阻引线进行成型，使其间保证规矩、一致的间距；而对于功率1/2W以上的电阻，将引线予以成型安装，使其离开线路板一定的距离便于散热。
◆电阻引线成型一般是在电阻生产的最后一道工序完成，成型引线的间距由模具来保证，因此电阻引线成型的间距不是随意的，通常，7.5±1mm、10±1mm、12.5±1mm、15±1mm、20±1mm、30±1mm为卧式装配的标准间距，设计时尽量选取标准间距；
◆另外，要求电阻引线成型时一定要注明成型引线的形状，可以是打弯（单弯、双弯、内弯、外弯）也可以是打扁成型，根据装配情况选择；
◆引线成型高度在7~9mm之间，根据厂家提供的数据选择,不必强求统一；电阻引线也可以成型为立式安装结构，但尽量不要采用立式安装。
立式成型尺寸，目前使用较少；在成型方面，请遵循以下尺寸：
5.2.1.8一般选取原则
1选用阻值时尽量在上述标准系列中选取标称阻值；如果要求非标阻值，厂家生产不方便，替换也不方便，还容易造成呆滞料；比如720KΩ即是非标阻值，尽量避免选用。
2满足技术要求的情况下，尽量选取允许偏差大（即精度低）的电阻最为经济；
3氧化膜电阻不宜做高阻，一般不超过200KΩ，超过200K阻值稳定性较差；
4低阻（4.7Ω以下）尽量选金属膜电阻，高阻（2.2MΩ以上）尽量选碳膜电阻；
5高压、高阻、高温、有浪涌的电路中尽量氧化膜电阻；如果价格允许，当然玻璃釉电阻更好；
6在高增益电路中，特别是前置放大器，应选用噪声电动式小的电阻，金属膜电阻噪声电动式最小，其次为金属氧化膜电阻、线绕电阻、碳膜电阻。
5.2.2电容器件的选择规范
电容器（简称电容）也是电子设备中常用的元器件之一，电路中用“C”表示，它主要用于电路
端子
的隔直流、耦合、旁路、延时、滤波、能量转换、谐振回路的调谐及控制电路中时间常数的设置等方面。
电容器的工作原理想必所有的硬件设计人员都清楚，这里不再复述。
但需要注意其参数的决定因素。
因为电容器是将通电性能良好的两块金属板相对平行放置，再在其间放一块不通电的绝缘介质构成。
其容量为：
C=ε×S／d
图5.2.2-1电容器的原理示意图
如右图5.2.2-1所示，电容器的容量，跟金属板的面积、金属板的距离、介质有关。
金属板的面积越大，容量就越大，金属板的距离小，容量就越大，介质的绝缘性能越好，容量就越大。
电容器的种类可分为可变电容和固定电容两大类，各自有电板间的介质种类区分，但其原理都相同。
为了充分发挥电容器的主要功能和作用，电容器必须具备相应的特性，其基本特性主要表现为
静电容量、损耗、漏电流、额定电压、绝缘电阻等方面。
5.2.2.1电容量的选择
静电容量是电极板之间储藏的电荷量。
使用电池对电容器施加电压后，与电池阳极相连的金属板带+Q，与阴极相连的带Q，电荷都是成双成对的，且电量相等，那么金属板间储藏的电量Q与电压和静电容量之间的关系为
ε－绝缘介质常数，S－金属板的面积，ｄ－金属板间距离，V－加在金属板间的电压。
容量的选择与电路所要实现的功能有关，如果是用作退耦电容，一般选取瓷片0.1uF电容最好，如果是低频滤波则必须根据纹波电流的大小来确定滤波电解电容的容量。
在相同材质的情况下，电解电容的容量与其所能承受的纹波电流成正比，即容量越大，所能承受的纹波电流越大。
大多数情况下，我们的硬件设计人员用得最多的是退耦电容和滤波电解电容，另外再介绍一下耦合电容的选取，这里分别介绍它们的选取原则。
◆退耦电容的选择
退耦电容，有时有叫ByPasscapacitor或者旁路电容。
主要作用是去提负载回路与电源回路之间的耦合，防止负载回路反射干扰信号到电源回路，造成二次干扰。
一般在供电回路设计时，都会考虑把高频去耦电容（瓷片电容）与低频滤波电容（最好是瓷片，但考虑成本一般用电解电容）配合使其构成一个高、低频去耦回路。
这里瓷片最好选用无引脚的SMD型（其容量一般为0.01uF－0.1uF），而电解电容最好选取钽电解，但因钽电解太贵。
◆低频滤波电解电容的选择
滤滤电容，特别是用作整流后的滤波电容，一般采用价格低有成本优势的铝电解电容。
其选取的计算公式如下所述。
◆耦合电容的选择
5.2.2.2损耗角正切（tgδ）值的选择
损耗是指电极或端子等电容器本身带有的损耗。
在实际应用中，电容器并不是一个纯电容，
其内部还有等效电阻，因此对电容器施加电压，当电流流动时，会产生无用的热，即电阻损耗。
或者，绝缘体内部随电压方向变化的分子运动也会产生热。
在规定频率的正弦电压下，电容器的损耗角正切（tgδ）等于电容器的损耗功率除以电容器的无功功率。
tgδ＝Rs／Xc＝2πf×c×Rs
c－电容器的实际容量，f－规定频率，Rs－电容器串联等效电阻。
因此，在应用中要注意选择这个参数，避免自身发热过大，以减少设备的失效。
5.2.2.3漏电流的选择
当对电容器施加一定的直流电流时，由于电极间的绝缘物不可能完全阻止电流通过，在达到
预定电压前
有一小部分充电电流流过，随后逐渐变小，但绝对不会达到“0”，一直有微弱电流存在。
即为漏电流。
图2-2
从图2-2可知，电容器的漏电流对电容器的性能有较大的影响，它是区分产品质量好坏的要点，一般要求电容器的漏电流值越小越好。
静音电路和机芯供电电路的电解电容要选用低漏电产品（LC规格≤1uA）,。
5.2.2.4额定电压的选择
额定电压（标称电压）是指在下限类别温度和额定温度之间的任一温度下，可以连续施加在电容器上的最大直流电压或最大交流电压的有效值或脉冲电压的峰值。
一般在不指明的情况下，均指直流额定电压。
电容器在工作的时，其上承受的直流电压应小于额定电压。
使用选择原则：
a、低压时，实际工作电压与额定电压的比率可以高一些；
b、高压时，实际工作电压与额定电压的比率要低一些；
c、工作于交流状态或直流上的脉动交流成份比较大时，比率要选低一些，频率越高，比率越低；d、要求可靠性高时，比率要选低一些。
e、工作电压不应超过电容器的额定工作电压的0.8倍，最坏情况下不超过0.9倍。
5.2.2.5绝缘电阻的选择
理想的电容器，在其上加有直流电压时，应没有电流流过电容器，而实际上存在着微小的漏
电流。
直流电压除以漏电流的值，即为电容器的绝缘电阻。
电容器的绝缘电阻是一个不稳定的参数，它会随着温度、湿度、时间的变化而变化。
R＝U/I（MΩ）
式中：
U―伏特，I―微安
电容器的漏电电流由两部分组成，其中一是通过电容器芯子的电流Iv；二是通过电容器两个引出端的表面路径的电流Is。
当容量较大时（C＞0.1uF）绝缘电阻主要取决于介质的性能，即R≈Rv。
当容量较小时（C＜0.1uF）或容量虽大但表面受潮或沾污时，电容器的绝缘电阻主要取决于电容器表面状态，这时R≈Rs。
电容器的绝缘电阻除了决定于所用的介质材料的性能外，还受测量时间、温度、湿度、电压等因素的影响。
5.2.2.6温度对静电容量、损耗、绝缘电阻的影响
温度对电容器的静电容量、损耗、绝缘电阻都有较大的影响，一般都要求在规定的温度范围内恰当地选择电容器，以便充分电容器的各个特性。
相应的特性曲线如下：
5.2.2.7电容器的优选表依据
可分别参考附件的电解电容、片钽电解电容、片容NP0材质电容、片容X7R材质电容、片容X5R材质电容、片容Y5V材质电容等优选表。
5.2.3电感器件的选择规范
重要说明：
为方便不单独撰写磁珠通用器件的规范，所以这里所提的电感器也包括了通用类磁珠的选用规范。
电感器按其结构的不同可分为线绕式电感器和非线绕式电感器（多层片状、印刷电感等）,还可分为固定式电感器和可调式电感器。
电感按工作频率可分为高频电感器、中频电感器和低频电感器。
电感器按用途可分为振荡电感器、阻流电感器、滤波电感器、隔离电感器、被偿电感器等。
阻流电感器（也称阻流圈）分为高频阻流圈、低频阻流圈、电子镇流器用阻流圈、电视机行频阻流圈和电视机场频阻流圈等。
滤波电感器分为电源（工频）滤波电感器和高频滤波电感器等。
电感器件主要参数有电感量、误差、电流、品质因数和频率特性等。
因为电感器件的种类太多，不同的种类有不同的参数要求，这里分别指电源滤波器、磁珠、EMC用电感等进行介绍。
线圈电感量的大小，主要决定于线圈的直径、匝数及有无铁芯等。
电感线圈的用途不同，所需的电感量也不同。
例如，在高频电路中，线圈的电感量一般为0.1uH—100Ho
电感量的精度，即实际电感量与要求电感量间的误差，对它的要求视用途而定。
对振荡线圈要求较高，为o．2-o．5％。
对耦合线圈和高频扼流圈要求较低，允许10—15％。
对于某些要求电感量精度很高的场合，一般只能在绕制后用仪器测试，通过调节靠近边沿的线匝间距离或线圈中的磁芯位置来实现。
品质因数Q用来表示线圈损耗的大小，高频线圈通常为50—300。
对调谐回路线圈的Q值要求较高，用高Q值的线圈与电容组成的谐振电路有更好的谐振特性；用低Q值线圈与电容组成的谐振电路，其谐振特性不明显。
对耦合线圈，要求可低一些，对高频扼流圈和低频扼流圈，则无要求。
Q值的大小，影响回路的选择性、效率、滤波特性以及频率的稳定性。
一般均希望Q值大，但提高线圈的Q值并不是一件容易的事，因此应根据实际使用场合、对线圈Q值提出适当的要求。
线圈的品质因数为：
Q=ωL/R
式中：
ω——工作角频；
L——线圈的电感量；
R——线圈的总损耗电阻线圈的总损耗电阻，它是由直流电阻、高频电阻（由集肤效应和邻近效应引起）介质损耗等所组成。
"
为了提高线圈的品质因数Q，可以采用镀银铜线，以减小高频电阻；用多股的绝缘线代替具有同样总裁面的单股线，以减少集肤效应；采用介质损耗小的高频瓷为骨架，以减小介质损耗。
采用磁芯虽增加了磁芯损耗，但可以大大减小线圈匝数，从而减小导线直流电阻，对提高线圈Q值有利。
另外，线圈绕组型电感还有固有电容，因为线圈绕组的匝与匝之间存在着分布电容，多层绕组层与层之间，也都存在着分布电容。
这些分布电容可以等效成一个与线圈并联的电容。
电容的存在，使线圈的工作频率受到限制，Q值也下降。
电感的等效电路，实际为一由L、R、和Co组成的并联谐振电路，其谐振频率称为线圈的固有频率。
为了保证线圈有效电感量的稳定，使用电感线圈时，都使其工作频率远低于线圈的固有频率。
为了减小线圈的固有电容，可以减少线圈骨架的直径，用细导线绕制线圈，或采用间绕法、蜂房式绕法。
5.2.3.1电感器的容量选择
5.2.3.1.1磁珠
磁珠有很高的电阻率和磁导率，等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化。
比普通的电感有更好的高频滤波特性，在高频时呈现阻性，所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗，从而提高调频滤波效果。
磁珠的主要原料为铁氧体。
铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。
铁氧体材料为铁镁合金或铁镍合金，它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似，颜色为灰黑色。
电磁干扰滤波器中经常使用的一类磁芯就是铁氧体材料，许多厂商都提供专门用于电磁干扰抑制的铁氧体材料。
这种材料的特点是高频损耗非常大，具有很高的导磁率，他可以是电感的线圈绕组之间在高频高阻的情况下产生的电容最小。
对于抑制电磁干扰用的铁氧体，最重要的性能参数为磁导率μ和饱和磁通密度Bs。
磁导率μ可以表示为复数，实数部分构成电感，虚数部分代表损耗，随着频率的增加而增加。
因此，它的等效电路为由电感L和电阻R组成的串联电路，L和R都是频率的函数。
当导线穿过这种铁氧体磁芯时，所构成的电感阻抗在形式上是随着频率的升高而增加，但是在不同频率时其机理是完全不同的。
在其他条件都满足的情况，选用感量较大的电感器；
5.2.3.1.2电源滤波器
5.2.3.2电感器的电流选择
电感器是导体线圈绕制而成，是有额定电流限制的。
在使用中，电感器的电流要了解相关的线圈的直径与电流的大小之前的关系，如下表：
Gage编号
AWG
Gage編號
AWG
英吋
公厘
英吋
公厘
0
0.3249
8.25
23
0.0226
0.574
1
0.2893
7.35
24
0.0201
0.511
2
0.2576
6.54
25
0.0179
0.455
3
0.2294
5.83
26
0.0159
0.404
4
0.2043
5.19
27
0.0142
0.361
5
0.1819
4.62
28
0.0126
0.320
6
0.1620
4.11
29
0.0113
0.287
7
0.1443
3.67
30
0.0100
0.254
8
0.1285
3.26
31
0.0089
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