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凡亿专栏 | 北京超级硬件设计工程师的养成
北京超级硬件设计工程师的养成

1. 成本Cost:

任何一个卖硬件产品的公司的主要盈利一般来说就是销售价格-COGS,而COGS90%取决于设计,剩下就是生产成本了,这个价格一般来说比较透明,代工厂 也很多,竞争激烈。虽然说设计成本60%也取决于主要芯片的价格(这个主要要靠公司高层跟芯片厂商谈判的结果了,HW的作用有限,更多是系统工程师做决策 用什么芯片能符合产品需求和软件功能需求),但是剩下的电阻,电容,电感,二极管,三极管,保护器件,接口器件,逻辑芯片,逻辑功能,小芯片,电源电路全 都是HW做主了,当然有参考设计,不过一般来说参考设计为了更好体现芯片的良好性能,一般会选用比较贵的,性能更好的器件,这就要结合公司的器件库进行取 舍了。 我的经验是多看看公司的同类产品设计,看看大家主流是用什么器件,毕竟对于元器件来说,价格跟购买量有很大关系,不同的采购量导致的价格可能相差几倍。

2. 信号完整性Signal Integrity:

主要影响两方面:SI和时序Timing,不好的SI设计会有很强的过冲over/undershoot,尖峰Spike,这会造成对应频率N谐振频率的 发射;不好的SI设计会导致High/low不稳定,或者上升时间/下降时间Rising Time/Falling Time占数据周期过长,或者时钟不稳定,都会导致在接收端采样Sample时出现误判断,实际上,接收端不会出错,出错的只是信号。 SI设计在原理图设计来说,主要从阻抗匹配(串行电阻)上来解决,辅以适当的退耦滤波电容;跟主要是在PCB上,一般来说PCB层数越多,SI会更好,当 然这里要跟Cost 进行一个取舍了。

3. 电源设计Power Supply:

虽然一般大些的公司都有专门的电源设计工程师,不过对于HW来说,基本的Power设计能力还是很重要的,从道理上来说,任何电路都是一种电源,任何电路问 题都可以归结于一种电源问题,只有对于电源电路理解深入了,才能对于电路板理解跟深入,尤其是对于模拟电路问题,才能想到用模拟电路来设计一些简单电路, 而不是费力用逻辑电路来搭。

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4. 安规Safety:

对于接口电路来说,主要成本都在与安规器件,这个接口究竟要抗多大的电压,电流打击?这就要好好考虑用什么器件了,fuse? PTC? TVS?高压电容?

5. 电磁兼容EMC/EMI:

主要是针对各个国家的相应规范(安规也是),对于各种可能产生辐射的信号都充分考虑好退耦,滤波,对于欧盟来说一般是EN55022/EN55024,对于美国一般是FCC Part 15, 欧盟和美国的辐射标准略有不同,欧盟的标准稍微严格一些。

6. 功耗(Power Consumption):

现在都提倡环保,运营商也是,HW也必须考虑省电,比如用效率更高的电源电路,用PWM替代LDO,效率更高的转换拓扑。

7. 散热(Thermal/Cooling):

芯片集成度越来越高,单芯片的功耗从几瓦到现在的几十瓦,散热就是一个大问题,而且伴随着接口的速率提高,接口芯片的功耗也在提高,造成整个系统就是:热!这就需要好好考虑散热问题,从PCB的布局,到散热片Heatsink的使用,到风扇的使用,都有很多考虑。

8. 噪音(Noise):

风扇是散热最好的办法,但是带来的问题就是噪声,ITU对于通信设备的噪声也有明确的规范,这就需要平衡风扇数量,转速,风向,控制等因素。

9. 器件采购(Component Sourcing):

HW选用的器件必须得是Sourcing部门能够采购到的,而且一般也要考虑second source的问题,和lead time的问题,不能说选用一个只有一个小公司生产的稀有器件,万一这个器件EoL了,你是怎么办?只能修改设计了,这就损失大了!

10. 可靠性(Reliability):

整个系统MTBF的数值多少?风险最大的器件是什么?每个器件的工作Margin是百分之多少?

11. 可测试性(DFT: design for test)/可生产性(DFM:design for manufacture):

主要针对于工厂的考虑,必须考虑到方便工厂的生产测试,方便生产,如果你的测试很复杂,会大大降低生产线的产能和良率,进而影响供货以及生产成品。对于参考设计,感觉最有用的地方主要是供电电路,退耦滤波电路以及Layout设计,至于总线连接,复位电路,时钟电路,接口电路等等,一般来说都需要根据公司器件库,设计案例以及业界主流器件/方案进行修改。所以千万不要迷信参考电路,那只是参考,过分迷信参考设计,自己还没搞清楚芯片具体功能/参数 呢,就COPY过来,即使能够工作,肯定在成本方面,生产方面有很多问题。


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