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        什么是硬件開發設計?工程師要做什么?

        2018-10-24 14:51:49分類:硬件開發9080

            ?    ?硬件設計就是根據產品經理的需求PRS,在COGS的要求下,利用目前業界成熟的芯片方案或者技術,在規定時間內完成符合PRS功能,性能,電源設計, 功耗,散熱,噪音,信號完整性, 電磁輻射,安規,器件采購,可靠性,可測試性,可生產性等要求的硬件產品(注意:是產品不是開發板)。

          可以看到,一個成功的硬件設計,主要功能的實現只是所有環節中的一小部分,而且基本來說,主要功能的實現主要是依靠芯片廠商提供的套片方案,一般來說為了降低風險,主要是參考套片方案的參考設計完成,芯片廠商也會提供包括器件封裝,參考設計,仿真模型,PCB參考等等全部資料,在芯片功能越來越復雜的今天,一個片子動不動就幾百上千個PIN,對于一個新項目來說,是沒有時間一頁頁去吃透每個PIN,每個輸入輸出的具體功能,電氣參數的,尤其是對于高速設計,比如DDR3接口,XAUI接口等等。 一般來說芯片廠商提供的參考設計就是他們經過開發,驗證,測試的最佳方案了,很多情況就是你必須按照參考設計來做,否則硬件可能就有問題,一般來說就是信號完整性問題或者EMC問題。 

          芯片廠商提供越來越周到的服務,看起來硬件工程師(HW)的價值越來越低了,畢竟一個產品的核心功能或者技術一般都在ASIC或者FPGA里面了,HW一般沒有能力進行核心邏輯設計IC design, 畢竟這是跟HW設計并行的另一項工作,另一項也很復雜的工作。 對于這個問題,我也曾經困惑過,總是感覺硬件設計沒有什么好搞的了,不就是抄抄參考設計,就跟組裝一臺電腦一樣組裝一個單板嘛。 
         

        硬件設計開發
         

          當然隨著項目經驗的增多,尤其從事現在硬件系統級設計的角色,感覺原來自己考慮更多是從一名原理圖設計工程師的角度考慮問題。 就像開始說的,一個成功的硬件設計,功能Function只是一小部分,至于其他的因素和能力,一個HW的能力取決于能考慮因素越多,越深入,就越是一個優秀的HW工程師。

          1. 成本:任何一個賣硬件產品的公司的主要盈利一般來說就是銷售價格-COGS,而COGS90%取決于設計,剩下就是生產成本了,這個價格一般來說比較透明,代工廠也很多,競爭激烈。雖然說設計成本60%也取決于主要芯片的價格(這個主要要靠公司高層跟芯片廠商談判的結果了,HW的作用有限,更多是系統工程師做決策用什么芯片能符合產品需求和軟件功能需求),但是剩下的電阻,電容,電感,二極管,三極管,保護器件,接口器件,邏輯芯片,邏輯功能,小芯片,電源電路全都是HW做主了,當然有參考設計,不過一般來說參考設計為了更好體現芯片的良好性能,一般會選用比較貴的,性能更好的器件,這就要結合公司的器件庫進行取舍了。 我的經驗是多看看公司的同類產品設計,看看大家主流是用什么器件,畢竟對于元器件來說,價格跟購買量有很大關系,不同的采購量導致的價格可能相差幾倍。 

          2. 信號完整性:  

        ?    ?    ?主要影響兩方面:EMC和時序Timing,不好的SI設計會有很強的過沖over/undershoot,尖峰Spike,這會造成對應頻率N諧振頻率的發射;不好的SI設計會導致High/low不穩定,或者上升時間/下降時間Rising Time/Falling Time占數據周期過長,或者時鐘不穩定,都會導致在接收端采樣Sample時出現誤判斷,實際上,接收端不會出錯,出錯的只是信號。 SI設計在原理圖設計來說,主要從阻抗匹配(串行電阻)上來解決,輔以適當的退耦濾波電容;跟主要是在PCB上,一般來說PCB層數越多,SI會更好,當然這里要跟Cost 進行一個取舍了。 

          3. 電源設計:雖然一般大些的公司都有專門的電源設計工程師,不過對于HW來說,基本的Power設計能力還是很重要的,從道理上來說,任何電路都是一種電源,任何電路問題都可以歸結于一種電源問題,只有對于電源電路理解深入了,才能對于電路板理解跟深入,尤其是對于模擬電路問題,才能想到用模擬電路來設計一些簡單電路,而不是費力用邏輯電路來搭。 

          4. 安規:對于接口電路來說,主要成本都在與安規器件,這個接口究竟要抗多大的電壓,電流打擊?這就要好好考慮用什么器件了,fuse? PTC? TVS?高壓電容?

          5. 電磁兼容EMC/EMI: 主要是針對各個國家的相應規范(安規也是),對于各種可能產生輻射的信號都充分考慮好退耦,濾波,對于歐盟來說一般是EN55022/EN55024,對于美國一般是FCC Part 15, 歐盟和美國的輻射標準略有不同,歐盟的標準稍微嚴格一些。

          6. 功耗:現在都提倡環保,運營商也是,HW也必須考慮省電,比如用效率更高的電源電路,用PWM替代LDO,效率更高的轉換拓撲。 

          7. 散熱:芯片集成度越來越高,單芯片的功耗從幾瓦到現在的幾十瓦,散熱就是一個大問題,而且伴隨著接口的速率提高,接口芯片的功耗也在提高,造成整個系統就是:熱!這就需要好好考慮散熱問題,從PCB的布局,到散熱片Heatsink的使用,到風扇的使用,都有很多考慮。

          8. 噪音:風扇是散熱最好的辦法,但是帶來的問題就是噪聲,ITU對于通信設備的噪聲也有明確的規范,這就需要平衡風扇數量,轉速,風向,控制等因素。

          9. 器件采購:HW選用的器件必須得是Sourcing部門能夠采購到的,而且一般也要考慮second source的問題,和lead time的問題,不能說選用一個只有一個小公司生產的稀有器件,萬一這個器件EoL了,你是怎么辦?只能修改設計了,這就損失大了! 

          10. 可靠性:整個系統MTBF的數值多少?風險最大的器件是什么?每個器件的工作Margin是百分之多少? 

          11. 可測試性/可生產性:主要針對于工廠的考慮,必須考慮到方便工廠的生產測試,方便生產,如果你的測試很復雜,會大大降低生產線的產能和良率,進而影響供貨以及生產成品?! ?/span>

            ?    ?對于參考設計,我感覺最有用的地方主要是供電電路,退耦濾波電路以及Layout設計,至于總線連接,復位電路,時鐘電路,接口電路等等,一般來說都需要根據公司器件庫,設計案例以及業界主流器件/方案進行修改。所以千萬不要迷信參考電路,那只是參考,過分迷信參考設計,自己還沒搞清楚芯片具體功能/參數呢,就COPY過來,即使能夠工作,肯定在成本方面,生產方面有很多問題。

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