設計一款硬件電路，要熟悉元器件的基礎理論
，比如元器件原理
、選型及使用
，學會繪製原理圖，並通過軟件完成PCB設she計ji，熟shu練lian掌zhang握wo工gong具ju的de技ji巧qiao使shi用yong
，學xue會hui如ru何he優you化hua及ji調tiao試shi電dian路lu等deng。要yao如ru何he完wan整zheng地di設she計ji一yi套tao硬ying件jian電dian路lu設she計ji，下xia麵mian為wei大da家jia分fen享xiang我wo的de幾ji點dian個ge人ren經jing驗yan：

 

1）總體思路

 

設計硬件電路，大的框架和架構要搞清楚，但要做到這一點還真不容易。有些大框架也許自己的老板
、老師已經想好
，自己隻是把思路具體實現；但也有些要自己設計框架的，那就要搞清楚要實現什麼功能，然後找找有否能實現同樣或相似功能的參考電路板(要懂得盡量利用他人的成果，越是有經驗的工程師越會懂得借鑒他人的成果)。

 

2）理解電路

 

如果你找到了的參考設計，那麼恭喜你
，你可以節約很多時間了(包括前期設計和後期調試)。馬上就copy？NO，還是先看懂理解了再說
，一方麵能提高我們的電路理解能力，而且能避免設計中的錯誤。

 

3）找到參考設計

 

zaikaishizuoyingjianshejiqian，genjuzijidexiangmuxuqiu
，keyiquzhaonenggoumanzuyingjiangongnengshejide，youhenduoxiangguandecankaosheji。meiyouzhaodao？yemeiguanxi
，xianquedingdaIC芯片
，找datasheet，看(kan)其(qi)關(guan)鍵(jian)參(can)數(shu)是(shi)否(fou)符(fu)合(he)自(zi)己(ji)的(de)要(yao)求(qiu)
，哪(na)些(xie)才(cai)是(shi)自(zi)己(ji)需(xu)要(yao)的(de)關(guan)鍵(jian)參(can)數(shu)，以(yi)及(ji)能(neng)否(fou)看(kan)懂(dong)這(zhe)些(xie)關(guan)鍵(jian)參(can)數(shu)，都(dou)是(shi)硬(ying)件(jian)工(gong)程(cheng)師(shi)的(de)能(neng)力(li)的(de)體(ti)現(xian)，這(zhe)也(ye)需(xu)要(yao)長(chang)期(qi)地(di)慢(man)慢(man)地(di)積(ji)累(lei)。這(zhe)期(qi)間(jian)，要(yao)善(shan)於(yu)提(ti)問(wen)
，因(yin)為(wei)自(zi)己(ji)不(bu)懂(dong)的(de)東(dong)西(xi)，別(bie)人(ren)往(wang)往(wang)一(yi)句(ju)話(hua)就(jiu)能(neng)點(dian)醒(xing)你(ni)
，尤(you)其(qi)是(shi)硬(ying)件(jian)設(she)計(ji)。

 

4）硬件電路設計的三個部分：原理圖、PCB和物料清單（BOM）表

 

原理圖設計，其實就是將前麵的思路轉化為電路原理圖，它很像我們教科書上的電路圖。pcb涉及到實際的電路板，它根據原理圖轉化而來的網表(網表是溝通原理圖和pcb之間的橋梁)，而將具體的元器件的封裝放置(布局)在電路板上
，然後根據飛線(也叫預拉線)連接其電信號(布線)。完成了pcb布局布線後，要用到哪些元器件應該有所歸納
，所以我們將用到BOM表。

 

5）選擇PCB設計工具

 

Protel，也就是Altium（現在入門的童鞋大多用AD）容易上手，網上的學習教程資料也很全麵
，在國內也比較流行，應付一般的工作已經足夠，適合初入門的設計者使用。

 

硬件電路設計的大環節必不可少，主要都要經過以下這幾個流程：

 

1）原理圖設計

2）PCB設計

3）製作BOM表

 

現在再談一下具體的設計步驟

 

原理圖建立+網表生成

 

1. yuanlitukujianli。yaojiangyigexinyuanjianbaifangzaiyuanlitushang，womenbixudejianligaiyuanjiandeku。kuzhongzhuyaodingyilegaixinyuanjiandeguanjiaodingyijiqishuxing，bingqieyijutidetuxingxingshilaidaibiao(我們常常看到的是一個矩形(代表其IC BODY)
，周圍許多短線(代表IC管腳))。protel創建庫及其簡單，而且因為用的人多
，許多元件都能找到現成的庫

，這一點對使用者極為方便。應搞清楚ic body，ic pins，input pin
，output pin，analog pin
，digital pin，power pin等區別。

 

2. 有了充足的庫之後

，就可以在原理圖上畫圖了，按照datasheet和係統設計的要求
，通過wire把相關元件連接起來。在相關的地方添加line和text注釋。wire和line的區別在於，前者有電氣屬性，後者沒有。wire適用於連接相同網絡，line適用於注釋圖形。這個時候
，應搞清一些基本概念
，如：wire，line，bus，part，footprint，等等。

 

3. 做完這一步，我們就可以生成netlist了
，這個netlist是原理圖與pcb之間的橋梁。原理圖是我們能認知的形式，電腦要將其轉化為pcb
，就必須將原理圖轉化它認識的形式netlist，然後再處理
、轉化為pcb。

 

4. 得到netlist

，馬上畫pcb?別急，先做ERC先。ERC是電氣規則檢查的縮寫。它能對一些原理圖基本的設計錯誤進行排查，如多個output接在一起等問題。(但是一定要仔細檢查自己的原理圖，不能過分依賴工具，畢竟工具並不能明白你的係統
，它隻是純粹地根據一些基本規則排查。)

 

5. 從netlist得到了pcb，一堆密密麻麻的元件，和數不清的飛線是不是讓你嚇了一跳?嗬嗬
，別急還得慢慢來。

 

6. 確定板框大小。在keepout區(或mechanic區)畫個板框，這將限製了你布線的區域。需要根據需求好考慮板長

，板寬(有時，還得考慮板厚)。當然了
，疊層也得考慮好。(疊層的意思就是，板層有幾層，怎麼應用
，比如板總共4層，頂層走信號
，中間第一層鋪電源
，中間第二層鋪地，底層走信號)。

 

PCB布局布線

 

先解釋一下前麵的術語。post-command，例如我們要拷貝一個object(元件)，我們要先選中這個object
，然後按ctrl+C，然後按ctrl+V(copy命令發生在選中object之後)。這種操作windows和protel都采用的這種方式。但是concept就是另外一種方式
，我們叫做pre-command。同樣我們要拷貝一個東西，先按ctrl+C，然後再選中object，再在外麵單擊(copy命令發生在選中object之前)。

 

1. 確定完板框之後，就該元件布局(擺放)了(le)，布(bu)局(ju)這(zhe)步(bu)極(ji)為(wei)關(guan)鍵(jian)。它(ta)往(wang)往(wang)決(jue)定(ding)了(le)後(hou)期(qi)布(bu)線(xian)的(de)難(nan)易(yi)。哪(na)些(xie)元(yuan)器(qi)件(jian)該(gai)擺(bai)正(zheng)麵(mian)，哪(na)些(xie)元(yuan)件(jian)該(gai)擺(bai)背(bei)麵(mian)
，都(dou)要(yao)有(you)所(suo)考(kao)量(liang)。但(dan)是(shi)這(zhe)些(xie)都(dou)是(shi)一(yi)個(ge)仁(ren)者(zhe)見(jian)仁(ren)，智(zhi)者(zhe)見(jian)智(zhi)的(de)問(wen)題(ti);從不同角度考慮擺放位置都可以不一樣。其實自己畫了原理圖，明白所有元件功能
，自然對元件擺放有清楚的認識(如(ru)果(guo)讓(rang)一(yi)個(ge)不(bu)是(shi)畫(hua)原(yuan)理(li)圖(tu)的(de)人(ren)來(lai)擺(bai)放(fang)元(yuan)件(jian)，其(qi)結(jie)果(guo)往(wang)往(wang)會(hui)讓(rang)你(ni)大(da)吃(chi)一(yi)驚(jing)。對(dui)於(yu)初(chu)入(ru)門(men)的(de)，注(zhu)意(yi)模(mo)擬(ni)元(yuan)件(jian)
，數(shu)字(zi)元(yuan)件(jian)的(de)隔(ge)離(li)，以(yi)及(ji)機(ji)械(xie)位(wei)置(zhi)的(de)擺(bai)放(fang)，同(tong)時(shi)注(zhu)意(yi)電(dian)源(yuan)的(de)拓(tuo)撲(pu)就(jiu)可(ke)以(yi)了(le)。

 

2. 接jie下xia來lai就jiu是shi布bu線xian。這zhe與yu布bu局ju往wang往wang是shi互hu動dong的de。有you經jing驗yan的de人ren往wang往wang在zai開kai始shi就jiu能neng看kan出chu哪na些xie地di方fang能neng布bu線xian成cheng功gong。如ru果guo有you些xie地di方fang難nan以yi布bu線xian還hai需xu要yao改gai動dong布bu局ju。對dui於yufpgashejilaishuowangwanghaiyaogaidongyuanlitulaishibuxiangengjiashunchang。buxianhebujuwentishejideyinsuhenduo
，duiyugaosushuzibufen，yinweiqianchedaoxinhaowanzhengxingwentierbiandefuza，danwangwangzhexiewentiyoushinanyidinglianghuojishidingliangyenanyijisuande。suoyi，zaixinhaopinlvbushihengaodeqingkuangxia
，yingyibutongweidiyiyuanze。

 

3. OK了？別急
，用DRC檢查檢查先，這是一定要檢查的。DRC對於布線完成覆蓋率以及規則違反的地方都會有所標注，按照這個再一一的排查

，修正。

 

4. 有些pcb還要加上敷銅(可能會導致成本增加)
，將出線部分做成淚滴(工廠也許會幫你加)。最後的pcb文件轉成gerber文件就可交付pcb生產了。(有些直接給pcb也成，工廠會幫你轉gerber)。

 

5. 要裝配pcb，準備bombiaoba，yibannengzhijiecongyuanlituzhongdaochu。danshixuyaozhuyideshi，yuanlituzhongnaxiebufenyuanjiangaishang，naxiebufenyuanjianbugaishang，yaozuodaoxinliyoushu。duiyuxiaopilianghuoyanjiubaneryan

，yongexcel自己管理倒也方便(大公司往往要專業軟件來管理)。而對於新手而言，第一個版本，不建議直接交給裝配工廠或焊接工廠將bom的料全部焊上，這樣不便於排查問題。最好的方法就是，根據bom表自己準備好元件。等到板來了之後
，一步步上元件、調試。

 

電路板調試

 

1. nadaobandiyibuzuoshenme
，buyaojijimangmanggongdiankangongneng，yingjiantiaoshibukenengyibutiaoshiwanchengde。xiannawanyongbiaokankanguanjianwangluoshifouyoubuzhengchang，zhuyaoshikandianyuanyudizhijianyoufouduanlu(盡管生產廠商已經幫你做過測試
，這一步還是要自己親自看看，有時候看起來某些步驟挺繁瑣
，但是可以節約你後麵不少時間！)，其實短路與否不光pcb有關，在生產製作的任何一個環節可能導致這個問題，IO短路一般不會造成災難性的後果，但是電源短路就......

 

2. 電源網絡沒短路
？那麼好，那就看看電源輸出是否是自己理想的值
，對於初學者
，調試的時候最好IC一件件芯片上，第一個要上的就是電源芯片。

 

3. dianyuanwangluoduanlule？zhegebijiaomafan
，buguoyaozaixikankanzijiyuanlitushifouyoukenengzheyangdeqingkuang，tongshijiehegexiandefangfayibubupaizhadaodishishenmedifangduanlule，shipcb的問題(一般比較爛的pcb廠就可能出現這種情況)，還是裝配的問題，還是自己設計的問題。關於檢查短路還有一些技巧，這在今後登出......

 

4. 電源芯片沒有輸出?檢查檢查你的電源芯片輸入是否正常吧，還需要檢查的地方有使能信號，分壓電阻，反饋網絡......

 

5. 電源芯片輸出值不在預料範圍?如果超過很離譜，比如到了10%，那麼看看分壓電阻先，這兩個分壓電阻一般要用1%的精度

，這個你做到了沒有
，同時看看反饋網絡吧，這也會影響你的輸出電源的範圍。

 

6. 電dian源yuan輸shu出chu正zheng常chang了le，別bie高gao興xing
，如ru果guo有you條tiao件jian的de話hua，拿na示shi波bo器qi看kan看kan吧ba，看kan看kan電dian源yuan的de輸shu出chu跳tiao變bian是shi否fou正zheng常chang。也ye就jiu是shi抓zhua取qu開kai電dian的de瞬shun間jian，看kan看kan電dian源yuan從cong無wu到dao有you的de情qing況kuang(至於為什麼要看著個，嘿嘿......專業人士還是要看的～)

 

電源設計

 

無疑電源設計是整個電路板最重要的一環。電源不穩定，其他啥都別談。我想不用balabala述說它究竟有多麼重要了。

 

在電源設計我們用得最多的場合是，從一個穩定的“高”電壓得到一個穩定的“低”電壓。這也就是經常說的DC/DC，其中用得最多的電源穩壓芯片有兩種，一種叫LDO(低壓差線性穩壓器，我們後麵說的線性穩壓電源，也是指它)

，另一種叫PWM（脈寬調製開關電源，我們在本文也稱它開關電源）。我們常常聽到PWM的效率高
，但是LDO的響應快，這是為什麼呢
？別著急，先讓我們看看它們的原理。

 

下麵會涉及一些理論知識，但是依然非常淺顯易懂
，如果你不懂，嘿嘿，得檢查一下自己的基礎了。

 

一
、線性穩壓電源的工作原理

 

 

如圖是線性穩壓電源內部結構的簡單示意圖。我們的目的是從高電壓Vs得到低電壓Vo。在圖中
，Vo經過兩個分壓電阻分壓得到V+
，V+被送入放大器(我們把這個放大器叫做誤差放大器)的正端，而放大器的負端Vref是電源內部的參考電平(這個參考電平是恒定的)。放大器的輸出Va連接到MOSFET的柵極來控製MOSFET的阻抗。Va變大時，MOSFET的阻抗變大;Va變小時，MOSFET的阻抗變小。MOSFET上的壓降將是Vs-Vo。

 

現在我們來看Vo是怎麼穩定的，假設Vo變小，那麼V+將變小，放大器的輸出Va也將變小，這將導致MOSFET的阻抗變小
，這樣經過同樣的電流，MOSFET的壓差將變小
，於是將Vo上抬來抑製Vo的變小。同理
，Vo變大
，V+變大，Va變大
，MOSFET的阻抗變大，經過同樣的電流，MOSFET的壓差變大
，於是抑製Vo變大。

 

二
、開關電源的工作原理

 

 

如上圖，為了從高電壓Vs得到Vo
，開關電源采用了用一定占空比的方波Vg1,Vg2推動上下MOS管，Vg1和Vg2是反相的
，Vg1為高
，Vg2為低;上MOS管打開時
，下MOS管關閉;下MOS管打開時，上MOS管關閉。由此在L左端形成了一定占空比的方波電壓，電感L和電容C我們可以看作是低通濾波器
，因此方波電壓經過濾波後就得到了濾波後的穩定電壓Vo。Vo經過R1、R2分壓後送入第一個放大器(誤差放大器)的負端V+，誤差放大器的輸出Va做為第二個放大器(PWM放大器)的正端，PWM放大器的輸出Vpwm是一個有一定占空比的方波
，經過門邏輯電路處理得到兩個反相的方波Vg1
、Vg2來控製MOSFET的開關。

 

誤差放大器的正端Vref是一恒定的電壓，而PWM放大器的負端Vt是一個三角波信號，一旦Va比三角波大時，Vpwm為高
；Va比三角波小時，Vpwm為低，因此Va與三角波的關係
，決定了方波信號Vpwm的占空比；Va高，占空比就低，Va低，占空比就高。經過處理,Vg1與Vpwm同相，Vg2與Vpwm反相；最終L左端的方波電壓Vp與Vg1相同。如下圖

 

 

當Vo上升時

，V+將上升

，Va下降，Vpwm占空比下降，經過們邏輯之後，Vg1的占空比下降，Vg2的占空比上升
，Vp占空比下降，這又導致Vo降低，於是Vo的上升將被抑製。反之亦然。

 

三、線性穩壓電源和開關電源的比較

 

懂得了線性穩壓電源和開關電源的工作原理之後，我們就可以明白為什麼線性穩壓電源有較小的噪聲，較快的瞬態響應
，但是效率差;而開關電源噪聲較大，瞬態響應較慢

，但效率高了。

 

線性穩壓電源內部結構簡單，反饋環路短，因此噪聲小，而且瞬態響應快(當輸出電壓變化時，補償快)。但是因為輸入和輸出的壓差全部落在了MOSFET上，所以它的效率低。因此，線性穩壓一般用在小電流，對電壓精度要求高的應用上。

 

而er開kai關guan電dian源yuan，內nei部bu結jie構gou複fu雜za，影ying響xiang輸shu出chu電dian壓ya噪zao聲sheng性xing能neng的de因yin數shu很hen多duo
，且qie其qi反fan饋kui環huan路lu長chang，因yin此ci其qi噪zao聲sheng性xing能neng低di於yu線xian性xing穩wen壓ya電dian源yuan，且qie瞬shun態tai響xiang應ying慢man。但dan是shi根gen據ju開kai關guan電dian源yuan的de結jie構gou，MOSFET處於完全開和完全關兩種狀態
，除了驅動MOSFET，和MOSFET自己內阻消耗的能量之外

，其他能量被全部用在了輸出(理論上L
、C是不耗能量的，盡管實際並非如此，但這些消耗的能量很小)。

 

zongeryanzhi，yaoxuehaoyingjiandianlusheji，shouxianyaonongqingchuxiangmuxuqiu
，genjugongnengshejiyingjiankuangjia
，jiehecankaosheji，duojiejianbierendeshejichengguo

，fuyongdaozijideyingjianxiangmushangmianlai。