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(hào)完整性(Signal Integrity)， 電磁輻射（EMC/EMI)，安規(guī)(Safety)，器件采購(gòu)(Component Sourcing)，可靠性(Reliability)，可測(cè)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(duì)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(duì)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(cè)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(hào)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(duì)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(jí)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(duì)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(duì)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?cè)絹碓礁叩谋Ｐ奁诘囊螅n國(guó)車企在美國(guó)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(duì)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?jí)別的散熱設(shè)計(jì)反而相對(duì)而言比較簡(jiǎn)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(gòu)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(jí)可以提供支持和保證。先天的就去削減一些測(cè)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(jí)別的EMC才麻煩呢，君不見都是一輛輛打包出去測(cè)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(guó)際的，國(guó)家的；主要以測(cè)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(guó)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(duì)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(hào)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(zhǎng)，可能需要對(duì)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(duì)振動(dòng)也是相對(duì)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)。

編輯：黃飛