今天我们继续来读这本书，硬件系统工程师宝典。作者提到，产品需求分析之后就进入概要设计阶段。在这个阶段，ID（Industrial Design）工业设计及结构工程师、软件系统开发工程师和硬件系统开发工程师等开始分头工作。

工业设计工程师负责使一件产品的功能设计和美学设计相结合，其实就是做到又好看又好用；软件系统开发工程师负责在确定的硬件开发平台上，根据用户的需求，实现具体功能，根据开发的层面和开发环境的需求，选择有操作系统和无操作系统开发。

我们主要来看下硬件系统概要设计中的主要任务：根据需求分析，选定硬件系统设计的核心芯片，设计系统架构框图、关键链路链接图和时钟分配框图等，并根据各部分功能电路的功耗情况，制定电源设计总体方案。具体的说就是对设计过程中的信号完整性（SI）、电源完整性（PI）、EMC/EMI的可行性、结构与散热设计的可行性、工艺的可行性、测试的可行性等环节做初步分析。

总的来说概要设计相比需求分析更加细节，可以提前发现设计问题，这样可以显著缩短开发周期，本人就曾在一个项目中没有考虑一个安规的初次级耐压问题，面临PCB要重新设计打板的悲惨命运。

信号完整性的可行性分析

1.明确PCB上需要特殊处理的高速信号的种类，并予以归纳分别进行分析。

2.搭建SI信号完整性分析的平台，如Cadence Allegro、Allegro Sigrity等。

3.在原理图设计阶段针对要评测的各个指标进行归类，从理论上进行SI分析指标的评测。

4.PCB布线阶段使用仿真工具量化信号的各项性能指标，从而对PCB Layout进行元器件布局5.布线结束后，对需要量化分析的信号进行各项性能指标的仿真验证。

电源完整性的可行性分析

1.根据BGA引脚的扇出、电源平面与地平面数量确定PCB的叠层结构。

2.根据设计的要求，确定去耦电容的类别。

电容的分类

3.根据PCB上信号的工作频率及PCB的叠层结构确定平面进行谐振分析的频率。这里平面谐振是能量被夹在两个平行板之间，因原始信号与其反射信号同相而形成的共振腔效应。

4.确定各个电源平面的目标阻抗。电源平面的目标阻抗为：Zo=△V/△I，△V是电源平面电压的波动范围，△I是动态电流的波动范围。

5.分析直流压降，确定大电流路径。直流压降IR Drop的含义为直流工作时由直流电阻造成的电压降。

EMC的可行性分析

EMC设计的方法可以分为以下四点：接地、滤波、隔离和屏蔽。

接地能够有效将噪声导入GND平面；滤波能够将无效信号频段滤除；隔离能够阻挡噪声的传导，屏蔽能够有效阻断噪声的辐射干扰。

进行产品的EMC可行性分析时，先要确定产品定位，从而对应其标准进行测试。对于EMC的可行性分析，可以着重从三个方面入手：

1.保护受干扰的群体。

2.切断干扰噪声的传输路径。

3.隔离干扰源。

结构与散热设计的可行性分析

当器件工作时，器件功耗的绝大部分能量将以热能的方式散发出去。每个器件都有一个稳定工作的温度范围。

散热风扇与散热导管

在结构与散热设计的可行性分析中，在满足结构可装配性的前提下，可以从以下几个方面来考虑：

1.器件自身的功耗情况。评估每个芯片的最大功耗，进行相应的散热处理

2.评估器件的散热对周边器件的影响对于一些热源器件，如DC/DC模块、LDO模块和高功耗的IC，在PCB布局时，应远离对温度敏感的器件，避免其性能降低。

3.评估PCB上的散热通道在利于PCB整体散热的情况下，把控整个PCB的布局。如：把热量高的器件布置在下风道，利于提高PCB整体的散热处理效果。

测试的可行性分析

测试可行性分析即是为了验证设计产品是否达到所设计的指标，那么就需要我们在设计中放置测试点，对测试点需要明确测试点的大小、间距、数量等设计参数。

1.设计的可测试性验证为了便于进行设计的可测试性验证，在设计时需要注意：对所有的关键信号都要添加测试点；在待测信号测试点附近都要合理添加测试用的地孔；为便于进行强度测试，要在合适的位置适当增加强度测试的输入点。

2.量产的可测试性验证自动光学检查、自动X射线检查、飞针测试、ICT、FCT和边界扫描适用于量产的可测试性分析，需要根据不同的量产情况选择合适的测试方案。

工艺的可行性分析

1.设计的PCB的叠层结构是否符合PCB生产的工艺要求。

2.PCB上的走线宽度和敷铜厚度是否符合PCB生产的工艺要求。

3.走线单端阻抗及差分阻抗有特定要求的走线，所设计的走线参数是否符合厂家生产阻抗控制板的要求。

4.确定PCB上所采用的孔的类别：机械钻孔或激光孔是否符合厂家的要求。

5.为满足量产要求，对于面积较小的PCB，在加工时，一般需要拼版处理，拼版前需要与PCB厂确认拼版工艺，合理添加拼版的MARK光学定位点。

6.根据设计需求，确定PCB表面的处理工艺。7.确定厂家加工生产所需的图纸文件格式。8.PCB SMT所需资料的确认。

设计系统框图及接口关键链路

在进行系统设计时，有时系统会比较复杂，理解系统的工作流程后，直接进行电路设计有一定难度，如果可以将系统的各个功能进行模块化分类，关注各个模块彼此之间的连接接口，并深入每个功能模块进行电路的设计会起到事半功倍的效果。如下图所示，是基于P2020的系统设计框图：

基于P2020的系统设计框图

从该图中可以读出一系列内容，从系统层面把控整个电路的基本功能。

电源设计总体方案

一般硬件系统设计中最常见的电源变换类型是直流转直流，LDO和DC/DC是常用的两种电源电路。

LDO具有输出电源纹波和噪声小、应用简单、成本低、电压输入与输出无延时的优点，但LDO的工作效率低，能耗消耗大，受自身散热条件限制只支持相对较小的电流输出。且LDO只能实现降压，其内部晶体管工作在线性区，所以无法实现电源输入端与输出端的有效隔离。

DC/DC采用MOSFET控制电源的输入与输出，通过控制MOSFET开关的时间来控制输入回路与输出回路的连通和断开的时间，进而输出不同的电压值。DC/DC自身消耗能量低，输入与输出电源的转换效率高，且支持升压、降压、反相等变换，输入的电流大，支持输入与输出的有效隔离，但DC/DC电路设计复杂，相应成本也高，电源输入和输出有一定的延迟，且输入电源的纹波和噪声较大。

通过系统框图的分析，就可以明确系统所具有的功能模块，根据各个关键功能模块的电源电压与电流值，计算能耗情况，就可以对应给出各个功能模块所需要的VRM。如下图所示是根据电流流向及各个功能模块所需要的供电模块组成的某个系统的电源总体架构。