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李鸿洋

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干货!原理图设计规范133条checklist

原理图设计是产品设计的理论基础,设计一份规范的原理图对设计PCB、跟机、做客户资料具有指导性意义,是做好一款产品的基础。原理图设计基本要求: 规范、清晰、准确、易读。

因此制定《原理图设计规范》的目的和出发点是为了培养硬件开发人员严谨、务实的工作作风和严肃、认真的工作态度,增强硬件开发人员的责任感和使命感,提高工作效率和开发成功率,保证产品质量。

原理图设计基本原则:

1、确定需求:

详细理解设计需求,从需求中整理出电路功能模块和性能指标要求等。

2、确定核心CPU:

根据功能和性能需求制定总体设计方案,对CPU进行选型,CPU选型有以下几点要求:

  • 性价比高;
  • 容易开发:硬件调试工具种类多,参考设计多,软件资源丰富,成功案例多;
  • 可扩展性好。

3、参考成功案例: 

针对已经选定的CPU芯片,选择一个与我们需求比较接近的成功参考设计,一般CPU生产商或他们的合作方都会对每款CPU芯片做若干开发板进行验证,厂家公开给用户的参考设计图虽说不是产品级的东西,也应该是经过严格验证的,否则也会影响到他们的芯片推广应用,纵然参考他们设计的外围电路有可推敲的地方,CPU本身的管脚连接使用方法也绝对是值得我们信赖的,当然如果万一出现多个参考设计某些管脚连接方式不同,可以细读CPU芯片手册和勘误表,或者找厂商确认。

另外在设计之前,最好我们能外借或者购买一块选定的参考板进行软件验证,如果没问题那么硬件参考设计也是可以信赖的,但要注意一点,现在很多CPU都有若干种启动模式,我们要选一种最适合的启动模式,或者做成兼容设计。

官网资料:https://www.nordicsemi.com/Products/nRF51822

4、对外围器件选型:

根据需求对外设功能模块进行元器件选型,元器件选型应该遵守以下原则:

  • 普遍性原则:所选的元器件要被广泛使用验证过的尽量少使用冷偏芯片,减少风险;
  • 高性价比原则:在功能、性能、使用率都相近的情况下,尽量选择价格比较好的元器件,减少成本;
  • 采购方便原则:尽量选择容易买到,供货周期短的元器件;
  • 持续发展原则:尽量选择在可预见的时间内不会停产的元器件;
  • 可替代原则:尽量选择pin to pin兼容种类比较多的元器件;
  • 向上兼容原则:尽量选择以前老产品用过的元器件;
  • 资源节约原则:尽量用上元器件的全部功能和管脚。

5、设计外围电路

对选定的CPU参考设计原理图外围电路进行修改,修改时对于每个功能模块都要找至少3个相同外围芯片的成功参考设计,如果找到的参考设计连接方法都是完全一样的,那么基本可以放心参照设计,但即使只有一个参考设计与其他的不一样,也不能简单地少数服从多数,而是要细读芯片数据手册,深入理解那些管脚含义,多方讨论,联系芯片厂技术支持,最终确定科学、正确的连接方式,如果仍有疑义,可以做兼容设计。这是整个原理图设计过程中最关键的部分,我们必须做到以下几点:

  • 对于每个功能模块要尽量找到更多的成功参考设计,越难的应该越多,成功参考设计是“前人”的经验和财富,我们理当借鉴吸收,站在“前人”的肩膀上,也就提高了自己的起点;
  • 要多向权威请教、学习,但不能迷信权威,因为人人都有认知误差,很难保证对哪怕是最了解的事物总能做出最科学的理解和判断,开发人员一定要在广泛调查、学习和讨论的基础上做出最科学正确的决定;
  • 如果是参考已有的老产品设计,设计中要留意老产品有哪些遗留问题,这些遗留问题与硬件哪些功能模块相关,在设计这些相关模块时要更加注意推敲,不能机械照抄原来设计。

6、原理图设计时遵循的基本原则

硬件原理图设计还应该遵守一些基本原则,这些基本原则要贯彻到整个设计过程,虽然成功的参考设计中也体现了这些原则,但因为我们可能是“拼”出来的原理图,所以我们还是要随时根据这些原则来设计审查我们的原理图,这些原则包括:

  • 数字电源和模拟电源分割;
  • 数字地和模拟地分割,单点接地,数字地可以直接接机壳地(大地),机壳必须接大地;
  • 各功能块布局要合理, 整份原理图需布局均衡. 避免有些地方很挤,而有些地方又很松, 同PCB 设计同等道理;
  • 可调元件(如电位器), 切换开关等对应的功能需标识清楚;
  • 重要的控制或信号线需标明流向及用文字标明功能;
  • 元件参数/数值务求准确标识. 特别留意功率电阻一定需标明功率值, 高耐压的滤波电容需标明耐压值;
  • 保证系统各模块资源不能冲突,例如:同一I2C总线上的设备地址不能相同,等等;
  • 阅读系统中所有芯片的手册(一般是设计参考手册),看它们的未用输入管脚是否需要做外部处理,如果需要一定要做相应处理,否则可能引起芯片内部振荡,导致芯片不能正常工作;
  • 在不增加硬件设计难度的情况下尽量保证软件开发方便,或者以小的硬件设计难度来换取更多方便、可靠、高效的软件设计,这点需要硬件设计人员懂得底层软件开发调试,要求较高;
  • 功耗问题;
  • 产品散热问题,可以在功耗和发热较大的芯片增加散热片或风扇,产品机箱也要考虑这个问题,不能把机箱做成保温盒,电路板对“温室”是感冒的;还要考虑产品的安放位置,最好是放在空间比较大,空气流动畅通的位置,有利于热量散发出去。

7、原理图审核

硬件原理图设计完成之后,设计人员应该按照以上步骤和要求首先进行自审,自审后要达到有95%以上把握和信心,然后再提交他人审核,其他审核人员同样按照以上要求对原理图进行严格审查,如发现问题要及时进行讨论分析,分析解决过程同样遵循以上原则、步骤。

8、原理图设计基本要求

只要开发和审核人员都能够严格按以上要求进行电路设计和审查,我们就有理由相信,所有硬件开发人员设计出的电路板一版成功率都会很高的,所以提出以下几点:

  • 设计人员自身应该保证原理图的正确性和可靠性,要做到设计即是审核,严格自审,不要把希望寄托在审核人员身上,设计出现的任何问题应由设计人员自己承担,其他审核人员不负连带责任;
  • 其他审核人员虽然不承担连带责任,也应该按照以上要求进行严格审查,一旦设计出现问题,同样反映了审核人员的水平、作风和态度;
  • 普通原理图设计,包括老产品升级修改,原则上要求原理图一版成功,最多两版封板,超过两版将进行绩效处罚;
  • 对于功能复杂,疑点较多的全新设计,原则上要求原理图两版内成功,最多三版封板,超过三版要进行绩效处罚;
  • 原理图封板标准为:电路板没有任何原理性飞线和其他处理点;
  • 每张原理图都需有公司的标准图框,并标明对应图纸的功能,文件名,制图人名/确认人名, 日期, 版本号;
  • 对于重点设计的相关模拟电路产品,没有主用芯片、外围芯片以及芯片与芯片之间的连接方面的问题。所以,元器件的选项尤为重要,对于硬件设计的一些基本原则一定要注意。

9、原理图设计规范Checklist

No. 类别 描述
1 检视规则 原理图需要进行检视,提交集体检视是需要完成自检,确保没有低级问题。
2 检视规则 原理图要和公司团队和可以邀请的专家一起进行检视。
3 检视规则 第一次原理图发出进行集体检视后所有的修改点都需要进行记录。
4 检视规则 正式版本的原理图在投板前需要经过经理的审判。
5 差分网络 原理图中差分线的网络,芯片管脚处的P和N与网络命令的P和N应该一一对应。
6 单网络 原理图中所有单网络需要做一一确认。
7 空网络 原理图中所有空网络需要做一一确认。
8 网格 1、原理图绘制中要确认网格设置是否一致。2、原理图中没有网格最小值设置不一致造成网络未连接的情况。
9 网络属性 确认网络是全局属性还是本地属性
10 封装库 1、原理图中器件的封装与手册一致。2、原理图器件是否是标准库的symbol。
11 绘制要求 原理图中器件的封装与手册一致。
12 指示灯 设计默认由电源点亮的指示灯和由MCU点灭的指示灯,便于故障时直观判断电源问题还是MCU问题
13 网口连接器 确认网口连接器的开口方向、是否带指示灯以及是否带PoE
14 网口变压器 确认变压器选型是否满足需求,比如带PoE
15 按键 确认按键型号是直按键还是侧按键
16 电阻上下拉 同一网络避免重复上拉或者下拉
17 OD门 芯片的OD门或者OC门的输出管脚需要上拉
18 匹配 高速信号的始端和末端需要预留串阻
19 三极管 三极管电路需要考虑通流能力
20 可测试性 在单板的关键电路和芯片附近增加地孔,便于测试
21 连接器防呆 连接器选型时需要选择有防呆设计的型号
22 仿真 低速时钟信号,一驱动总线接口下挂器件的驱动能力、匹配方式、接口时序必须经过仿真确认,例如MDC/MDIO、IIC、PCI、Local bus
23 仿真 电路中使用电感、电容使用合适Q值,可以通过仿真。
24 时序 确认上电时序是否满足芯片手册和推荐电路要求。
25 时序 确认下电时序是否满足芯片手册和推荐电路要求。
26 时序 确认复位时序是否满足芯片手册和推荐电路要求。
27 复位开关 单板按键开关设计,要防止长按按键,单板挂死问题,建议按键开关设计只产生一段短脉宽低电平。
28 复位设计 复位信号设计(1)依据芯片要求进行上下拉(2)确认芯片复位的默认状态(3)Peset信号并联几十PF的电容滤波,优化信号质量。(4)复位信号保证型号完整性。
29 复位 所有接口和光模块默认处于复位状态。
30 电平匹配 不同电平标准互连,关注电压、输入输出门限、匹配方式。
31 功耗 详细审查各个芯片的功耗设计,计算出单板各个电压的最大功耗,选择有一定余量的电源。
32 缓启 热插拔电路要进行缓启动设计
33 磁珠 小电压大电流(安培级)值电源输出端口的磁珠,需要考虑磁珠压降
34 连接器 板间电源连接器通流能力及压降留有预量
35 标识 扣板与母板插座网络标识是否一致,前后插卡连机器管脚信号要一一对应。
36 电平匹配 一驱多信号要根据仿真结果进行阻抗匹配,确定是否加始端或末端匹配电阻
37 匹配电平 原理图设计要关注厂家器件资料的说明,输入输出都会有明确的匹配要求。
38 二级管 使用在控制、检测、电源合入等电路中的二极管,必须考虑二极管反向漏电流是否满足设计要求。
39 MOS CMOS器件未使用的输入/输出管脚需按照器件手册要求处理,手册未要求的必须与厂家确认处理方式。
40 温感 关键器件尤其的温度要进行监控
41 244/245 有上、下拉需要的信号在经过没有输出保持功能的总线驱动器后,需要在总线驱动器的输入、输出端加上下拉。
42 244/245 244/245如果不带保持功能,则必须将不用的输入管脚上下拉。
43 时钟 晶振管脚直接输出的信号禁止直接1驱多,多个负载会影响信号质量,建议采用1对1的方式。
44 时钟 晶体的xt-out和时钟驱动器相连需要0402串阻,阻值选择不能影响单板起震。
45 时钟 锁相环电路及参数的选取必须经过专项计算。
46 时钟 时钟环路滤波陶瓷电容优选NPO介质电容。
47 时钟 确认信号摆幅,jitter等是否超出器件要求。
48 时钟 确认时钟器件在中心频率、工作电压、输出电平、占空比、相位等各项指标上能完全满足要求。
49 DDR DDR等存储器接口都要有时钟频率降额设计。
50 DDR 对于可靠性要求较高的单板建议在RAM开发中满足ECC设计规则要求。
51 DDR DDR的VTT电源滤波要做到Vtt电阻和绿宝电容的搭配。
52 PHY MDC/MDIO采用一驱多的匹配方式,主器件经过串阻-》上拉电阻-》串阻到从器件,串阻要放置在两端。
53 PHY 1对多的控制,PHY需要预留地址信号,用于控制。
54 PHY CAM等芯片功耗根据访问条件和温度,功耗变化较大,设计时要要仔细查询器件手册,明确功耗和厂家芯片的关系。
55 PHY 设备有光模块接口是,光模块内部串接10nf电容,链路不需要进行重复设计。
56 散热器 选择散热器时,要考虑到散热器的重量和与设备的结合方式。
57 I2C 设备通过I2C进行互联时,可以使用芯片内I2C模块,也可以通过I2C模块。
58 电容 单板中射频相关部分设计的时候,需要旁路,滤波电容,针对不同的干扰频率要选择不同容值的滤波电容。
59 电容 电容并联设计时,要计算或通过仿真分析谐振点,避免可能会出现的谐振问题。
60 电容 滤波电容的设计要关注对控制管脚的影响。
61 电容 没有使用的管脚如何使用需要参考芯片手册和demo板的设计去关注这些管脚的设计是否合理。
62 特征阻抗 对PCB布线的特征阻抗有特殊要求时,需要在原理图或者给互连工程师的需求文档中进行特殊说明。
63 复位设计 关键功能器件应该预留独立的复位设计。
64 复位设计 很多Flash都有rst的管脚,为满足启动阶段的软件功能实现要求,在
65 射频滤波 视频放大器的电源设计时要添加合适的滤波电容,防止电源噪声对射频信号质量造成本良影响。
66 射频滤波 电源、功率电路设计是应用电需要考虑电阻的功率特性的选择。
67 可测试性 部分功能模块要保持可以长工状态,利于进行硬件测试。
68 射频电路 直流偏置电路是否需要使能控制,控制电压精度是否满足放大器的要求。
69 射频电路 保证前级可能输出的最大RF峰值功率小于后级级联器件的最大极限输入功率3dB左右,需要关注信号峰值和过冲对器件过功率的影响。
70 射频电路 射频器件功率放大器的中心散热焊盘在原理图上必须接地。
71 射频电路 具备on/off的射频器件功能,在off状态下隔离度有问题,隔离度影响收发的干扰情况,干扰信号需要保持在合理电平内,否则影响套片正常工作。
72 射频电路 PA的RF发送端链路PA外围电路正价负反馈设计防止烧PA。
73 射频电路 射频接收电路,需要在接收机和套片之间预留PI型位置,调试接收灵敏度。
74 电源 确保所有的电源转换模块OCP/OVP点(过流保护点和过压保护点)设定正确
75 电源 电源的带负载能力是否足够,相数是否足够,能提供足够大的电流、功率給CPU,Chipset等(1相按最大20A计算,保守15A)
76 电源 PWM单相频率范围是200K-600K;集成MOS的可以达到1MHz
77 电源 输入电容的Ripple current(参考2700mA);电容Ripple Current小会导致电容发热,影响寿命
78 电源 输出电容的ESR是否足够小
79 电源 电容的耐压是否满足,同时满足降额
80 电源 H-MOS导通时间短;L-MOS导通时间长
81 电源 H-Side MOSFET要选择导通速度快的
82 电源 L-Side MOSFET要选择Rds(on)低的
83 电源 线性电源的损耗P=Δvi,一般,1颗LDO可承受的功率损耗PmaxJunction=器件Temp,保证器件temp与环境Temp之和小于MOS的最大工作温度的80%。
84 电源 单板上同一电源和地名称要统一
85 电源 单相PWM driver 的BOOT Pin与phase端接0.1uF电容.核对BOOT电容,是否耐压值为50V。H-MOS导通之后,BOOT Pin电压达24V,Phase端12V。
86 电源 H-side Gate上预留0ohm电阻,防止High side MOS因Vgs过大被击穿
87 电源 Feedback电路设置是否准确;在电路上注释反馈电压计算公式。
88 电源 GND和AGND电路要分开,但最后要通过一点进行连接。如果是chipset的 AGND电流很大,可直接与GND相连,不需要连接0OHM,否则通流不够。
89 电源 PWROK的上拉要用对应的电源去上拉。
90 电源 有些模块线路copy过来后,需要注意AGND属性要更改,最好能赋予net名字,比如经常会遇到两个P1V1的AGND起的名字一样。
91 电源 确认电感封装,核对饱和电流是否满足电路需求。电感封装越大,过电流能力越强,电感的饱和电流应该大于电路的OCP电流。
92 电源 确认补偿线路,保证足够的穿越频率,以及相位裕度。
93 电源 核对LDO的最大压差是否满足器件的要求(输入的电压范围和输出的电压范围)
94 FPGA 确认输入输出的逻辑电平是否正确;电平类型:GTL,OD,LVCMOS33、LVCOM25、LVDS等。确认芯片和CPLD/FPGA之间的逻辑电平是否匹配,避免两边电平不一致。
95 FPGA CPLD的GPIO信号作为输出管脚控制时序时,需要将此Pin通过4.7K至10K电阻做下拉处理
96 FPGA CPLD的JTAG接口需要连至Header上,注意Header的Pin脚定义符合烧录器要求,JTAG信号预留ESD保护电路。
97 FPGA 空余的没有使用的GPIO Pin接到LED上,一般3-4个LED即可。
98 FPGA 对于同一功能的GPIO尽量只选用同一个Pin(Reset信号除外)
99 FPGA 不同bank的电平跟这个bank的VCCIO电平有关
100 FPGA FPGA外接ROM时,需在原理图里面标注1,2,3顺序(顺序不对会出现烧录不了的问题)。确保信号连接之间接口电平是否正确,是否需要采用levelshift设计
101 FPGA CPLD core电和IO电时序,一般要求core电要早于IO电,否则,输出信号需要加下拉电阻。(一般情况下core电都早于IO电压,Core起来之后IO状态就可以固定了。具体要求参考厂家器件资料)
102 FPGA FPGA的MGT Bank如果不用时,RX信号需要接地处理。
103 FPGA MGT Bank指可配置为高速接口的bank,例如xilinx的GTP,GTX接口bank,不用时要对RX信号处理
104 FPGA 在原理设计期间必须向CPLD编程人员提供规范的CPLD需求文件
105 FPGA 在CPLD需求文件必须指定每个管脚的输入和输出状态。
106 FPGA 对于CPLD尽可能的少用时序逻辑,多使用组合逻辑,尽可能用简单逻辑代替复杂逻辑
107 FPGA 设计人员提供的逻辑需求要避免竞争和冒险,即用CPLD输出的信号做其他逻辑的输入判定
108 FPGA 有支持I2C的设计需求,要事先规划好系统I2C拓扑,在芯片选型时要考虑预留逻辑空间。(BMC如果I2C资源够用,CPLD单独占用一组I2C总线)
109 连接器 高速连接器的带宽要按照1.5-2倍选择
110 连接器 确认connector在PCB上的Pin定义方式
111 连接器 两块对插板connector的对应Pin脚信号定义是否一致,对于多块单板互连,需要确认对应连接器的物理位置是否正确。
112 连接器 根据板厚来确定是否可以选用焊接件和压接器件
113 连接器 一般连接器应注意母端有长短针,因此需母端定义电源和GND
114 连接器 高速信号连接器,高速信号周围的GND Pin一定接地
115 连接器 高速信号连接器,定义信号时,注意TX,RX在连接器上的分布,避免TX/RX混在一起(避免cross talk)
116 连接器 作为一个由两个连接器拼成的接口,需选择同一厂商,同一类型连接器
117 连接器 SMD连接器选择时,其上面要有一个平面,便于工程的高速机吸嘴吸取不易脱落。Packing优先选择盘装,不用管状的。
118 连接器 尽量能够统一为焊接器件或压接器件
119 连接器 注意管脚长度的选择
120 连接器 在进入layout布局之前务必提供各连接器位置顺序图
121 连接器 连接器选型时尽可能选择通用的物料(两家以上Source的),保证一定的可替代性
122 连接器 连接器选型时需要考虑PCB的厚径比(不能超过10:1)
123 连接器 网口连接器选择时要关注连接器颜色,颜色不同会影响产品的外观感知。
124 连接器 对于不同速率、种类的接口,如10GE、GE口、FE口、控制口、调试口的鞥可以通过面膜不同颜色进行区分。
125 连接器 连接器选择时需要关注是否有定位管脚,没有定位管脚生产加工时可能会出现偏位。
126 连接器 连接器选择时需要关注引脚长度和PCB板厚的关系,引脚过长在单板生产加工完成时需要减脚处理,引脚过短(如定位管脚)在单板加工时会出现上翘等现象。
127 时钟 clock signal(除differential Signal外),要预留可调节EMI 的电容位置,一般为10pF.
128 时钟 PCI-E2.0 slot的clock signal 建议与控制芯片同源。
129 时钟 当Clockgen或Clock Buffer使用SYS供电时,应注意网卡、CPLD等芯片的时钟信号是否需要单独的时钟源
130 时钟 所有Clockgen和Clock Buffer的SMbus接口上拉的电压应与IC的供电一致
131 时钟 当晶振或clock buffer输出的电平和IC需要的电平不一致时需要加AC耦合和阻抗匹配电路,同时要注意SWING和CROSSPOINT设置是否正确。
132 时钟 注意Ossilater的clock信号输出电平,如果是LVPECL,外部需要加对地150ohm电阻。对于发射级耦合逻辑电路,需要在外围提供地回流路径。
133 时钟 CPU的晶振应尽量排布在晶振输入引脚附近。无源晶振要加几十皮法的电容;有源晶振可直接将信号引至CPU的晶振输入脚。

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