1、 EDA 精品智汇馆 硬件系统工程师宝典 张志伟 王新才 著 内 容 简 介 本书从实际电路设计入手，对硬件系统开发流程中的需求分析、概要设计、硬件开发平台搭建、原理图的详细设计、PCB 的详细设计进行综合论述；对电路设计中的信号完整性（SI）、电源完整性（PI）、电磁兼容性（EMC）及 DFX 的基础理论进行了分类总结并给出了对应这些理论的实际电路的设计方法及仿真分析的方法。全书共分 9 章，主要内容包括：硬件系统设计中的常见需求，设计中需要考虑的各类概要设计及开发平台的归纳，SI 的理论分析及满足 SI 的常用设计方法，PI 的理论分析及满足 PI 的常用设计方法，EMC/EMI的理论分析
2、及满足 EMC/EMI 的常用设计方法，DFX 的理论分析及满足 DFX 的常用设计方法，电路设计中常用各类器件的原理说明及常用电路的原理图设计，对 PCB 设计中的布局、布线及 PCB 的板级仿真分析进行了归纳分类，对 PCB 设计的后续工作及 PCB 加工的技术要求进行了归纳总结。本书适合从事硬件系统设计的相关技术人员阅读，也可作为高等学校电子、通信类专业的高年级学生的教学参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 硬件系统工程师宝典/张志伟，王新才著.北京：电子工业出版社，2015.1（EDA 精品智汇馆）ISBN 97
3、8-7-121-24982-2.硬 .张 王 .硬件系统设计 .TP303 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2014）第 276314 号 策划编辑：王敬栋（）责任编辑：谭丽莎 文字编辑：张 迪 印 刷：三河市鑫金马印装有限公司 装 订：三河市鑫金马印装有限公司 出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编：100036 开 本：7871092 1/16 印张：22.25 字数：569.6 千字 版 次：2015 年 1 月第 1 版 印 次：2015 年 1 月第 1 次印刷 印 数：3 000 册 定价：68.00 元（含 DVD 光盘 1 张）凡所购买电子工业出版社
4、图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。III 前 言 对于刚刚进入电子系统设计殿堂的设计者，很多时候对电子设计领域已广泛使用的开发平台没有一个总体的认识，使自己的开发设计局限于某一个或几个平台，无法跟随业界的主流开发环境，无法在众多的开发工具中找到属于自己的“倚天屠龙”。如果长时间局限于一个界限范围内，当设计水平到达一定程度后就会出现属于自己特有的职业生涯瓶颈或技术瓶颈。目前电子系统设计主流的开发平台、主流的系统设计流程是怎样的呢？对于初
5、入硬件系统设计领域的开发者来说，在进行一个新的项目或一个新的系统设计时，如果在系统开发时先对需求和系统的设计框架有一个清晰的认识，再逐步深入系统设计的方方面面，就能在系统开发中做到游刃有余，并在设计开发的过程中逐步开阔自己的眼界，使自己的系统设计架构能力不断得到提高，为现在及以后的系统架构设计和系统开发风险的评估奠定坚实的基础。如何在系统开发前对系统中的常见需求有一个清晰的认识，把控用户的需求和系统的概要设计架构呢？随着技术的发展，大量数据的处理需求随处可见，硬件系统作为大数据及高速率处理的平台，随之出现的是高速电路设计的需求。高速电路设计突出“高速”，其设计思路已不能再局限于传统的物理互联设
6、计，其互联通道充斥着各种寄生参数，并且传输线理论也广泛应用于高速互联设计。随着系统的复杂高速互联，信号完整性（SI）问题、电源完整性（PI）问题、EMC/EMI 问题及满足 DFM 工艺设计要求的 DFX 要求随之而来。高速系统设计中，对如此多的问题和知识点能否抽丝剥茧找到一个切口，慢慢地渗入其中，深入设计的深处，并能够不再对烦琐的、可怕的专业术语感到恐惧，不断萃取这些知识用于实际设计，不断前进、不断提升自己呢？在电路的原理性设计中，常用的分立元器件及各功能的 IC 种类不是无限的，能否对常用器件的性能、使用方法及注意事项进行归类总结，便于在设计中进行参考呢？不积跬步无以至千里，不积小流无以成
7、江海。PCB 的设计是由无数的点、线、面综合连接而成，倾注了 PCB 设计工程师的心血。在烦琐的互联中是否有规律可循，能否对 PCB 设计中的各类技巧、方法进行整理、归纳，以规范性的文档用于日常的设计并在设计中反复验证，提炼出属于自己的 PCB 设计思想呢？PCB 的加工都有一定的加工技术要求，与 PCB 厂家进行有效的沟通，将自己的设计思想及要求让 PCB 厂家完完全全、明明白白地理解是保证加工出的 PCB 与设计的 PCB 无限接近的基础。能否对 PCB 加工的技术要求进行规范的文档说明，使 PCB 自己能够对厂家进行详尽的介绍呢？带着对以上诸多疑问的苦苦思索，我们开始了本书的构思及编写。
8、本书从实际电路设计入手，按照硬件系统的设计流程，对需求分析、概要设计、原理图的详细设计、PCB 的详细设计及在电路设计中的信号完整性、电源完整性、电磁兼容性、IVDFX 进行了综合论述并对每一部分内容都进行了分类和总结。第 1 章在需求分析部分对硬件系统设计中的常见需求进行了归类，并对其中涉及的部分方案、方法和 IC 厂家进行了对应的衔接。第 2 章在概要设计部分对概要设计中常常需要考虑的各类设计的可行性进行了分类归纳及说明，如信号完整性的可行性分析、电源完整性的可行性分析、EMC/EMI 的可行性分析等；在开发平台部分对目前业内主流的 PCB 设计平台、PCB 仿真分析平台及 3D 电磁场分
9、析平台进行了概述。第 3 章在信号完整性分析部分详细说明了信号完整性产生的原因及相应的解决方法，并对信号完整性分析中常用的 IBIS 模型和 S 参数模型进行了说明。第 4 章在电源完整性分析部分分析了电源完整性产生的原因，并对电容的去耦特性、平面的去耦特性、平面的谐振特性及电源完整性中的目标阻抗设计方法进行了说明。第 5 章在 EMC/EMI 分析部分分析了 EMC/EMI 问题，并对 PCB 设计中满足 EMC/EMI 的布局、布线及叠层的常用设计方法进行了分类和总结。第 6 章在 DFX 分析部分对设计中的 DFX 进行了归类说明，并详细论述了 PCB 中的工艺设计要求及满足 PCB 工
10、艺设计要求的常用设计方法。第 7 章在硬件系统原理图详细设计部分对电路设计中常用的各类器件进行了原理性说明，并对其在电路设计中的应用进行了归类和总结。第 8 章在硬件系统 PCB 详细设计部分从 PCB 的布局、布线及 PCB 的板级仿真角度进行了归类论述，对 PCB 的布局、布线注意事项及方法进行了详细的说明。第 9 章在确认 PCB 的加工图纸阶段，对 PCB 的后续处理及 PCB 加工技术要求进行了归类及详细说明。本书在编写的过程中查阅了大量的资料，文中的很多技术观点与设计思路都是各位同行在教学和工程设计中共同探讨的结果，在此向提供资料的同事、朋友及各大电子设计论坛的电子设计爱好者表示真
11、诚的感谢。本书在编写的过程中也得到了亲人的大力支持，在此表示衷心的感谢。由于作者的水平有限，错误和疏漏之处在所难免，欢迎广大专家和读者指正。张志伟 王新才 2014 年 4 月 V 目 录 第 1 章 需求分析 1 1.1 功能需求 1 1.1.1 供电方式及防护 1 1.1.2 输入与输出信号类别 2 1.1.3 无线通信功能 2 1.2 整体性能要求 7 1.3 用户接口要求 8 1.4 功耗要求 9 1.5 成本要求 10 1.6 IP 和 NEMA 防护等级要求 10 1.7 需求分析案例 11 1.8 本章小结 15 第 2 章 概要设计及开发平台 16 2.1 ID 及结构设计 1
12、6 2.2 软件系统开发 18 2.2.1 无操作系统的软件开发 19 2.2.2 有操作系统的软件开发 20 2.2.3 软件开发的一般流程 22 2.3 硬件系统概要设计 24 2.3.1 信号完整性的可行性分析 24 2.3.2 电源完整性的可行性分析 26 2.3.3 EMC 的可行性分析 32 2.3.4 结构与散热设计的可行性分析 34 2.3.5 测试的可行性分析 41 2.3.6 工艺的可行性分析 44 2.3.7 设计系统框图及接口关键链路 46 2.3.8 电源设计总体方案 48 2.3.9 时钟分配图 51 2.4 PCB 开发工具介绍 52 2.4.1 Cadence
13、Allegro 54 2.4.2 Mentor 系列 58 2.4.3 Zuken 系列 62 2.4.4 Altium 系列 62 2.4.5 PCB 封装库助手 63 VI2.4.6 CAM350 71 2.4.7 Polar Si9000 73 2.5 RF 及三维电磁场求解器工具 82 2.5.1 ADS 82 2.5.2 ANSYS Electromagnetics Suite 84 2.5.3 CST 85 2.5.4 AWR Design Environment 86 2.6 本章小结 86 第 3 章 信号完整性（SI）分析方法 87 3.1 信号完整性分析概述 87 3.2
14、信号的时域与频域 88 3.3 传输线理论 90 3.4 信号的反射与端接 97 3.5 信号的串扰 101 3.6 信号完整性分析中的时序设计 103 3.7 S 参数模型 108 3.8 IBIS 模型 111 3.9 本章小结 113 第 4 章 电源完整性（PI）分析方法 114 4.1 PI 分析概述 114 4.2 PI 分析的目标 120 4.3 PI 分析的设计实现方法 122 4.3.1 电源供电模块 VRM 设计 122 4.3.2 直流压降及通流能力 122 4.3.3 电源内层平面的设计 123 4.4 本章小结 128 第 5 章 EMC/EMI 分析方法 129 5
15、.1 EMC/EMI 分析概述 129 5.2 EMC 标准 130 5.3 PCB 的 EMC 设计 130 5.3.1 EMC 与 SI、PI 综述 130 5.3.2 模块划分及布局 131 5.3.3 PCB 叠层结构 132 5.3.4 滤波在 EMI 处理中的应用 139 5.3.5 EMC 中地的分割与汇接 140 5.3.6 EMC 中的屏蔽与隔离 140 5.3.7 符合 EMC 的信号走线与回流 141 5.4 本章小结 144 第 6 章 DFX 分析方法 145 6.1 DFX 分析概述 145 6.2 DFM可制造性设计 145 VII 6.2.1 印制板基板材料选择
16、 146 6.2.2 制造的工艺及制造水平 148 6.2.3 PCB 设计的工艺要求（PCB 工艺设计要考虑的基本问题）148 6.2.4 PCB 布局的工艺要求 152 6.2.5 PCB 布线的工艺要求 154 6.2.6 丝印设计 155 6.3 DFT设计的可测试性 156 6.4 DFA设计的可装配性 156 6.5 DFE面向环保的设计 156 6.6 本章小结 157 第 7 章 硬件系统原理图详细设计 158 7.1 原理图封装库设计 158 7.2 原理图设计 161 7.2.1 电阻特性分析 162 7.2.2 电容特性分析 169 7.2.3 电感特性分析 174 7.2.4 磁珠特性分析 177 7.2.5 BJT 应用分析 179 7.2.6 MOSFET 应用分析 184 7.2.7 LDO 应用分析 193 7.2.8 DC/DC 应用分析 196 7.2.9 处理器 205 7.2.10 常用存储器 207 7.2.11 总线、逻辑电平与接口 226 7.2.12 ESD 防护器件 252 7.2.13 硬件时序分析 254 7.2.14 Datash