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硬件電路設計

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硬件電路是電路系統的重要組成部分，硬件電路設計是否合理直接影響電路系統的性能。硬件電路設計的一般分為設計需求分析、原理圖設計、PCB設計、工藝文件處理等幾個階段，設計過程中的每一個細節都可能成為導致設計成功與失敗的關鍵。

基本內容

中文名：硬件電路設計

基本步驟：需求分析、原理圖、PCB設計等

PCB設計：物理邊框、元器件網絡、布局布線

外文名：hardware circuit design

原理圖設計：元器件選型、繪製原理圖

所屬學科：電子工程EE

簡介

隨着集成電路設計與製造技術的不斷發展，電路系統的功能越來越強大，組成卻越來越簡單，軟件設計的重要性逐漸提高，但硬件電路設計的重要性不容忽視。軟件設計得再完美，若硬件電路設計不合理，系統的性能將大打折扣，嚴重時甚至不能正常工作。硬件電路的設計一般分為設計需求分析、原理圖設計、PCB設計、工藝文件處理等幾個階段。

設計需求分析

硬件電路的設計需求是基於項目或控制平台的系統需求，設計需求的合理分析是選用電路核心元器件及其典型電路的關鍵。硬件電路的通用設計需求有應用環境、面積/體積限制、電源、功耗等，此外功能不同電路需求也不同。以某控制平台典型電路為例，設計前必須關注的需求如表所示。

原理圖設計

原理圖設計是硬件電路設計的核心，合適的器件選型、必要的計算分析以進行參數搭配、仿真工具的運用與驗證等是其常用工作流程，最終通過繪製原理圖將這些技術用圖形化語言表達出來。

元器件選型

元器件的選型是原理圖設計過程中的一個重要環節。元器件是否合理、優質選用，將直接影響整個硬件電路的性能和可靠性，也關係到產品後期的使用與維護。在選用元器件時，應根據電路功能要求確定元器件的關鍵參數，圖表中給出了常用元器件選型時需要關注的參數，此外還應考慮元器件工作的可靠性、成本、供貨周期等因素。

繪製原理圖

在確定好元器件型號後，就可使用EDA工具軟件繪製電路原理圖。在繪製過程中應該注意以下問題：

（1）對於初次使用的元器件，一定要查看元器件手冊，弄清楚其關鍵參數、封裝、推薦電路等。

（2）儘量使用或借鑑成熟電路，對於不成熟電路要多測試。

（3）按照信號流向繪製原理圖。對於複雜電路，可根據功能模塊分多張sheet繪製，並給出必要的文字說明。

（4）網絡名稱的命名儘量遵循信號的含義，以增加原理圖的可讀性。

（5）綜合考慮PCB性能和加工的效率選擇電路加工流程。因為少一個工藝流程，可以有效縮短硬件電路的加工時間。加工工藝的優選順序為：元器件面單面貼裝﹥元器件面貼、插混裝﹥雙面貼裝﹥元器件面貼插混裝、焊接面貼裝。

（6）原理圖繪製完成後要編譯。這樣可以檢查出很多問題，如缺少網絡標號、信號源屬性錯誤等。

（7）在原理圖編譯通過後，需要生成網絡表。這是原理圖到PCB的一個必要環節，如果原理圖存在錯誤，網絡表是無法成功導入PCB中的。

PCB設計

PCB設計是以電路原理圖為依據實現硬件電路的功能，此外還應滿足可生產性、可測試性、安規、EMC、EMI等技術規範要求，以構建產品的工藝、技術、質量和成本優勢。

製作物理邊框

封閉的物理邊框是PCB設計的基本平台，對後續的自動布局和布線起着約束作用。繪製物理邊框時一定要精確，以免出現安裝問題。使用圓弧邊框可以減少應力導致PCB板斷裂的現象，也能避免尖腳劃傷人員。

引入元器件和網絡

引入元器件和網絡是將原理圖中的元器件和網絡等信息引入到物理邊框內，為布局和布線做準備。在更新PCB之前，應確認原理圖中與PCB關聯的所有元器件的封裝庫均可用。

元器件布局

元器件的布局與布線對產品的壽命、穩定性、電磁兼容等都有很大的影響。布局常用的規則有：

（1）元器件的放置順序。先放置與電路結構有關的需固定位置的元器件，如電源插座、指示燈、開關、連接件等，最好將其位置鎖定，以免被誤移動；再放置電路中的特殊元器件，如發熱元件、大體積元件、IC等；最後放置小元件。

（2）元器件的安放位置。首先應考慮特殊元器件的安放位置，例如發熱元件要儘量靠邊放置以便散熱，且不宜集中放置，並遠離電解電容；去耦電容要儘量靠近IC的電源管腳，並力求與電源和地之間形成的迴路最短。其次應考慮信號的隔離問題，例如高電壓、大電流的強信號與低電壓、小電流的弱信號應完全分開；模擬信號與數字信號分開；高頻信號與低頻信號分開等。非特殊元器件的布局應使總的連線儘可能短，關鍵信號線最短。結構相同的電路可採用對稱式設計以提高設計效率、減小出錯率，並節省調試時電路的辨識時間。布局應留有足夠的工藝邊，以免干涉PCB板的正常傳送。

（3）元器件的放置方向。在設計許可的條件下，同類元器件應按相同方向排列，相同封裝的元器件等距離放置，以便元件貼裝、焊接、測試和返修。

電路板布線

合理的布線可以有效減少外部環境對信號的干擾以及各種內部信號之間的相互干擾，提高設備運行的可靠性，同時也便於查找故障原因和維護工作，提高產品的可用性。布線常用的規則有：

（1）布線的位置。布線應儘量走在焊接面；模擬部分和數字部分的地和電源應分開布線；大電流、高電壓信號與小信號之間應注意隔離；儘量少用過孔、跳線；布線也應留有足夠的工藝邊。

（2）布線的寬度與長度。除地線外，在同一塊PCB板上導線的寬度應儘可能均勻一致，避免突然變粗或變細。電源線和地線的寬度要求可以根據1mm的線寬最大對應1A 的電流來計算，電源和地構成的環路應儘量小；在可能的條件下電路的連線應儘量短，這樣有利於降低線路阻抗，也可減弱由於連線引起的各種干擾效應。

（3）布線的角度。布線時應避免銳角、直角，宜採用135°或圓角布線。

工藝文件處理

布線完成後，需要對個別元器件、布線和文字的位置和大小等進行調整完善，以便進行生產、調試和維修。然後進行覆銅，推薦採用接地覆銅方式。其次核對網絡是否與原理圖一致，最後還可使用軟件仿真功能對電路進行調試。