林彪元帅打仗有其过人之处，其中一个要领就是要求每个指挥员都是一个活地图，指挥员和参谋人员必须熟记地图，要经常地读地图，最好的办法是把地图挂起来，搬个凳子坐下来对着地图看。从大的方向到活动地区，从地形全貌到某一个地段、地形特点，从粗读到细读，最后用红、蓝铅笔把主要山脉、河流、城镇、村庄全部标下来，边标边画，边画边记。他说把战场的情景、地形的情况和敌我双方的兵力部署都装到脑子里去，离开地图也能指挥作战。做到——心中有地图。

我曾经还在华为上班时，给领导做汇报，被问到即将选用的器件的成本对比，我一下子被问住了，幸好当时我的主管光辉在现场，他帮我快速回答各种成本对比，对各种备选器件和已经产品化的电路板上所有器件的采购成本如数家珍。会后，他跟我说：所有的成本都应该记在脑子里面。

这让我想起“心中有地图”，作为“硬件工程师”，其抽象思维能力可以不如“软件工程师”。但是“具象思维”能力应该远远超过程序员。我个人认为具体表现为“内心构造出各种地图”。

实际设计中面临的问题及考虑因素远比简单列举的复杂得多。电路设计中，罗马不是一天建成的，需要日积月累的思考与实践。

一个成熟的硬件工程内心需要有哪几个“地图”呢？

1、硬件总体框图和关键信号流向图

除了主要器件，我们还需要做到关键的信息流如何流动，以及信息流带宽的需求，缓存的需求。根据各种应用场景，在逻辑框图中形成一个完整的信息流向图。

例如上图中，我们知道媒体流和信令不同的走向，可以判断我们预留的芯片能力、接口带宽、缓存大小是否满足要求。

2、电源树和上电时序

每个电路板都会做几个必选的专题，电源、时钟、CPU小系统、复位方案等。电源专题，需要分析电源需求，每种电源的电压范围，电流需求，动态响应，上电时序；时钟专题，针对每个时钟的输入的电平标准，频率，抖动等参数，时钟时序，并按照各种时钟解决方案进行优化。每个管脚怎么用，怎么接，对接的管脚的电平是否满足要求，都需要分析清楚并文档化。例如电源专题：芯片厂家给出的的是一些针对他自己器件的要求，例如图是Intel对其电源上电时序之间的耦合关系的要求和一些先后顺序的描述。

但是我们怎么实现？另外，我们电路板上面还有其他器件，比如网卡、FPGA等等也是复杂的供电方案、也有一定的上下电时序要求。并且这些器件之间有些电源是相同电压的，为了简化设计，绝大多数情况使用一个电源给所有相同电压的器件进行供电。例如3.3V电源很可能只有一个电源输出，但是要给所有使用了3.3V电压的器件都供电。这样就耦合在一起，并且需要考虑所有用电器件的需求，以及他自身的上电时序要求。

我们会先梳理出所有器件的用电需求，然后再合并共性需求。整理出整个单板的供电需求，以及供电时序的要求，如图所示。

整个单板电源和供电时序要求

然后再根据这个需求，设计整板的电源方案，选择最合理、可靠性、性价比的电源方案，实现我们的整板电源方案。先形成功能框图，进行评审。如图。

整板电源方案框图

然后再考虑一些归一化、电源供电效率、可供应性的一些问题，最终敲定方案，形成文档。

3、背板地图

要对各种电路板组合能够实现什么样的业务场景，每个场景的单板组合。

背板中各种低速总线、高速总线、拓扑结构，应该烂熟于胸，才能做好产品规划和硬件规格定义，以满足产品演进的需求。

热插拔会导致电源拉出很大的启动电流并导致电源电压的波动，可能影响系统的正常使用，甚至损坏系统。

最简单的限流元件是保险丝或多重保险丝。常用的热插拔电路由电容、齐纳管和FET构成，通过电容的充电达到限制浪涌电流的目的。

电路板热插拔时，信号线对系统其他部分可能造成影响。解决方案包括：

使用不带对电源保护二极管的IC。

使用具有上电三态功能的IC（支持热插拔）。

在内心构建完整的PDN。

电源噪声会影响芯片内部晶体管的工作状态，可能导致逻辑错误和状态转换错误。

采用适当的去耦电容。

设计合理的电源和地平面。

使用低噪声电源管理芯片。

在关键路径上使用电源滤波器。

通过以上措施，可以有效地解决设计中面临的各种异常情况，提高电路的可靠性和稳定性。

电源分配网络的设计影响到整个电路板的电源质量。PDN设计需要考虑电源纹波、噪声、负载瞬态响应等问题。PDN设计的目标是确保每个器件都能获得稳定的电源电压。

PDN设计的关键点包括：

去耦电容的选择和布局：去耦电容用于滤除电源纹波和瞬态噪声，选择合适的电容值和布局位置非常重要。

电源和地平面的设计：合理的电源和地平面设计可以减少电源噪声，确保信号完整性。

电源网络阻抗控制：PDN的阻抗应尽量保持在较低水平，以减少电源噪声。

有经验的工程师，不通过仿真，应该也在内心构建关键器件的关键电源管脚分布，电源供电的走向分布，关键功率路径中可能存在的风险。内心形成一个完整的电源跌落分布图。

信号串扰是指信号在传输线之间通过电磁感应或电容耦合产生的干扰。信号串扰会导致信号质量下降，产生误码，特别是在高速电路中尤为严重。考虑到信号串扰的因素包括走线的间距、走线的长度、传输线的特性阻抗以及接地层的设计。

常见的抑制信号串扰的方法有：

增加走线间距：尽量增加信号走线之间的距离，减少耦合。

使用屏蔽层：在敏感信号之间添加接地或电源平面，以屏蔽电磁干扰。

控制走线长度：尽量缩短信号走线的长度，减少耦合路径。

差分信号传输：采用差分信号可以减少共模干扰，提高抗串扰能力。

有经验的工程师，通过思想实验能够构建一个简单的单板的电磁场分布。

不可能非常精准的知道每点的磁场分布，但是哪些是“脏信号”，哪些是需要保护的敏感信号，他们在电路板上如何分布，也要烂熟于胸。

电磁兼容性设计是指电路设计要考虑到对外界电磁干扰的抑制和对自身电磁干扰的抗扰。EMC设计的主要目标是确保电路在复杂的电磁环境中能够稳定工作，同时不会对其他设备造成干扰。

EMC设计的方法包括：

合理布局：高频电路和低频电路应尽量分开布置，减少相互干扰。

屏蔽：对高频干扰源进行屏蔽，减少电磁辐射。

滤波：在电源和信号线上添加滤波器，抑制高频干扰。

接地：合理的接地设计可以有效地减少电磁干扰。

对于EMC来说，除了空间耦合，还有传导的关键路径也应该形成地图。

接地设计是PCB设计中非常重要的一部分，良好的接地设计可以有效地降低电磁干扰，保证电路的稳定性。接地设计需要考虑以下几个方面：

单点接地与多点接地：单点接地适用于低频电路，多点接地适用于高频电路。

地平面完整性：地平面应尽量保持完整，避免被分割，以减少电磁干扰。

信号地与电源地的隔离：在高频电路中，信号地和电源地应尽量隔离，以减少互相干扰。

内心对关键器件的地线阻抗，应该也形成一个构想的接线地图。

随着电子设备的集成度和功耗的增加，热设计变得越来越重要。热设计的目标是确保电路板上的元器件在工作温度范围内正常工作，避免因过热导致的性能下降或损坏。

热设计优化的方法包括：

散热器：在高功耗元器件上安装散热器，增加散热面积。

风扇：通过风扇增加空气流动，带走热量。

热界面材料：使用导热性能良好的材料，提高散热效率。

PCB设计：增加铜箔厚度，增加散热孔，提高PCB的散热能力。

内心应该不需要热仿真软件，能够想象出温度的分布，热源器件，风道，气流的流向。

各个器件的采购成本，以及一些可供应性风险，供货周期，芯片成熟度，采购来源可行度，都应该在内心形成地图。

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