摘要：本文主要从产品硬件原理图及PCB设计角度去阐述硬件工程师在从事此类工作时应如何去应对各种产品的设计事件，并着重介绍作者自己的原理图及PCB设计步骤与遵循原则。
关键词：硬件；原理图；PCB设计
前言
随着科学技术的发展，以及硬件设计工具的层出不穷，应用在电子产品设计中的硬件设计工具（如：Cadence、PADS、Mentor WG、Protel99se、AltiumDesigner、DXP等）如雨后春笋般的呈现在各个行业，而且这些工具在操作方法上有些很相似，有些却完全不同。然而，不管什么企业使用何种工具进行产品硬件设计，对于硬件工程师来说，只是熟悉与不熟悉的差别；同理，对于硬件工程师来说，无论使用什么工具，产品的硬件原理图及PCB设计方法是相通的。
一、原理图设计
1.1产品功能框图绘制
对于一个合格或优秀的硬件工程师来说，设计原理图之前应该把产品的功能需求了解清楚，然后根据产品功能需求使用合适的工具（如：Visio）绘制出产品功能框图，理由如下：
首先，如果产品的功能非常单一（比如：鼠标），这个功能框图可以不要绘制；但如果产品的功能比较多或者比较复杂，又没有绘制这个功能框图的话，很有可能会把产品的某个功能遗漏，尤其是进行原理图设计时，很有可能会遗漏某个功能电路的设计。因为当产品功能比较多或者比较复杂时，原理图的设计工作不是当天就能完成，如果没有功能框图，隔天后可能就会忘记某些功能电路的设计或者忘记某些复杂电路的逻辑连接思路。有了功能框图之后，可以防止设计时遗漏功能电路的设计，能在原理图设计完成后方便审查，也有利于其他非硬件工程师快速了解该产品的基本功能，更有利于其他硬件工程师理解该产品的功能原理。
其次，有了产品功能框图之后，有利于后续PCB设计布局、PCB布线规划等。
1.2器件选型与封装制作
在根据产品功能与性能进行器件选型时需要遵循普遍性、高性价比、采购方便、持续发展、可替代性、沿用性、资源节约、电气参数冗余、便于生产等原则。器件选型完成后，如果所选器件在原理图器件库中没有对应的原理图封装，则需在原理图库中制作相应的原理图器件封装，器件的品牌、供应商、器件在公司对应的物料编码、PCB封装等信息需根据需要在制作原理图封装时进行指定，这样有利于后期电子BOM表的整理等。同理，如果所选器件在PCB器件库中没有对应的PCB封装，建议在此时制作相应的PCB器件封装。理由如下：
首先，在器件选型时制作好PCB封装，可以在制作原理图器件封装时直接指定PCB封装，无需等原理图设计完成后再挨个指定PCB封装，这样，原理图设计完成后，即可进行PCB网表导入及PCB设计工作；其次，一般在器件选型时，都会阅读器规格书，此时制作好原理图及PCB器件封装更方便，一部到位。如果等原理图设计完成之后再一起进行PCB封装制作与指定的话，无疑又得重新阅读一边器件规格书，可能会造成更多的时间消耗。
1.3原理图绘制
根据产品功能框图及按照功能模块进行原理图设计。当原理图有多个页面时，尽量把不同功能的电路设计在不同的页面上，力求做到一个功能只放置在一个页面，各页面之间的信号网络连接需要加入相应的跨页标示符。产品中电源输入的电压、电流大小要在原理图中体现，各个不同电源的负载电流也要在原理图中体现出来。如果该产品属于安全支付产品，尽量将各安全保护电路之间的逻辑连接体现在原理图中，同时将板层叠层方式与过孔形态尽量在原理图中体出来，这样有助于PCB设计时的布局与布线。比如安全支付产品中的迷宫电路设计，尽量在原理图中体现迷宫走线的起止位置与各迷宫网络走线间的组合方式。如果该产品在进行PCB布线设计时需要做等长、差分、阻抗等，同样需要在原理图中绘制体现出来。除此之外，在原理图设计时还应适当加入旁路电容与去耦电容，适当加入测试点和0欧电阻以方便调试时测试用，适当加入0欧电阻、电感和磁珠以实现抗干扰和阻抗匹配，适当加入ESD器件，以便EMC实验时测试用。
原理图绘制完成之后，首选根据产品功能框图检查是否有遗漏的功能电路没有设计，再检查各元件的序号、网络连接等是否合理，然后检查各元件是否都已指定PCB封装，最后将原理图生成PCB设计时所需要的网络表。
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二、PCB设计
2.1PCB板框设计
PCB板框设计一般有两种方法：
方法1：如果板框很规则、很简单，板框精度要求低，可以在PCB设计工具中直接绘制PCB板框。
方法2：如果板框不规则或者板框精度要求高，则将结构工程师设计的dxf格式板框限位文件想办法直接导入到PCB设计文件中，然后做相应的调整即可作为PCB的板框。
一般情况下，建议采用方法2进行板框设计，因为方法2的效率高，也能做到跟结构的高精度吻合，尤其当产品结构是塑胶开模件时更为重要。
2.2 网络表导入
PCB板框设计完成之后，将原理图生成的网络表导入到PCB中。
2.2PCB布局
首先，将螺丝孔、接口座子等跟结构相关的器件放置到相应的位置，并对这些器件进行锁定。其次，按功能模块并结合原理图中的标识进行布局。如果是安全支付产品，则需将安全芯片及其他涉及敏感数据交互与处理的MCU放置在一个特定被保护区域，这个被保护区域要用迷宫式的保护墙包围起来。最后，进行PCB布局时，还需要考虑美观、便于生产与维修等。
2.3 PCB布线及其遵循原则
根据功能模块进行分块布线，各模块根据相应的注意事项完成相应的布线设计，各模块的布线完成后，再完成模块与模块之间的布线，待所有布线工作完成后再进行全局优化。在优化过程中，尽量遵循以下原则：（1）大电流信号、高电压信号与小信号之间应该注意隔离；（2）双面板布线时，两面的导线宜相互垂直、斜交、或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生耦合；（3）走线拐角尽可能大于90度，杜绝90度以下的拐角，也尽量少用90度拐角。（4）走线尽量走在焊接面，特别是通孔工艺的PCB；（5）任何信号都不要形成环路，如不可避免，要让环路区尽量小；（6）在一些对干扰十分敏感的信号线之间设置一根接地的线路，可以有效地抑制串扰；（7）单面板焊盘必须要大，焊盘相连的线一定要粗，能放泪滴就放泪滴，一般的单面板厂家质量不会很好，否则对焊接和RE-WORK都会有问题；（8）大面积敷铜要用网格状的，以防止波峰焊时板子产生气泡和因为热应力作用而弯曲，但在特殊场合下要考虑GND的流向、大小，不能简单的用铜箔填充了事，而是需要去走线。当然，如果印制板上有大面积地线或电源线区（面积超过500平方毫米），也可以采用局部开窗口来解决以上的问题；（9）USB走线应尽量采用差分等长设计，同时在PCB制板时要求按90欧的阻抗匹配进行制作，否则当USB在高速模式（480M）下通讯时可能会出现找不到USB设备等问题；（10）晶振尽量靠近芯片放置，同时晶振信号走线尽量短而粗，晶振外壳尽量接地，晶振下面尽量不要走线；（11）复位电路应靠近芯片放置，尤其是RC复位电路，复位信号走线尽量短；（12）ESD管要紧挨着接口器件放置，走线也是首先经过ESD管，然后再进入后级保护电路；（13）数字电源和模拟电源尽量分割；（14）高频数字电路走线要细而短；（15）同是地址线或者数据线，走线长度差异不要太大，否则短线部分要人为走弯线作补偿，也就是通常所说的蛇形等长布线；（16）布线设计过程中，尽量减少过孔种类；（17）在保证产品功能、性能的前提下，注意美观与使用方便。
2.4 PCB布局布线审查
完成PCB布局与布线后，需要进行审查，审查的地方有：（1）PCB布局是否跟结构存在冲突；（2）PCB的元件布局是否美观、是否具备可生产性、可维护性等；（3）PCB布线是否存在短路、断路、安全间距是否符合要求、走线宽度是符号要求等；（4）PCB布局、布线是否符合相应安规等。
2.5 PCB制板文件输出
输出PCB制板文件、钢网文件、坐标文件及丝印文件等。
2.6 投板
将PCB制板文件及制板详细要求提供给制板厂进行制板。
参考文献：
[1]江思敏.PCB和电磁兼容设计 2006.3（2006.7重印）
[2]郑军奇.EMC（电磁兼容）设计与测试案例分析2006.12
[3]周正杰，罗邕生. PCB设计与制作课程教学改革[J].广西教育.2016（43）
论文作者:王龙林
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/16
标签：原理图论文; 功能论文; 器件论文; 产品论文; 框图论文; 硬件论文; 布局论文; 《基层建设》2017年第23期论文;