【原】硬件工程师电路设计必须牢记的九大要点分析和案例应用

一. 硬件要点

硬件工程师在进行电路设计时需要考虑的要点有很多，

以下九点我觉得其中的九大关键要点：

• 电源稳定性：

电路设计中，确保电源供电的稳定性是至关重要的。

合适的电源滤波、稳压器的选择以及适当的电源线路布局都能够有效减小电源噪声和波动。

• 高速信号的设计和信号完整性：

保障信号在整个电路中的传输完整性，避免信号失真和损耗。

采用合适的信号线路布局、匹配阻抗和信号线路长度控制等手段，以确保信号质量。

• 热管理：

设计中需要考虑电路的热稳定性，包括各器件的散热设计和热传导。

热问题如果不得当处理可能导致器件故障和性能下降。

• EMI（电磁干扰）：

在电路设计中，需要采取措施来减小电磁干扰和射频干扰，以防止对其他设备的干扰，也防止外部干扰对电路的影响。

• 布线和PCB设计：

合理的布线和PCB设计能够降低信号传输时的损耗和干扰，同时简化电路的维护。

考虑到信号传输的路径长度、阻抗匹配等因素是必要的。

• 器件选择：

选择适当的器件是电路设计的基础。

不同的应用需要不同的器件，包括但不限于电源管理、放大器、传感器等。

确保这些器件在整个系统中良好匹配，提高系统性能。

• 可靠性和稳定性：

电路设计应该追求高度的可靠性和稳定性。

这包括对环境变化的适应性、抗干扰能力以及长时间运行时的稳定性。

• 成本控制：

在电路设计中，考虑到成本是不可避免的。

优化电路设计以降低成本，例如选择更经济的元器件、简化电路结构等。

系统可维护性：

项目最好是可以继承的，有足够的可维护性，以便出了问题能够进行快速简便的维护。

二、工程实例列举

1. 1.     电源是系统的血脉，要舍得成本，这对产品的稳定性和通过各种认证是非常有好处的。
1. 1)     尽量采用∏型滤波，增加10uH电感，每个芯片电源管脚要接104旁路电容;
2. 2)     采用压敏电阻或瞬态二极管，抑制浪涌；
3. 3)     模电和数电地分开，大电流和小电流地回路分开，采用磁珠或零欧电阻隔开；
4. 4)     设计要留有余量，避免电源芯片过热，攻耗达到额定值的50%要用散热片。
2. 
3. 2.     输入IO记得要上拉；输出IO记得核算驱动能力；
4. 3.     不要在运放输出直接并接电容

在直流信号放大电路中，有时候为了降低噪声，直接在运放输出并接去耦电容。虽然放大的是直流信号，但是这样做是很不安全的。当有一个阶跃信号输入或者上电瞬间，运放输出电流会比较大，而且电容会改变环路的相位特性，导致电路自激振荡，这是我们不愿意看到的。

正确的去耦电容应该要组成RC电路，就是在运放的输出端先串入一个电阻，然后再并接去耦电容。这样做可以大大削减运放输出瞬间电流，也不会影响环路的相位特性，可以避免振荡。

1. 4.     高速IO，布线过长采用33殴电阻抑制反射；接收端差分线对间的匹配电阻通常会加, 其值应等于差分阻抗的值。这样信号质量会好些。
2. 5.     各芯片之间电平匹配；各个 PCB 板子相互连接之间的信号或电源在动作时，例如 A 板子有电源或信号送到 B 板子，一定会有等量的电流从地层流回到 A 板子 (此为 Kirchoff current law)。这地层上的电流会找阻抗最小的地方流回去。所以，在各个不管是电源或信号相互连接的接口处，分配给地层的管脚数不能太少，以降低阻抗，这样可以降低地层上的噪声。另外，也可以分析整个电流环路，尤其是电流较大的部分，调整地层或地线的接法，来控制电流的走法(例如，在某处制造低阻抗，让大部分的电流从这个地方走)，降低对其它较敏感信号的影响。
3. 6.     开关器件是否需要避免晶体管开关时的过冲特性；
4. 
5. 7.     单板有可测试电路，能独立完成功能测试；
6. 8.     在电路板中添加测试点。原则上测试点越小越好(当然还要满足测试机具的要求)分支越短越好。要有重要信号测试点和接地点；
7. 9.     避免高频干扰，避免高频干扰的基本思路是尽量降低高频信号电磁场的干扰，也就是所谓的串扰(Crosstalk)。可用拉大高速信号和模拟信号之间的距离，或加 ground guard/shunt traces 在模拟信号旁边。还要注意数字地对模拟地的噪声干扰。

如果每次的原理图PCB设计，都能仔细的核对上面要点，将会提高产品设计的成功率，减少更改次数，缩短设计周期。

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总结：

在电路设计中，硬件工程师需要牢记以下九大要点：

功能需求理解：在设计任何电路之前，理解所需的功能和性能至关重要。这包括对输入、输出、功率、精度和响应时间等方面的明确了解。

选择合适的元器件：选择适当的电子元器件对电路性能至关重要。硬件工程师应该了解各种元器件的特性，并选择符合设计需求的最佳元器件。

考虑稳定性和可靠性：稳定性和可靠性是任何电路设计的关键考虑因素。在设计过程中，需要考虑温度变化、电源波动、元器件老化等因素，并采取相应的措施来确保电路的稳定性和可靠性。

噪声和干扰抑制：在设计电路时，需要考虑并抑制来自各种源头的噪声和干扰。这可能涉及使用滤波器、隔离技术、地线规划等方法来减少噪声和干扰对电路性能的影响。

功耗优化：随着对能源效率的日益关注，功耗优化已成为电路设计的重要考虑因素。硬件工程师应该努力设计低功耗电路，以延长电池寿命或减少能源消耗。

EMC/EMI 符合性：电磁兼容性（EMC）和电磁干扰（EMI）是电路设计中需要重点考虑的方面。确保电路符合相关的EMC/EMI标准，可以减少电磁干扰对周围设备的影响，同时提高电路的可靠性。

故障诊断和保护：在设计电路时，需要考虑故障诊断和保护功能，以便及时发现和处理可能的故障情况，并保护电路和相关设备免受损坏。

成本效益：在设计电路时，需要在功能和性能之间寻找平衡，以确保设计的成本效益。这可能涉及到选择成本效益高的元器件、优化电路拓扑结构等方法。

可维护性和可制造性：考虑到电路的维护和制造过程，设计应该尽可能简化，并采用易于维护和制造的方法和技术。

案例分析： 

一比如设计一个用于工业控制的温度传感器接口电路。

在这个案例中，硬件工程师需要充分理解传感器的工作原理和输出特性，选择合适的放大电路和滤波电路，以确保稳定和准确地读取温度数据。

此外，需要考虑电路的抗干扰能力，以及与控制系统的接口和通信。

同时，设计应该尽可能简化，并考虑到制造和维护的方便性。