什么是硬件設(shè)計(jì)?
我的理解:硬件設(shè)計(jì)就是根據(jù)產(chǎn)品經(jīng)理的需求PRS(Product Requirement Specification),在COGS(Cost of Goods Sale)的要求下,利用目前業(yè)界成熟的芯片方案或者技術(shù),在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成符合PRS功能(Function),性能(Performance),電源設(shè)計(jì)(Power Supply), 功耗(Power Consumption),散熱(Thermal/Cooling),噪音(Noise),信號完整性(Signal Integrity), 電磁輻射(EMC/EMI),安規(guī)(Safety),器件采購(Component Sourcing),可靠性(Reliability),可測試性(DFT: design for test),可生產(chǎn)性(DFM:design for manufacture)等要求的硬件產(chǎn)品(注意:是產(chǎn)品不是開發(fā)板)。
可以看到,一個(gè)成功的硬件設(shè)計(jì),主要功能的實(shí)現(xiàn)只是所有環(huán)節(jié)中的一小部分,而且基本來說,主要功能的實(shí)現(xiàn)主要是依靠芯片廠商提供的套片方案,一般來說為了降低風(fēng)險(xiǎn),主要是參考套片方案的參考設(shè)計(jì)完成,芯片廠商也會(huì)提供包括器件封裝,參考設(shè)計(jì),仿真模型,PCB參考等等全部資料,在芯片功能越來越復(fù)雜的今天,一個(gè)片子動(dòng)不動(dòng)就幾百上千個(gè)PIN,對于一個(gè)新項(xiàng)目來說,是沒有時(shí)間一頁頁去吃透每個(gè)PIN,每個(gè)輸入輸出的具體功能,電氣參數(shù)的,尤其是對于高速設(shè)計(jì),比如DDR3接口,XAUI接口等等。一般來說芯片廠商提供的參考設(shè)計(jì)就是他們經(jīng)過開發(fā),驗(yàn)證,測試的最佳方案了,很多情況就是你必須按照參考設(shè)計(jì)來做,否則硬件可能就有問題,一般來說就是信號完整性問題或者EMC問題。 芯片廠商提供越來越周到的服務(wù),看起來硬件工程師HW(Hardware Engineer)的價(jià)值越來越低了,畢竟一個(gè)產(chǎn)品的核心功能或者技術(shù)一般都在ASIC或者FPGA里面了,HW一般沒有能力進(jìn)行核心邏輯設(shè)計(jì)IC design, 畢竟這是跟HW設(shè)計(jì)并行的另一項(xiàng)工作,另一項(xiàng)也很復(fù)雜的工作。對于這個(gè)問題,我也曾經(jīng)困惑過,總是感覺硬件設(shè)計(jì)沒有什么好搞的了,不就是抄抄參考設(shè)計(jì),就跟組裝一臺(tái)電腦一樣組裝一個(gè)單板嘛。當(dāng)然隨著項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的增多,尤其從事現(xiàn)在硬件系統(tǒng)級設(shè)計(jì)的角色,感覺原來自己考慮更多是從一名原理圖設(shè)計(jì)工程師的角度考慮問題。就像開始說的,一個(gè)成功的硬件設(shè)計(jì),功能Function只是一小部分,至于其他的因素和能力,一個(gè)HW的能力取決于能考慮因素越多,越深入,就越是一個(gè)優(yōu)秀的HW工程師。
電子的細(xì)分領(lǐng)域很多,不同領(lǐng)域之間有相似也有差異,下文中,博主朱玉龍針對汽車電子方向?qū)懴铝岁P(guān)于《硬件設(shè)計(jì)》的9條觀點(diǎn)。非常值得一看。以下: 不同行業(yè)之間考慮的問題是相似的,只是環(huán)境條件不同,功能有差異,可靠性要求有差異。甚至是汽車電子內(nèi)部的不同產(chǎn)品之間的硬件設(shè)計(jì),也略有些偏重方向上的差異。汽車電子的分支有很多,底盤和發(fā)動(dòng)機(jī)控制方向偏向于系統(tǒng)控制,能量轉(zhuǎn)換單元偏向于開關(guān)電源的優(yōu)化還有娛樂類的電子產(chǎn)品與消費(fèi)電子的重合區(qū)間較多一些。而與舊日同事的工作內(nèi)容的交流,大概也印證著著不同分支不同發(fā)展。
1.功耗
現(xiàn)在了解下來,12V鉛酸電池的容量大概在50~100Ah。這里所說的功耗,不僅僅是指工作時(shí)候的功耗,也包括待機(jī)功耗。前者見于娛樂系統(tǒng),萬一把汽車玩沒電了,發(fā)動(dòng)不起來就搞笑了。前幾天做過一個(gè)實(shí)驗(yàn),用15V150A的電源是無法發(fā)動(dòng)汽車的,啟動(dòng)時(shí)候需要的瞬時(shí)功率是非常高的,也對電池的容量提出了較高的要求。而休眠的功耗將直接決定汽車的存放天數(shù),雖說電子設(shè)備越來越多,但是少于1個(gè)月就無法發(fā)動(dòng)還是讓人無法接受。特別是將來的PHEV和EV,電壓一低,主繼電器都無法吸合了。
2.可靠性
與通信設(shè)備(相信還是要細(xì)分為家庭用,野外用的)相比,惡劣的條件和與安全相關(guān)的屬性,以及人們越來越高的保修期的要求(韓國車企在美國的終身保修政策實(shí)在讓人覺得很有壓力),使得所有模塊的開發(fā)模式都可能受到一定的改變。MTBF和功能故障DFMEA的結(jié)合使用,使得整個(gè)設(shè)計(jì)需要更為的全面。
3.熱設(shè)計(jì)與熱分析
VOLT配置了三套冷卻系統(tǒng),相信功率轉(zhuǎn)換單元越來越多的使用,將會(huì)加大對于整個(gè)模塊熱分析與熱設(shè)計(jì)的難度。當(dāng)然當(dāng)熱累積到一定程度,就得考慮從整個(gè)車?yán)锩媾懦鋈ィ骷墑e的散熱設(shè)計(jì)反而相對而言比較簡單(按照以前的計(jì)算和仿真結(jié)果,一般大功率應(yīng)用中IGBT和MOSFET值得注意,其他的只要選好了合適的LDO一般問題不大)。
4.器件采購與成本控制
有趣的是,本土的公司,都往往使用最好的芯片。這是以前從BYQ同事告訴我的,都用好東西才可能不會(huì)出錯(cuò),至少芯片一級可以提供支持和保證。先天的就去削減一些測試的費(fèi)用,實(shí)際上降成本的前提,就是需要得到每個(gè)器件的stress和margin,才能進(jìn)行技術(shù)成本優(yōu)化。沒有金剛轉(zhuǎn),別攬瓷器活。
5.DFM和DFT
要是不能生產(chǎn)或者出廠了一些不合格品,代價(jià)會(huì)是讓人震驚。因此EOL的設(shè)備的造價(jià)往往高的嚇人。有些地方處于成本的考慮,還得在下線之前calibration之后才能使用。
6.EMC和EMI
我以前覺得電子模塊的EMC和EMI挑戰(zhàn)很大,現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)源頭可能是汽車上那么多線束。由于有著諸多的感性負(fù)載和分布性的特點(diǎn),上次電源供應(yīng)商問我12V電池本身出來是否有紋波?讓我覺得很詫異,到了車上,從哪些地方傳導(dǎo)耦合或者空間耦合過來一定幅度的噪聲都別覺得奇怪,未來電氣化的車子更是如此。其實(shí)整車級別的EMC才麻煩呢,君不見都是一輛輛打包出去測試滴。
7.法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)
我現(xiàn)在才發(fā)現(xiàn)有那么多的標(biāo)準(zhǔn),地區(qū)的,行業(yè)的,國際的,國家的;主要以測試標(biāo)準(zhǔn)為主,還有安全標(biāo)準(zhǔn)等,前面有過一些介紹。幸好,國內(nèi)的始終是最容易過的,如果大家想這么沒追求的話。
8.電源設(shè)計(jì)
這塊確實(shí)是一個(gè)較大的問題,面對著越來越集成的系統(tǒng),傳統(tǒng)的LDO好像有些變化了。與Rocky相同的觀點(diǎn)也是,遇到模擬信號采集的時(shí)候,電源的誤差與干擾本身也是需要考慮進(jìn)去的,如果某些模擬傳感器線束太長,可能需要對地線也做一些考慮。
9.噪聲和振動(dòng)
繼電器,大電感和其他磁性元件,都是可能發(fā)聲的。而且后兩者對振動(dòng)也是相對敏感的,未來電氣化的過程中將會(huì)使用大量的平板變壓器和大電感,相信這塊是設(shè)計(jì)的重災(zāi)區(qū)。
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