到底什么是硬件設計？

什么是硬件設計？

我的理解：硬件設計就是根據產品經理的需求PRS（Product Requirement Specification），在COGS(Cost of Goods Sale)的要求下，利用目前業界成熟的芯片方案或者技術，在規定時間內完成符合PRS功能(Function)，性能(Performance)，電源設計（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(Safety)，器件采購(Component Sourcing)，可靠性(Reliability)，可測試性（DFT: design for test），可生產性（DFM：design for manufacture)等要求的硬件產品（注意：是產品不是開發板）。

可以看到，一個成功的硬件設計，主要功能的實現只是所有環節中的一小部分，而且基本來說，主要功能的實現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險，主要是參考套片方案的參考設計完成，芯片廠商也會提供包括器件封裝，參考設計，仿真模型，PCB參考等等全部資料，在芯片功能越來越復雜的今天，一個片子動不動就幾百上千個PIN，對于一個新項目來說，是沒有時間一頁頁去吃透每個PIN，每個輸入輸出的具體功能，電氣參數的，尤其是對于高速設計，比如DDR3接口，XAUI接口等等。一般來說芯片廠商提供的參考設計就是他們經過開發，驗證，測試的最佳方案了，很多情況就是你必須按照參考設計來做，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，看起來硬件工程師HW(Hardware Engineer）的價值越來越低了，畢竟一個產品的核心功能或者技術一般都在ASIC或者FPGA里面了，HW一般沒有能力進行核心邏輯設計IC design， 畢竟這是跟HW設計并行的另一項工作，另一項也很復雜的工作。對于這個問題，我也曾經困惑過，總是感覺硬件設計沒有什么好搞的了，不就是抄抄參考設計，就跟組裝一臺電腦一樣組裝一個單板嘛。當然隨著項目經驗的增多，尤其從事現在硬件系統級設計的角色，感覺原來自己考慮更多是從一名原理圖設計工程師的角度考慮問題。就像開始說的，一個成功的硬件設計，功能Function只是一小部分，至于其他的因素和能力，一個HW的能力取決于能考慮因素越多，越深入，就越是一個優秀的HW工程師。

電子的細分領域很多，不同領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寫下了關于《硬件設計》的9條觀點。非常值得一看。以下： 不同行業之間考慮的問題是相似的，只是環境條件不同，功能有差異，可靠性要求有差異。甚至是汽車電子內部的不同產品之間的硬件設計，也略有些偏重方向上的差異。汽車電子的分支有很多，底盤和發動機控制方向偏向于系統控制，能量轉換單元偏向于開關電源的優化還有娛樂類的電子產品與消費電子的重合區間較多一些。而與舊日同事的工作內容的交流，大概也印證著著不同分支不同發展。

1.功耗

現在了解下來，12V鉛酸電池的容量大概在50～100Ah。這里所說的功耗，不僅僅是指工作時候的功耗，也包括待機功耗。前者見于娛樂系統，萬一把汽車玩沒電了，發動不起來就搞笑了。前幾天做過一個實驗，用15V150A的電源是無法發動汽車的，啟動時候需要的瞬時功率是非常高的，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，雖說電子設備越來越多，但是少于1個月就無法發動還是讓人無法接受。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

與通信設備（相信還是要細分為家庭用，野外用的）相比，惡劣的條件和與安全相關的屬性，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在讓人覺得很有壓力），使得所有模塊的開發模式都可能受到一定的改變。MTBF和功能故障DFMEA的結合使用，使得整個設計需要更為的全面。

3.熱設計與熱分析

VOLT配置了三套冷卻系統，相信功率轉換單元越來越多的使用，將會加大對于整個模塊熱分析與熱設計的難度。當然當熱累積到一定程度，就得考慮從整個車里面排出去，器件級別的散熱設計反而相對而言比較簡單（按照以前的計算和仿真結果，一般大功率應用中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出錯，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用，實際上降成本的前提，就是需要得到每個器件的stress和margin，才能進行技術成本優化。沒有金剛轉，別攬瓷器活。

5.DFM和DFT

要是不能生產或者出廠了一些不合格品，代價會是讓人震驚。因此EOL的設備的造價往往高的嚇人。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挑戰很大，現在發現源頭可能是汽車上那么多線束。由于有著諸多的感性負載和分布性的特點，上次電源供應商問我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.法規和標準

我現在才發現有那么多的標準，地區的，行業的，國際的，國家的；主要以測試標準為主，還有安全標準等，前面有過一些介紹。幸好，國內的始終是最容易過的，如果大家想這么沒追求的話。

8.電源設計

這塊確實是一個較大的問題，面對著越來越集成的系統，傳統的LDO好像有些變化了。與Rocky相同的觀點也是，遇到模擬信號采集的時候，電源的誤差與干擾本身也是需要考慮進去的，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

繼電器，大電感和其他磁性元件，都是可能發聲的。而且后兩者對振動也是相對敏感的，未來電氣化的過程中將會使用大量的平板變壓器和大電感，相信這塊是設計的重災區。