硬件设计到底是什么？

什么是硬件设计？

我的理解：硬件设计就是根据产品经理的需求PRS（Product Requirement Specification），在COGS(Cost of Goods Sale)的要求下，利用目前业界成熟的芯片方案或者技术，在规定时间内完成符合PRS功能(Function)，性能(Performance)，电源设计（Power Supply)， 功耗(Power Consumption)，散热(Thermal/Cooling)，噪音（Noise），信号完整性(Signal Integrity)， 电磁辐射（EMC/EMI)，安规(Safety)，器件采购(Component Sourcing)，可靠性(Reliability)，可测试性（DFT: design for test），可生产性（DFM：design for manufacture)等要求的硬件产品（注意：是产品不是开发板）。

可以看到，一个成功的硬件设计，主要功能的实现只是所有环节中的一小部分，而且基本来说，主要功能的实现主要是依靠芯片厂商提供的套片方案，一般来说为了降低风险，主要是参考套片方案的参考设计完成，芯片厂商也会提供包括器件封装，参考设计，仿真模型，PCB参考等等全部资料，在芯片功能越来越复杂的今天，一个片子动不动就几百上千个PIN，对于一个新项目来说，是没有时间一页页去吃透每个PIN，每个输入输出的具体功能，电气参数的，尤其是对于高速设计，比如DDR3接口，XAUI接口等等。一般来说芯片厂商提供的参考设计就是他们经过开发，验证，测试的最佳方案了，很多情况就是你必须按照参考设计来做，否则硬件可能就有问题，一般来说就是信号完整性问题或者EMC问题。

芯片厂商提供越来越周到的服务，看起来硬件工程师HW(Hardware Engineer）的价值越来越低了，毕竟一个产品的核心功能或者技术一般都在ASIC或者FPGA里面了，HW一般没有能力进行核心逻辑设计IC design， 毕竟这是跟HW设计并行的另一项工作，另一项也很复杂的工作。对于这个问题，我也曾经困惑过，总是感觉硬件设计没有什么好搞的了，不就是抄抄参考设计，就跟组装一台电脑一样组装一个单板嘛。当然随着项目经验的增多，尤其从事现在硬件系统级设计的角色，感觉原来自己考虑更多是从一名原理图设计工程师的角度考虑问题。就像开始说的，一个成功的硬件设计，功能Function只是一小部分，至于其他的因素和能力，一个HW的能力取决于能考虑因素越多，越深入，就越是一个优秀的HW工程师。

电子的细分领域很多，不同领域之间有相似也有差异，下文中，博主朱玉龙针对汽车电子方向写下了关于《硬件设计》的9条观点。非常值得一看。以下： 不同行业之间考虑的问题是相似的，只是环境条件不同，功能有差异，可靠性要求有差异。甚至是汽车电子内部的不同产品之间的硬件设计，也略有些偏重方向上的差异。汽车电子的分支有很多，底盘和发动机控制方向偏向于系统控制，能量转换单元偏向于开关电源的优化还有娱乐类的电子产品与消费电子的重合区间较多一些。而与旧日同事的工作内容的交流，大概也印证着着不同分支不同发展。

1.功耗

现在了解下来，12V铅酸电池的容量大概在50～100Ah。这里所说的功耗，不仅仅是指工作时候的功耗，也包括待机功耗。前者见于娱乐系统，万一把汽车玩没电了，发动不起来就搞笑了。前几天做过一个实验，用15V150A的电源是无法发动汽车的，启动时候需要的瞬时功率是非常高的，也对电池的容量提出了较高的要求。而休眠的功耗将直接决定汽车的存放天数，虽说电子设备越来越多，但是少于1个月就无法发动还是让人无法接受。特别是将来的PHEV和EV，电压一低，主继电器都无法吸合了。

2.可靠性

与通信设备（相信还是要细分为家庭用，野外用的）相比，恶劣的条件和与安全相关的属性，以及人们越来越高的保修期的要求（韩国车企在美国的终身保修政策实在让人觉得很有压力），使得所有模块的开发模式都可能受到一定的改变。MTBF和功能故障DFMEA的结合使用，使得整个设计需要更为的全面。

3.热设计与热分析

VOLT配置了三套冷却系统，相信功率转换单元越来越多的使用，将会加大对于整个模块热分析与热设计的难度。当然当热累积到一定程度，就得考虑从整个车里面排出去，器件级别的散热设计反而相对而言比较简单（按照以前的计算和仿真结果，一般大功率应用中IGBT和MOSFET值得注意，其他的只要选好了合适的LDO一般问题不大）。

4.器件采购与成本控制

有趣的是，本土的公司，都往往使用最好的芯片。这是以前从BYQ同事告诉我的，都用好东西才可能不会出错，至少芯片一级可以提供支持和保证。先天的就去削减一些测试的费用，实际上降成本的前提，就是需要得到每个器件的stress和margin，才能进行技术成本优化。没有金刚转，别揽瓷器活。

5.DFM和DFT

要是不能生产或者出厂了一些不合格品，代价会是让人震惊。因此EOL的设备的造价往往高的吓人。有些地方处于成本的考虑，还得在下线之前calibration之后才能使用。

6.EMC和EMI

我以前觉得电子模块的EMC和EMI挑战很大，现在发现源头可能是汽车上那么多线束。由于有着诸多的感性负载和分布性的特点，上次电源供应商问我12V电池本身出来是否有纹波？让我觉得很诧异，到了车上，从哪些地方传导耦合或者空间耦合过来一定幅度的噪声都别觉得奇怪，未来电气化的车子更是如此。其实整车级别的EMC才麻烦呢，君不见都是一辆辆打包出去测试滴。

7.法规和标准

我现在才发现有那么多的标准，地区的，行业的，国际的，国家的；主要以测试标准为主，还有安全标准等，前面有过一些介绍。幸好，国内的始终是最容易过的，如果大家想这么没追求的话。

8.电源设计

这块确实是一个较大的问题，面对着越来越集成的系统，传统的LDO好像有些变化了。与Rocky相同的观点也是，遇到模拟信号采集的时候，电源的误差与干扰本身也是需要考虑进去的，如果某些模拟传感器线束太长，可能需要对地线也做一些考虑。

9.噪声和振动

继电器，大电感和其他磁性元件，都是可能发声的。而且后两者对振动也是相对敏感的，未来电气化的过程中将会使用大量的平板变压器和大电感，相信这块是设计的重灾区。

编辑：黄飞