在學習電路設計的時候，不知道你是否有這樣的困擾：明明自己學了很多硬件電路理論，也做過了一些基礎操作實踐，但還是無法設計出自己理想的電路。歸根結底，我們缺少的是硬件電路設計的思路，以及項目實戰經驗。

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，學會繪制原理圖，并通過軟件完成pcb設計，熟練掌握工具的技巧使用，學會如何優化及調試電路等。要如何完整地設計一套硬件電路設計，下面為大家分享我的幾點個人經驗：

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闆、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闆(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，一方面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

在開始做硬件設計前，根據自己的項目需求，可以去找能夠滿足硬件功能設計的，有很多相關的參考設計。沒有找到？也沒關系，先确定大 IC 芯片，找 datasheet，看其關鍵參數是否符合自己的要求，哪些才是自己需要的關鍵參數，以及能否看懂這些關鍵參數，都是硬件工程師的能力的體現，這也需要長期地慢慢地積累。這期間，要善于提問，因為自己不懂的東西，别人往往一句話就能點醒你，尤其是硬件設計。

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，其實就是将前面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 涉及到實際的電路闆，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)，而将具體的元器件的封裝放置(布局)在電路闆上，然後根據飛線(也叫預拉線)連接其電信号(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，所以我們将用到 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面，在國内也比較流行，應付一般的工作已經足夠，适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）制作 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. 原理圖庫建立。要将一個新元件擺放在原理圖上，我們必須得建立改元件的庫。庫中主要定義了該新元件的管腳定義及其屬性，并且以具體的圖形形式來代表(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 等區别。

2. 有了充足的庫之後，就可以在原理圖上畫圖了，按照 datasheet 和系統設計的要求，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 的區别在于，前者有電氣屬性，後者沒有。wire 适用于連接相同網絡，line 适用于注釋圖形。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，電腦要将其轉化為 pcb，就必須将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?别急，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，畢竟工具并不能明白你的系統，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吓了一跳?呵呵，别急還得慢慢來。

6. 确定闆框大小。在 keepout 區(或 mechanic 區)畫個闆框，這将限制了你布線的區域。需要根據需求好考慮闆長，闆寬(有時，還得考慮闆厚)。當然了，疊層也得考慮好。(疊層的意思就是，闆層有幾層，怎麼應用，比如闆總共 4 層，頂層走信号，中間第一層鋪電源，中間第二層鋪地，底層走信号)。

PCB 布局布線

先解釋一下前面的術語。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，再在外面單擊(copy 命令發生在選中 object 之前)。

1. 确定完闆框之後，就該元件布局(擺放)了，布局這步極為關鍵。它往往決定了後期布線的難易。哪些元器件該擺正面，哪些元件該擺背面，都要有所考量。但是這些都是一個仁者見仁，智者見智的問題;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(如果讓一個不是畫原理圖的人來擺放元件，其結果往往會讓你大吃一驚。對于初入門的，注意模拟元件，數字元件的隔離，以及機械位置的擺放，同時注意電源的拓撲就可以了。

2. 接下來就是布線。這與布局往往是互動的。有經驗的人往往在開始就能看出哪些地方能布線成功。如果有些地方難以布線還需要改動布局。對于 fpga 設計來說往往還要改動原理圖來使布線更加順暢。布線和布局問題涉及的因素很多，對于高速數字部分，因為牽扯到信号完整性問題而變得複雜，但往往這些問題又是難以定量或即使定量也難以計算的。所以，在信号頻率不是很高的情況下，應以布通為第一原則。

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

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

5. 要裝配 pcb，準備 bom 表吧，一般能直接從原理圖中導出。但是需要注意的是，原理圖中哪些部分元件該上，哪些部分元件不該上，要做到心理有數。對于小批量或研究闆而言，用 excel 自己管理倒也方便(大公司往往要專業軟件來管理)。而對于新手而言，第一個版本，不建議直接交給裝配工廠或焊接工廠将 bom 的料全部焊上，這樣不便于排查問題。最好的方法就是，根據 bom 表自己準備好元件。等到闆來了之後，一步步上元件、調試。

電路闆調試

1. 拿到闆第一步做什麼，不要急急忙忙供電看功能，硬件調試不可能一步調試完成的。先拿萬用表看看關鍵網絡是否有不正常，主要是看電源與地之間有否短路(盡管生産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，但是可以節約你後面不少時間！)，其實短路與否不光 pcb 有關，在生産制作的任何一個環節可能導緻這個問題，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，對于初學者，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. 電源網絡短路了？這個比較麻煩，不過要仔細看看自己原理圖是否有可能這樣的情況，同時結合割線的方法一步步排查倒底是什麼地方短路了，是 pcb 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。關于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号，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. 電源輸出正常了，别高興，如果有條件的話，拿示波器看看吧，看看電源的輸出跳變是否正常。也就是抓取開電的瞬間，看看電源從無到有的情況(至于為什麼要看着個，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闆最重要的一環。電源不穩定，其他啥都别談。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，我們後面說的線性穩壓電源，也是指它)，另一種叫 PWM（脈寬調制開關電源，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？别着急，先讓我們看看它們的原理。

下面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内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 是電源内部的參考電平(這個參考電平是恒定的)。放大器的輸出 Va 連接到 MOSFET 的栅極來控制 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 上的壓降将是 Vs-Vo。

現在我們來看 Vo 是怎麼穩定的，假設 Vo 變小，那麼 V 将變小，放大器的輸出 Va 也将變小，這将導緻 MOSFET 的阻抗變小，這樣經過同樣的電流，MOSFET 的壓差将變小，于是将 Vo 上擡來抑制 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，于是抑制 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 來控制 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 是一個三角波信号，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 與三角波的關系，決定了方波信号 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 将上升，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，這又導緻 Vo 降低，于是 Vo 的上升将被抑制。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，較快的瞬态響應，但是效率差;而開關電源噪聲較大，瞬态響應較慢，但效率高了。

線性穩壓電源内部結構簡單，反饋環路短，因此噪聲小，而且瞬态響應快(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。

而開關電源，内部結構複雜，影響輸出電壓噪聲性能的因數很多，且其反饋環路長，因此其噪聲性能低于線性穩壓電源，且瞬态響應慢。但是根據開關電源的結構，MOSFET 處于完全開和完全關兩種狀态，除了驅動 MOSFET，和 MOSFET 自己内阻消耗的能量之外，其他能量被全部用在了輸出(理論上 L、C 是不耗能量的，盡管實際并非如此，但這些消耗的能量很小)。

總而言之，要學好硬件電路設計，首先要弄清楚項目需求，根據功能設計硬件框架，結合參考設計，多借鑒别人的設計成果，複用到自己的硬件項目上面來。

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