硬件電路設(shè)計(jì)規(guī)范：非常好的硬件設(shè)計(jì)參考

2017-06-20  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

硬件電路設(shè)計(jì)流程系列--方案設(shè)計(jì) (目錄)

一、硬件電路設(shè)計(jì)流程系列--硬件電路設(shè)計(jì)規(guī)范
二、硬件電路設(shè)計(jì)流程系列--方案設(shè)計(jì)(1) :主芯片選型
三、硬件電路設(shè)計(jì)流程系列--方案設(shè)計(jì)(2) :芯片選購
四、硬件電路設(shè)計(jì)流程系列--方案設(shè)計(jì)(3) :功耗分析與電源設(shè)計(jì)
五、硬件電路設(shè)計(jì)流程系列--方案設(shè)計(jì)(4):設(shè)計(jì)一個(gè)合適的系統(tǒng)電源

1、 詳細(xì)理解設(shè)計(jì)需求,從需求中整理出電路功能模塊和性能指標(biāo)要求;

2、 根據(jù)功能和性能需求制定總體設(shè)計(jì)方案,對(duì) CPU 進(jìn)行選型,

CPU 選型有以下幾點(diǎn)要求:
a) 性價(jià)比高;
b) 容易開發(fā):體現(xiàn)在硬件調(diào)試工具種類多,參考設(shè)計(jì)多,軟件資源豐富,成功案例多;
c) 可擴(kuò)展性好;

3、 針對(duì)已經(jīng)選定的 CPU 芯片,選擇一個(gè)與我們需求比較接近的成功參考設(shè)計(jì),一般 CPU 生產(chǎn)商或他們的合作方都會(huì)對(duì)每款 CPU芯片做若干開發(fā)板進(jìn)行驗(yàn)證,比如 440EP 就有 yosemite 開發(fā)板和bamboo 開發(fā)板,我們參考得是 yosemite 開發(fā)板,廠家最后公開給用戶的參考設(shè)計(jì)圖雖說不是產(chǎn)品級(jí)的東西,也應(yīng)該是經(jīng)過嚴(yán)格驗(yàn)證的,否則也會(huì)影響到他們的芯片推廣應(yīng)用,縱然參考設(shè)計(jì)的外圍電路有可推敲的地方,CPU 本身的管腳連接使用方法也絕對(duì)是值得我們信賴的,當(dāng)然如果萬一出現(xiàn)多個(gè)參考設(shè)計(jì)某些管腳連接方式不同,可以細(xì)讀 CPU 芯片手冊(cè)和勘誤表,或者找廠商確認(rèn);另外在設(shè)計(jì)之前,最好我們能外借或者購買一塊選定的參考板進(jìn)行軟件驗(yàn)證,如果沒問題那么硬件參考設(shè)計(jì)也是可以信賴的;但要注意一點(diǎn),現(xiàn)在很多 CPU都有若干種啟動(dòng)模式,我們要選一種最適合的啟動(dòng)模式,或者做成兼容設(shè)計(jì)。

4、 根據(jù)需求對(duì)外設(shè)功能模塊進(jìn)行元器件選型,元器件選型應(yīng)該遵守以下原則:

a) 普遍性原則:所選的元器件要被廣泛使用驗(yàn)證過的盡量少使用冷偏芯片,減少風(fēng)險(xiǎn);
b) 高性價(jià)比原則:在功能、性能、使用率都相近的情況下,盡量選擇價(jià)格比較好的元器件,減少成本;
c) 采購方便原則:盡量選擇容易買到,供貨周期短的元器件;
d) 持續(xù)發(fā)展原則:盡量選擇在可預(yù)見的時(shí)間內(nèi)不會(huì)停產(chǎn)的元器件;
e) 可替代原則:盡量選擇 pin to pin 兼容種類比較多的元器件;
f) 向上兼容原則:盡量選擇以前老產(chǎn)品用過的元器件;
g) 資源節(jié)約原則:盡量用上元器件的全部功能和管腳;

5、 對(duì)選定的 CPU 參考設(shè)計(jì)原理圖外圍電路進(jìn)行修改,修改時(shí)對(duì)于每個(gè)功能模塊都要找至少 3 個(gè)相同外圍芯片的成功參考設(shè)計(jì),如果找到的參考設(shè)計(jì)連接方法都是完全一樣的,那么基本可以放心參照設(shè)計(jì),但即使只有一個(gè)參考設(shè)計(jì)與其他的不一樣,也不能簡(jiǎn)單地少數(shù)服從多數(shù),而是要細(xì)讀芯片數(shù)據(jù)手冊(cè),深入理解那些管腳含義,多方討論,聯(lián)系芯片廠技術(shù)支持,最終確定科學(xué)、正確的連接方式,如果仍有疑義,可以做兼容設(shè)計(jì);這是整個(gè)原理圖設(shè)計(jì)過程中最關(guān)鍵的部分,我們必須做到以下幾點(diǎn):

a) 對(duì)于每個(gè)功能模塊要盡量找到更多的成功參考設(shè)計(jì),越難的應(yīng)該越多,成功參考設(shè)計(jì)是“前人”的經(jīng)驗(yàn)和財(cái)富,我們理當(dāng)借鑒吸收,站在“前人”的肩膀上,也就提高了自己的起點(diǎn);
b) 要多向權(quán)威請(qǐng)教、學(xué)習(xí),但不能迷信權(quán)威,因?yàn)槿巳硕加姓J(rèn)知誤差,很難保證對(duì)哪怕是最了解的事物總能做出最科學(xué)的理解和判斷,開發(fā)人員一定要在廣泛調(diào)查、學(xué)習(xí)和討論的基礎(chǔ)上做出最科學(xué)正確的決定;
c) 如果是參考已有的老產(chǎn)品設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)中要留意老產(chǎn)品有哪些遺留問題,這些遺留問題與硬件哪些功能模塊相關(guān),在設(shè)計(jì)這些相關(guān)模塊時(shí)要更加注意推敲,不能機(jī)械照抄原來設(shè)計(jì),比如我們老產(chǎn)品中的 IDE 經(jīng)常出問題,經(jīng)過仔細(xì)斟酌,廣泛討論和參考其他成功設(shè)計(jì),發(fā)現(xiàn)我們的 IDE 接口有兩個(gè)管腳連線方式確實(shí)不規(guī)范;還有,針對(duì)FGPI 通道丟視頻同步信號(hào)的問題,可以在硬件設(shè)計(jì)中引出硬件同步信號(hào)管腳,以便進(jìn)一步驗(yàn)證,更好發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì);

6、 硬件原理圖設(shè)計(jì)還應(yīng)該遵守一些基本原則,這些基本原則要貫徹到整個(gè)設(shè)計(jì)過程,雖然成功的參考設(shè)計(jì)中也體現(xiàn)了這些原則,但因?yàn)槲覀兛赡苁恰捌础背鰜淼脑韴D,所以我們還是要隨時(shí)根據(jù)這些原則來設(shè)計(jì)審查我們的原理圖,這些原則包括:

a) 數(shù)字電源和模擬電源分割;
b) 數(shù)字地和模擬地分割,單點(diǎn)接地,數(shù)字地可以直接接機(jī)殼地(大地),機(jī)殼必須接大地;
c) 保證系統(tǒng)各模塊資源不能沖突,例如:同一 I2C 總線上的設(shè)備地址不能相同,等等;
d) 閱讀系統(tǒng)中所有芯片的手冊(cè)(一般是設(shè)計(jì)參考手冊(cè)),看它們的未用輸入管腳是否需要做外部處理,如果需要一定要做相應(yīng)處理,否則可能引起芯片內(nèi)部振蕩,導(dǎo)致芯片不能正常工作;
e) 在不增加硬件設(shè)計(jì)難度的情況下盡量保證軟件開發(fā)方便,或者以小的硬件設(shè)計(jì)難度來換取更多方便、可靠、高效的軟件設(shè)計(jì),這點(diǎn)需要硬件設(shè)計(jì)人員懂得底層軟件開發(fā)調(diào)試,要求較高;
f) 功耗問題;

g) 產(chǎn)品散熱問題,可以在功耗和發(fā)熱較大的芯片增加散熱片或風(fēng)扇,產(chǎn)品機(jī)箱也要考慮這個(gè)問題,不能把機(jī)箱做成保溫盒,電路板對(duì)“溫室”是感冒的;還要考慮產(chǎn)品的安放位置,最好是放在空間比較大,空氣流動(dòng)暢通的位置,有利于熱量散發(fā)出去;

7、 硬件原理圖設(shè)計(jì)完成之后,設(shè)計(jì)人員應(yīng)該按照以上步驟和要求首先進(jìn)行自審,自審后要達(dá)到有 95%以上把握和信心,然后再提交他人審核,其他審核人員同樣按照以上要求對(duì)原理圖進(jìn)行嚴(yán)格審查,如發(fā)現(xiàn)問題要及時(shí)進(jìn)行討論分析,分析解決過程同樣遵循以上原則、步驟;

8、 只要開發(fā)和審核人員都能夠嚴(yán)格按以上要求進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和審查,我們就有理由相信,所有硬件開發(fā)人員設(shè)計(jì)出的電路板一版成功率都會(huì)很高的,所以提出以下幾點(diǎn):

a) 設(shè)計(jì)人員自身應(yīng)該保證原理圖的正確性和可靠性,要做到設(shè)計(jì)即是審核,嚴(yán)格自審,不要把希望寄托在審核人員身上,設(shè)計(jì)出現(xiàn)的任何問題應(yīng)由設(shè)計(jì)人員自己承擔(dān),其他審核人員不負(fù)連帶責(zé)任;
b) 其他審核人員雖然不承擔(dān)連帶責(zé)任,也應(yīng)該按照以上要求進(jìn)行嚴(yán)格審查,一旦設(shè)計(jì)出現(xiàn)問題,同樣反映了審核人員的水平、作風(fēng)和態(tài)度;
c) 普通原理圖設(shè)計(jì),包括老產(chǎn)品升級(jí)修改,原則上要求原理圖一版成功,最多兩版封板,超過兩版將進(jìn)行績(jī)效處罰;

d) 對(duì)于功能復(fù)雜,疑點(diǎn)較多的全新設(shè)計(jì),原則上要求原理圖兩版內(nèi)成功,最多三版封板,超過三版要進(jìn)行績(jī)效處罰;
e)原理圖封板標(biāo)準(zhǔn)為:電路板沒有任何原理性飛線和其他處理點(diǎn);

9、 以上提到原理圖設(shè)計(jì)相關(guān)的獎(jiǎng)勵(lì)和處罰具體辦法將在廣泛調(diào)查研究之后制定,征得公司領(lǐng)導(dǎo)同意后發(fā)布實(shí)施;

10、 制定此《規(guī)范》的目的和出發(fā)點(diǎn)是為了培養(yǎng)硬件開發(fā)人員嚴(yán)謹(jǐn)、務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)和嚴(yán)肅、認(rèn)真的工作態(tài)度,增強(qiáng)他們的責(zé)任感和使命感,提高工作效率和開發(fā)成功率,保證產(chǎn)品質(zhì)量;希望年輕的硬件開發(fā)人員能在磨練中迅速成長(zhǎng)起來!

對(duì)于我們目前重點(diǎn)設(shè)計(jì)的相關(guān)模擬電路產(chǎn)品,沒有主用芯片、外圍芯片以及芯片與芯片之間的連接方面的問題。所以,元器件的選項(xiàng)尤為重要,對(duì)于硬件設(shè)計(jì)的一些基本原則一定要注意。

平臺(tái)的選擇很多時(shí)候和系統(tǒng)選擇的算法是相關(guān)的,所以如果要提高架構(gòu),平臺(tái)的設(shè)計(jì)能力,得不斷提高自身的算法設(shè)計(jì),復(fù)雜度評(píng)估能力,帶寬分析能力。

常用的主處理器芯片有:單片機(jī),ASIC,RISC(DEC Alpha、ARC、ARM、MIPS、PowerPC、SPARC 和 SuperH ),DSP 和 FPGA 等,這些處理器的比較在網(wǎng)上有很多的文章,在這里不老生常談了,這里只提 1 個(gè)典型的主處理器選型案例。

比如市場(chǎng)上現(xiàn)在有很多高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)(HD-IPNC)的設(shè)計(jì)需求,而 IPNC 的解決方案也層出不窮,TI 的解決方案有 DM355、DM365、DM368 等,海思提供的方案則有 Hi3512、Hi3515、Hi3520 等,NXP提供的方案有 PNX1700、PNX1005 等。

對(duì)于 HD-IPNC 的主處理芯片,有幾個(gè)主要的技術(shù)指標(biāo):視頻分辨率,視頻編碼器算法,最高支持的圖像抓拍分辨率,CMOS 的圖像預(yù)處理能力,以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的開發(fā)平臺(tái)。

Hi3512 單芯片實(shí)現(xiàn) 720P30 H.264 編解碼能力,滿足高清 IP Camera應(yīng)用, Hi3515 可實(shí)現(xiàn) 1080P30 的編解碼能力,持續(xù)提升高清 IPCamera 的性能。

DM355 單芯片實(shí)現(xiàn) 720P30 MPEG4 編解碼能力,DM365 單芯片實(shí)現(xiàn) 720P30 H.264 編解碼能力, DM368 單芯片實(shí)現(xiàn) 1080P30 H.264編解碼能力。

DM355 是 2007 Q3 推出的,DM365 是 2009 Q1 推出的,DM368是 2010 Q2 推出的。海思的同檔次解決方案也基本上與之同時(shí)出現(xiàn)。海思和 TI 的解決方案都是基于 linux,對(duì)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的開發(fā)而言,開源社區(qū)的資源是沒有區(qū)別的,區(qū)別的只在于芯片供應(yīng)商提供的SDK 開發(fā)包,兩家公司的 SDK 離產(chǎn)品都有一定的距離,但是 linux的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)并不是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn),所以并不影響產(chǎn)品的推廣。

作為 IPNC 的解決方案,在 720P 時(shí)代,海思的解決方案相對(duì)于 TI的解決方案,其優(yōu)勢(shì)是支持了 H.264 編解碼算法,而 TI 只支持了MPEG4 的編解碼算法。雖然在 2008 年初,MPEG4 的劣勢(shì)在市場(chǎng)上已經(jīng)開始體現(xiàn)出來,但在當(dāng)時(shí)這似乎并不影響 DM355 的推廣。

對(duì)于最高支持的圖像抓拍分辨率,海思的解決方案可以支持支持JPEG 抓拍 3M Pixels@5fps,DM355 最高可以支持 5M Pixels,雖然當(dāng)時(shí)沒有成功的開發(fā)成 5M Pixel 的抓拍(內(nèi)存分配得有點(diǎn)兒?jiǎn)栴},后來就不折騰了),但是至少 4M Pixel 的抓拍是實(shí)現(xiàn)了的,而且有幾個(gè)朋友已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 2560x1920 這個(gè)接近 5M Pixel 的抓拍,所以在這一點(diǎn)上 DM355 稍微勝出。

因?yàn)樵诟咔宸直媛氏?CCD 傳感器非常昂貴,而 CMOS 傳感器像原尺寸又做不大,導(dǎo)致本身在低照度下就性能欠佳的 CMOS 傳感器的成像質(zhì)量在高分辨率時(shí)變差,于是 TI 在 DM355 處理器內(nèi)部集成了一個(gè)叫做 ISP 的圖像預(yù)處理模塊,它由 CCDC,IPIPE,IPIPEIF 和 H3A模塊組成,能幫助實(shí)現(xiàn)把 CMOS 的 RAW DATA(一般是指 Bayer格式數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)成 YCbCr 數(shù)據(jù),同時(shí)實(shí)現(xiàn)包括白平衡調(diào)節(jié),直方圖統(tǒng)計(jì),自動(dòng)曝光,自動(dòng)聚焦等采用 CMOS 解決方案所必須的功能,故DM355 處理器就可以無縫的對(duì)接各種圖像傳感器了。而海思的解決方案對(duì)于 CMOS 的選擇就有局限性,它只能用 OVT 一些解決方案,因?yàn)?OVT 的部分 Sensor 集成了圖像預(yù)處理功能。但是 DM355 不僅可以接 OVT 的解決方案,還可接很多其他廠家的 CMOS sensor,比如 Aptina 的 MT9P031。所以在圖像預(yù)處理能力方面,DM355 繼續(xù)勝出。

在 IPNC 這個(gè)領(lǐng)域,只要每臺(tái)掙 1 個(gè)美金就可以開始跑量,所以在那個(gè)時(shí)代,很少有人會(huì)去死摳 H.264 和 MPEG4 的性能差異,而且 TI已經(jīng)給了市場(chǎng)一個(gè)很好的預(yù)期,支持 H.264 的 DM365 很快就會(huì)面世。所以 IPNC 這個(gè)方案而言,當(dāng)時(shí)很多企業(yè)都選擇了 DM355 的方案。有些朋友現(xiàn)在已經(jīng)從 DM355 成功過渡到 DM365、DM368,雖然你有時(shí)候會(huì)罵 TI,為什么技術(shù)不搞得厲害點(diǎn),在當(dāng)年就一步到位,浪費(fèi)了多少生產(chǎn)力。但是技術(shù)就是一點(diǎn)一點(diǎn)積累起來,對(duì)于個(gè)人來不得半點(diǎn)含糊,對(duì)于大企業(yè),他們也無法大躍進(jìn)。DM355 的 CMOS 預(yù)處理技術(shù)也有很多 Bug,SDK 也有很多 bug,有時(shí)會(huì)讓你又愛又恨,但是技術(shù)這東西總是沒有十全十美的,能在特定的歷史條件下,滿足市場(chǎng)需求,那就是個(gè)好東西。

當(dāng)然海思的解決方案在 DVS、DVR 方面也大放異彩,一點(diǎn)也不遜色于 TI 的解決方案。

其它芯片的選型則可以參考各芯片廠商官方網(wǎng)站的芯片手冊(cè),進(jìn)行PK,目前大部分芯片廠商的芯片手冊(cè)都是免 NDA 下載的,如果涉及到 NDA 問題,那就得看個(gè)人和公司的資源運(yùn)作能力了,一般找一下國(guó)內(nèi)相應(yīng)芯片的總代理商,溝通一下,簽個(gè) NDA 還是可以要到相應(yīng)資料的。每隔一周上各 IC 大廠的官方主頁,關(guān)注一下芯片發(fā)展的動(dòng)態(tài)這是每個(gè)電子工程師的必須課啊,這不僅為了下一個(gè)方案設(shè)計(jì)積累了足夠的資本,也為公司的產(chǎn)品策略做足了功課。

芯片采購是電子電路設(shè)計(jì)過程中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。一般情況下,在各 IC 大廠上尋找的芯片,只要不是 EOL 掉的芯片,一般都能采購到。但是作為電子電路的設(shè)計(jì)者,很少不在芯片采購問題上栽過。常見的情況有以下幾種:

1, 遇到經(jīng)濟(jì)危機(jī),各 IC 廠商減產(chǎn),導(dǎo)致芯片供貨周期變長(zhǎng),有些IC 廠商甚至提出 20 周貨期的訂貨條件。印象很深的 2009 年上半年訂包 PTH08T240WAD,4-6 周就取到了貨,可是到了 2009 年下半年,要么是 20 周貨期,要么就是價(jià)格翻一番,而且數(shù)量只有幾個(gè)。

2, 有些芯片雖然在 datasheet 上寫明了有工業(yè)級(jí)產(chǎn)品,但是由于市場(chǎng)上用量非常少,所以導(dǎo)致 IC 廠商生產(chǎn)非常少,市場(chǎng)供貨也非常緊缺,這就讓要做寬溫工業(yè)級(jí)產(chǎn)品的企業(yè)或者軍工級(jí)產(chǎn)品的企業(yè)付出巨大的代價(jià)。

3, 有些芯片廠商的代理渠道控制得非常嚴(yán)格,一些比較新的芯片在一般的貿(mào)易商那采購不到,只能從代理商那訂。如果數(shù)量能達(dá)到一個(gè)MPQ 或者 MOQ 的要求,一般代理商就會(huì)幫你采購。但是如果只是要一兩個(gè)工程樣品,那么就得看你和代理商的關(guān)系了,如果你剛進(jìn)入這個(gè)行業(yè)的話,那很有可能你就無法從代理商這獲得這個(gè)工程樣片。

4, 有些芯片是有限售條件,如果芯片是對(duì)中國(guó)限售而不對(duì)亞洲限售的話,一般可以通過新加坡搞進(jìn)來,如果芯片是對(duì)亞洲限售的話,那采購難度得大大的增加,采購的價(jià)格也會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出你的想象空間。先看一個(gè)芯片采購案例:

之前我給一朋友推薦了一個(gè) FPGA 芯片,他后來給我發(fā)了一段聊天記錄,如下:

2010-8-3 9:13:12 A B XC6SLX16-2CSG225C 訂貨 250.00
2010-8-3 9:22:10 B A 訂貨多久呢?
2010-8-3 9:22:37 A B 2 周
2010-8-13 14:22:47 A B XC6SLX16-2CSG225C 這個(gè)型號(hào),你那天跟我定的,本來是貨期兩周的,但是這個(gè)型號(hào)屬于敏感型號(hào),禁運(yùn)國(guó)內(nèi)的,我們要第三方去代購,所以現(xiàn)在貨期要 5 周左右,你看能接受嗎?

注:B 為芯片采購商,A 為芯片供應(yīng)商

回顧一下當(dāng)時(shí)發(fā)生的情形:

2010-8-3,B 設(shè)計(jì)好方案,確定好芯片型號(hào)后,因?yàn)樾酒吞?hào)比較新,害怕芯片買不到,于是向芯片供應(yīng)商 A 確定了一下芯片的貨源情況,當(dāng)獲知價(jià)格和貨期之后,B 非常高興,非常滿意地跟我說,你推薦的芯片性價(jià)比真不錯(cuò),等原理圖設(shè)計(jì)完之后,就馬上去訂貨。

2010-8-13,B 設(shè)計(jì)完原理圖后,B 要向 A 下單時(shí),突然收到 A 的上述回復(fù),于是他一下子就蒙了,因?yàn)?2 周就可以完成 PCB layout,1周就可以完成 PCB 加工生產(chǎn)。也就意味著 B 即使 2010-8-13 下單,也得干等 2 周的時(shí)間才能開始焊接調(diào)試。(最后 A 這供應(yīng)商又獲知這芯片是對(duì)中國(guó)禁售的,沒有辦法幫 B 搞定,最后 B 從另外一家芯片貿(mào)易商那花了 5 周的時(shí)間才采購到,而且價(jià)格漲到了 450)

耽誤 2 周可能還算是少的了,遇到其他特殊情況,芯片搞不到也都是有可能的,如果是原理圖設(shè)計(jì)好了之后遇到這種情況的話,那簡(jiǎn)直就要哭了,如果是等 PCB layout 好了之后再遇到這種情況的話,那就是欲哭無淚了。

所以建議在芯片方案確定之后,就馬上下單采購芯片,芯片詢價(jià)時(shí)獲得的價(jià)格和貨期消息有時(shí)并不一定準(zhǔn)確,因?yàn)?IC 行業(yè)的數(shù)據(jù)庫的更新有時(shí)具有一定的滯后性,只有下單后等到供應(yīng)商的合同確認(rèn),那才算塵埃落定。

分析系統(tǒng)主芯片對(duì)紋波的要求

由于直流穩(wěn)定電源一般是由交流電源經(jīng)整流穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)而形成的,這就不可避免地在直流穩(wěn)定量中多少帶有一些交流成份,這種疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量就稱之為紋波,紋波對(duì)系統(tǒng)有很多負(fù)面的影響,比如紋波太大會(huì)造成主處理器芯片的重啟,或者給某些AD,DA 引入噪聲。一個(gè)典型的現(xiàn)象就是,如果電源的紋波疊加到音頻 DA 芯片的輸出上,則會(huì)造成嗡嗡的雜音。下表是設(shè)計(jì)中所使用芯片對(duì)紋波的要求,以及電源芯片能夠提供的紋波范圍,紋波是選擇電源芯片的重要參數(shù),這里只列舉一兩個(gè)芯片進(jìn)行說明:

芯片紋波統(tǒng)計(jì)表

分析系統(tǒng)主芯片的電壓上電順序要求

當(dāng)今的大多數(shù)電子產(chǎn)品都需要使用多個(gè)電源電壓。電源電壓數(shù)目的增加帶來了一項(xiàng)設(shè)計(jì)難題,即需要對(duì)電源的相對(duì)上電和斷電特性進(jìn)行控制,以消除數(shù)字系統(tǒng)遭受損壞或發(fā)生閉鎖的可能性。一般這個(gè)在芯片手冊(cè)中會(huì)有詳細(xì)說明,建議遵守芯片手冊(cè)中的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

分析系統(tǒng)所有芯片的功耗

統(tǒng)計(jì)板卡上用到的所有芯片的功耗,大部分芯片的功耗在芯片手冊(cè)上都有詳細(xì)說明,部分芯片的功耗在手冊(cè)上沒有明確寫明,比如 FPGA,這時(shí)候可以根據(jù)以往設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)值,或者事先將 FPGA 的邏輯寫好,借助 EDA 工具進(jìn)行統(tǒng)計(jì),比如 ISE 的 Xpower Analyzer,下面的表格是一個(gè)功耗分析的統(tǒng)計(jì)案例。注:因?yàn)閿?shù)據(jù)比較多,所以這里只選擇了3.3V 的幾個(gè)芯片作為代表進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

論證選擇的電源方案能否滿足以上的所有要求

根據(jù)對(duì)上電順序的要求,紋波以及功耗的分析,選擇正確的電源方案。

電源設(shè)計(jì)是一個(gè)細(xì)活,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理是一個(gè)不可缺少的工種,養(yǎng)成良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣,是“一板通”必需的環(huán)節(jié)。

電源方案的選擇,學(xué)問非常多,分析的文章更是數(shù)不勝數(shù)。在這里只列舉幾個(gè)規(guī)律性的東西。

在消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品里面,由于成本非常敏感,散熱要求比較高,所以一般傾 向于 DC/DC 的解 決方案 ,而且 現(xiàn)在 越來越 多傾向 于 Power Management Multi-Channel IC(PMIC)的解決方案。DC/DC 的一個(gè)比較大的缺點(diǎn)就是紋波大,另外如果電感和電容設(shè)計(jì)不合理的話,電壓就會(huì)很不穩(wěn)定。

印象非常深的就是有一次用 DC/DC 給 FPGA 供電時(shí),根據(jù) FPGA 的Power Distribution System (PDS)分析,加了足夠多的 330uF 鉭電容,結(jié)果 DC/DC 就經(jīng)常出問題,所以 DC/DC 的設(shè)計(jì)一定要細(xì)心。大功率電路設(shè)計(jì)時(shí),電感的選擇也非常的關(guān)鍵,參考設(shè)計(jì)中很多電感型號(hào)在北京中發(fā)電子市場(chǎng)或者深圳賽格廣場(chǎng)上都是買不到的,而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的替代品往往飽和電流要小于參考設(shè)計(jì)中電感的要求值,所以建議設(shè)計(jì)時(shí)也要先買到符合要求的電感之后,再開始做電感的 Footprint。

在非消費(fèi)品領(lǐng)域, LDO、電源模塊用得相對(duì)較多,因?yàn)殡娫醇y波小,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。我初學(xué)電路的時(shí)候,當(dāng)時(shí)就特怵 DC/DC 的設(shè)計(jì),所以當(dāng)時(shí)一直用的 LDO 和電源模塊,直到后來開始設(shè)計(jì)消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品,因?yàn)槌杀镜目紤],才不得不開始設(shè)計(jì) DC/DC,不過現(xiàn)在 IC 設(shè)計(jì)廠商已經(jīng)基本上都把 MOSFET 集成到芯片里面去了,所以 DC/DC 的設(shè)計(jì)的復(fù)雜度也變小了。

對(duì)于現(xiàn)在一個(gè)電子系統(tǒng)來說,電源部分的設(shè)計(jì)也越來越重要,我想通過和大家探討一些自己關(guān)于電源設(shè)計(jì)的心得,來個(gè)拋磚引玉,讓我們?cè)陔娫丛O(shè)計(jì)方面能夠都有所深入和長(zhǎng)進(jìn)。

Q1:如何來評(píng)估一個(gè)系統(tǒng)的電源需求

Answer:對(duì)于一個(gè)實(shí)際的電子系統(tǒng),要認(rèn)真的分析它的電源需求。不僅僅是關(guān)心輸入電壓,輸出電壓和電流,還要仔細(xì)考慮總的功耗,電源實(shí)現(xiàn)的效率,電源部分對(duì)負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力,關(guān)鍵器件對(duì)電源波動(dòng)的容忍范圍以及相應(yīng)的允許的電源紋波,還有散熱問題等等。功耗和效率是密切相關(guān)的,效率高了,在負(fù)載功耗相同的情況下總功耗就少,對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的功率預(yù)算就非常有利了,對(duì)比 LDO和開關(guān)電源,開關(guān)電源的效率要高一些。同時(shí),評(píng)估效率不僅僅是看在滿負(fù)載的時(shí)候電源電路的效率,還要關(guān)注輕負(fù)載的時(shí)候效率水平。

至于負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)能力,對(duì)于一些高性能的 CPU 應(yīng)用就會(huì)有嚴(yán)格的要求,因?yàn)楫?dāng) CPU 突然開始運(yùn)行繁重的任務(wù)時(shí),需要的啟動(dòng)電流是很大的,如果電源電路響應(yīng)速度不夠,造成瞬間電壓下降過多過低,造成 CPU 運(yùn)行出錯(cuò)。

一般來說,要求的電源實(shí)際值多為標(biāo)稱值的+-5%,所以可以據(jù)此計(jì)算出允許的電源紋波,當(dāng)然要預(yù)留余量的。

散熱問題對(duì)于那些大電流電源和 LDO 來說比較重要,通過計(jì)算也是可以評(píng)估是否合適的。

Q2:如何選擇合適的電源實(shí)現(xiàn)電路

Answer:根據(jù)分析系統(tǒng)需求得出的具體技術(shù)指標(biāo),可以來選擇合適的電源實(shí)現(xiàn)電路了。一般對(duì)于弱電部分,包括了 LDO(線性電源轉(zhuǎn)換器),開關(guān)電源電容降壓轉(zhuǎn)換器和開關(guān)電源電感電容轉(zhuǎn)換器。相比之下,LDO 設(shè)計(jì)最易實(shí)現(xiàn),輸出紋波小,但缺點(diǎn)是效率有可能不高,發(fā)熱量大,可提供的電流相較開關(guān)電源不大等等。而開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)靈活,效率高,但紋波大,實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜,調(diào)試比較煩瑣等等。

Q3:如何為開關(guān)電源電路選擇合適的元器件和參數(shù)

Answer:很多的未使用過開關(guān)電源設(shè)計(jì)的工程師會(huì)對(duì)它產(chǎn)生一定的畏懼心理,比如擔(dān)心開關(guān)電源的干擾問題,PCB layout 問題,元器件的參數(shù)和類型選擇問題等。其實(shí)只要了解了,使用一個(gè)開關(guān)電源設(shè)計(jì)還是非常方便的。

一個(gè)開關(guān)電源一般包含有開關(guān)電源控制器和輸出兩部分,有些控制器會(huì)將 MOSFET 集成到芯片中去,這樣使用就更簡(jiǎn)單了,也簡(jiǎn)化了 PCB 設(shè)計(jì),但是設(shè)計(jì)的靈活性就減少了一些。

開關(guān)控制器基本上就是一個(gè)閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng),所以一般都會(huì)有一個(gè)反饋輸出電壓的采樣電路以及反饋環(huán)的控制電路。因此這部分的設(shè)計(jì)在于保證精確的采樣電路,還有來控制反饋深度,因?yàn)槿绻答伃h(huán)響應(yīng)過慢的話,對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)能力是會(huì)有很多影響的。

而輸出部分設(shè)計(jì)包含了輸出電容,輸出電感以及 MOSFET 等等,這些的選擇基本上就是要滿足一個(gè)性能和成本的平衡,比如高的開關(guān)頻率就可以使用小的電感值(意味著小的封裝和便宜的成本),但是高的開關(guān)頻率會(huì)增加干擾和對(duì) MOSFET 的開關(guān)損耗,從而效率降低。使用低的開關(guān)頻率帶來的結(jié)果則是相反的。

對(duì)于輸出電容的 ESR 和 MOSFET 的 Rds_on 參數(shù)選擇也是非常關(guān)鍵的,小的 ESR 可以減小輸出紋波,但是電容成本會(huì)增加,好的電容會(huì)貴嘛。開關(guān)電源控制器驅(qū)動(dòng)能力也要注意,過多的
MOSFET 是不能被良好驅(qū)動(dòng)的。

一般來說,開關(guān)電源控制器的供應(yīng)商會(huì)提供具體的計(jì)算公式和使用方案供工程師借鑒的。

Q4:如何調(diào)試開關(guān)電源電路
Answer:有一些經(jīng)驗(yàn)可以共享給大家
1: 電源電路的輸出輸出通過低阻值大功率電阻接到板內(nèi),這樣在不焊電阻的情況下可以先做到電源電路的先調(diào)試,避開后面電路的影響。
2: 一般來說開關(guān)控制器是閉環(huán)系統(tǒng),如果輸出惡化的情況超過了閉環(huán)可以控制的范圍,開關(guān)電源就會(huì)工作不正常,所以這種情況就需要認(rèn)真檢查反饋和采樣電路。特別是如果采用了大 ESR 值的輸出電容,會(huì)產(chǎn)生很多的電源紋波,這也會(huì)影響開關(guān)電源的工作的。

接地技術(shù)的討論

Q1:為什么要接地?

Answer:接地技術(shù)的引入最初是為了防止電力或電子等設(shè)備遭雷擊而采取的保護(hù)性措施,目的是把雷電產(chǎn)生的雷擊電流通過避雷針引入到大地,從而起到保護(hù)建筑物的作用。同時(shí),接地也是保護(hù)人

身安全的一種有效手段,當(dāng)某種原因引起的相線(如電線絕緣不良,線路老化等)和設(shè)備外殼碰觸時(shí),設(shè)備的外殼就會(huì)有危險(xiǎn)電壓產(chǎn)生,由此生成的故障電流就會(huì)流經(jīng) PE 線到大地,從而起到保護(hù)作用。隨著電子通信和其它數(shù)字領(lǐng)域的發(fā)展,在接地系統(tǒng)中只考慮防雷和安全已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求了。比如在通信系統(tǒng)中,大量設(shè)備之間信號(hào)的互連要求各設(shè)備都要有一個(gè)基準(zhǔn)‘地’作為信號(hào)的參考地。而且隨著電子設(shè)備的復(fù)雜化,信號(hào)頻率越來越高,因此,在接地設(shè)計(jì)中,信號(hào)之間的互擾等電磁兼容問題必須給予特別關(guān)注,否則,接地不當(dāng)就會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。最近,高速信號(hào)的信號(hào)回流技術(shù)中也引入了 “地”的概念。

Q2:接地的定義

Answer: 在現(xiàn)代接地概念中、對(duì)于線路工程師來說,該術(shù)語的含義通常是‘線路電壓的參考點(diǎn)’;對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來說,它常常是機(jī)柜或機(jī)架;對(duì)電氣工程師來說,它是綠色安全地線或接到大地的意
思。一個(gè)比較通用的定義是“接地是電流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是”低阻抗”和“通路”。

Q3:常見的接地符號(hào)

Answer: PE,PGND,FG - 保 護(hù) 地 或 機(jī) 殼 ; BGND 或DC-RETURN-直流-48V(+24V)電源(電池)回流;GND-工作地;DGND-數(shù)字地;AGND-模擬地;LGND-防雷保護(hù)地

Q4:合適的接地方式

Answer: 接地有多種方式,有單點(diǎn)接地,多點(diǎn)接地以及混合類型的接地。而單點(diǎn)接地又分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地。一般來說,單點(diǎn)接地用于簡(jiǎn)單電路,不同功能模塊之間接地區(qū)分,以及低頻(f10MHz)電路時(shí)就要采用多點(diǎn)接地了或者多層板(完整的地平面層)。

Q5:信號(hào)回流和跨分割的介紹

Answer:對(duì)于一個(gè)電子信號(hào)來說,它需要尋找一條最低阻抗的電流回流到地的途徑,所以如何處理這個(gè)信號(hào)回流就變得非常的關(guān)鍵。
第一,根據(jù)公式可以知道,輻射強(qiáng)度是和回路面積成正比的,就是說回流需要走的路徑越長(zhǎng),形成的環(huán)越大,它對(duì)外輻射的干擾也越大,所以,PCB 布板的時(shí)候要盡可能減小電源回路和信號(hào)回路面積。

第二,對(duì)于一個(gè)高速信號(hào)來說,提供有好的信號(hào)回流可以保證它的信號(hào)質(zhì)量,這是因?yàn)?PCB 上傳輸線的特性阻抗一般是以地層(或電源層)為參考來計(jì)算的,如果高速線附近有連續(xù)的地平面,這樣這條線的阻抗就能保持連續(xù),如果有段線附近沒有了地參考,這樣阻抗就會(huì)發(fā)生變化,不連續(xù)的阻抗從而會(huì)影響到信號(hào)的完整性。所以,布線的時(shí)候要把高速線分配到靠近地平面的層,或者高速線旁邊并行走一兩條地線,起到屏蔽和就近提供回流的功能。

第三,為什么說布線的時(shí)候盡量不要跨電源分割,這也是因?yàn)樾盘?hào)跨越了不同電源層后,它的回流途徑就會(huì)很長(zhǎng)了,容易受到干擾。當(dāng)然,不是嚴(yán)格要求不能跨越電源分割,對(duì)于低速的信號(hào)是可以的,因?yàn)楫a(chǎn)生的干擾相比信號(hào)可以不予關(guān)心。對(duì)于高速信號(hào)就要認(rèn)真檢查,盡量不要跨越,可以通過調(diào)整電源部分的走線。(這是針對(duì)多層板多個(gè)電源供應(yīng)情況說的)

Q6:為什么要將模擬地和數(shù)字地分開,如何分開?

Answer:模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)都要回流到地,因?yàn)閿?shù)字信號(hào)變化速度快,從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會(huì)很大,而模擬信號(hào)是需要一個(gè)干凈的地參考工作的。如果模擬地和數(shù)字地混在一起,噪聲就會(huì)影響到模擬信號(hào)。

一般來說,模擬地和數(shù)字地要分開處理,然后通過細(xì)的走線連在一起,或者單點(diǎn)接在一起?？偟乃枷胧潜M量阻隔數(shù)字地上的噪聲竄到模擬地上。當(dāng)然這也不是非常嚴(yán)格的要求模擬地和數(shù)字地必須分開,如果模擬部分附近的數(shù)字地還是很干凈的話可以合在一起。

Q7:單板上的信號(hào)如何接地?

Answer:對(duì)于一般器件來說,就近接地是最好的,采用了擁有完整地平面的多層板設(shè)計(jì)后,對(duì)于一般信號(hào)的接地就非常容易了,基本原則是保證走線的連續(xù)性,減少過孔數(shù)量;靠近地平面或者電源平面,等等。

Q8:單板的接口器件如何接地?

Answer:有些單板會(huì)有對(duì)外的輸入輸出接口,比如串口連接器,網(wǎng)口 RJ45 連接器等等,如果對(duì)它們的接地設(shè)計(jì)得不好也會(huì)影響到正常工作,例如網(wǎng)口互連有誤碼,丟包等,并且會(huì)成為對(duì)外的電磁干擾源,把板內(nèi)的噪聲向外發(fā)送。一般來說會(huì)單獨(dú)分割出一塊獨(dú)立的接口地,與信號(hào)地的連接采用細(xì)的走線連接,可以串上 0 歐姆或者小阻值的電阻。細(xì)的走線可以用來阻隔信號(hào)地上噪音過到接口地上來。同樣的,對(duì)接口地和接口電源的濾波也要認(rèn)真考慮。

Q9:帶屏蔽層的電纜線的屏蔽層如何接地?

Answer:屏蔽電纜的屏蔽層都要接到單板的接口地上而不是信號(hào)地上,這是因?yàn)樾盘?hào)地上有各種的噪聲,如果屏蔽層接到了信號(hào)地上,噪聲電壓會(huì)驅(qū)動(dòng)共模電流沿屏蔽層向外干擾,所以設(shè)計(jì)不好的電纜線一般都是電磁干擾的最大噪聲輸出源。當(dāng)然前提是接口地也要非常的干凈。

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