硬件攻城狮设计需要考量的11个关键因素

芯片厂商提供越来越周到的服务,硬件工程师只需照着芯片厂商Datasheet、Demo板就能把原理图和PCB画出来,看起来硬件工程师的价值越来越低了。

 

在硬件开发过程中,功能的实现主要是依靠芯片厂商提供的套片方案,主要目的降低风险,芯片厂商也会提供包括器件封装,参考设计,仿真模型,PCB参考等等全部资料,一般来说芯片厂商提供的参考设计就是他们经过开发,验证,测试的最佳方案了。

 但是,主要功能的实现只是所有环节中的一小部分,而且基本来说在芯片功能越来越复杂的今天,很多情况就是你必须按照原厂参考设计来做,站在巨人肩膀上,可省却掉重复工作与烦恼。

硬件工程师除却功能实现,更重要的工作根据产品需求,考量生产成本,在时间效益内完成考量整体功能,效率,电源设计、功耗、散热,噪音,信号完整性,EMC/EMI, Safety,器件采购难易度,可靠性,可测试性,可生产性等要求的硬件产品

 优客板汇整硬体工程师需考量工作要点:

1.生产成本 

任何一个卖硬件产品的公司的主要盈利来自于销售价格与物料、生产成本,主动元件芯片采购上,硬件工程师没有太多着力空间,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,电源电路全都是硬件工程师可以做主了。

原厂的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。硬件工程师多看看同类产品设计,选择符合原始设计,可替代性之元器件。

 2.信号完整性Signal Integrity

 EMC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,不过对于硬件工程师来说,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。

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。

5.电磁兼容EMC=EMI+EMS

 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,硬件工程师也必须考虑省电,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)

 硬件工程师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。 

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