硬件方案设计与评审

硬件方案设计具体细节由硬件技术经理进行评估、设计和把控。

产品/项目经理了解设计流程、设计标准、设计风险即可。

一、确定功能需求&设计标准

1.1 确定功能需求

在进行方案设计前，需要根据产品需求文档确定产品功能需求，硬件需求说明书是描写硬件开发目标、基本功能、主要性能指标、运行环境、约束条件以及成本等要求，它的要求依据是产品规格说明书和系统需求说明书，它是硬件总体设计和制订硬件开发计划的依据。

例如智能手表硬件功能需求如下：

芯片	MTKXXXX
系统	Android
RAM	1G
ROM	8G
LCD尺寸	2.0"inch
LCD分辨率	240*320
蓝牙	支持BT4.2
电池容量	>1000mAh
充电	<3h
待机时长	1-3天
连续工作时长	>12h
WIFI	5G频段、802.11b/g/n协议、802.11k/v漫游协议。
移动网络	LTE
震动马达	支持震动马达
按键	开/关机，返回按键
喇叭	独立腔体喇叭
充电方式	磁吸充电

1.2 确定设计标准

根据产品需求确定产品应用行业、使用场景，再根据行业和使用场景输出设计标准和认证标准，一般成熟企业内部都会有该产品线的企标、国标设计标准，所有的器件选型和电路设计都需要根据标准进行开展。

设计标准：

	消费级	工业级	汽车级	军工级
工作温度范围	0-70°C	-40~85°C	-40~125°C	-55~125°C
电路设计	防雷设计、短路保护、热保护等	多级防雷设计、双变压器设计、抗干扰设计、短路保护、热保护、超高压保护等	多级防雷设计、双变压器设计、抗干扰设计、多重短路保护、多重热保护、超高压保护等	辅助和备份电路，多级防雷设计、双变压器设计、抗干扰设计、多重短路保护、多重热保护、超高压保护等
工艺处理	防水处理	防水、防潮、防腐、防霉变处理	增强封装设计和散热处理	耐冲击、耐高低温、耐霉菌
验证	JESD47 IOS16750	JESD47 IOS16750	AEC-Q100 ISO26262 ISO/TS 16949	GJB
使用时间	1~3年	5~10年	15年	NULL
系统成本	电路板一体化设计、价格低廉	积木式结构，每个电路带自检功能，价格稍高	积木式结构，每个电路带自检功能并增强散热处理，价格偏高	价格昂贵

常见认证标准：

CCC认证—中国强制认证

CQC认证—CQC机构名称为中国质量认证中心

CE认证–欧洲安全合格标志

FCC认证–美国 FCC

UL认证–美国 UL

ROHS认证

网络类相关标准：

SRRC核准 http://www.srrc.org.cn/

SRRC备案信息查询：http://www.srrc.org.cn/wp_search.aspx

CTA入网许可 https://jwxkjwgl.miit.gov.cn/homePage

医疗类标准：

美国FDA，韩国KFDA，日本PMDA，巴西ANVISA，加拿大CMDCAS，澳大利亚TGA等

产品相关国标、地标：

国家标准、地方标准查询链接

其他产品相关认证：

MFI Carlife ELV BHMA

二、方案设计

常见电子产品，可以通过以下几个渠道进行方案分析。

市场上有竞品的，直接购买使用、拆解看方案。
没有竞品的，寻找相关度比较大的方案，购买使用、拆解看方案。
咨询芯片方案代理商获取方案资料。
拜访方案商厂家，了解方案架构。
参加行业相关展会，收集产品信息
网络查找：确定关键词 xx方案 xx模块

-搜索引擎

-1688 、万能的taobao

-方案类网站

我爱方案网

华秋开发

方案交易网

2.1 方案查找

不同位数处理器常见用途（仅为参考）：

不同位数处理器用途
处理器	8位	小家电、遥控器、鼠标、锂电池、数码产品
16位	电表、马达、电动玩具、电话录音、键盘、计算机键盘、鼠标
32位	智能家居、物联网、指纹识别、电机、安防、无线耳机、手环
64位	网络音乐、娱乐设备、多媒体、音视频相关、网关、手表、音箱

2.1.1 小家电低配类芯片方案

华秋芯片选型

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立创芯片选型

知名厂家：

国外：

瑞萨电子(Renesas)
恩智浦(NXP)+飞思卡尔(Freescale)(后者被前者收购)
微芯科技(Microchip)+爱特梅尔(Atmel)(后者被前者收购)
意法半导体(ST)
英飞凌(Infineon)
德州仪器(TI)

台湾：

新唐科技
合泰半导体
义隆电子
松翰科技
凌阳科技

大陆：

中颖电子
炬力
华润微电子
北京君正
兆易创新
紫光微电子
爱思科
芯海科技
富瀚微

2.1.2 物联网网络类芯片方案

这里主要针对物理层、数据链路层的芯片和模组进行说明。

短距离：

ZigBee、蓝牙、RFID、NFC、UWB、WiFi、红外等

长距离：

LoRa、NB-IoT（低功耗，广域）
2G：TDMA，CDMA，GSM…
3G：UMTS，HSDPA，WCDMA…
4G：LTE，EC-GSM，eMTC…
5G：

芯片方案

海思半导体 http://www.hisilicon.com/
高通 http://www.qualcomm.cn/
深圳市中兴微 http://www.sanechips.com.cn/
锐迪科微电子 http://www.rdamicro.com/
Nordic http://www.nordicsemi.com/
台湾联发科 https://www.mediatek.tw/
紫光展锐
乐鑫
汇顶科技
ASR
恩智浦
德州仪器
博通
瑞昱 https://www.realtek.com/zh-tw/
Marvell

模组方案

移远 http://www.quectel.com/cn/
广和通
厦门骐俊物联 www.cheerzing.com
移柯通信http://www.mobiletek.cn/
中移物联网 http://iot.10086.cn/
中兴物联 http://www.ztewelink.com/
利尔达科技集团
有方科技
汉枫
庆科
环旭
博鹏发RF-LINK
海华科技
Broadlink
正基

2.1.3 中高端消费电子芯片方案

博通公司 https://www.broadcom.cn/
高通 https://www.qualcomm.cn/
英伟达 https://www.nvidia.cn/
联发科 https://www.mediatek.cn/
海思 https://www.hisilicon.com/cn/
AMD超微 https://www.amd.com/zh-hans
英特尔 https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/homepage.html
恩智浦
三星半导体 https://www.samsung.com/semiconductor/cn/
赛灵思 https://www.xilinx.com/
紫光展锐
瑞芯微
全志

2.1.4 工业类、汽车电子类芯片方案

恩智浦
高通 https://www.qualcomm.cn/
英伟达 https://www.nvidia.cn/
英特尔 https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/homepage.html
安森美
微芯
ADI
瑞萨电子
英飞凌
东芝

汽车类方案FYI：

谷歌 Waymo：采用英特尔 CPU+Altera FPGA 方案，英飞凌 MCU 作为通信接口。谷歌 Waymo 的计算平台采用英特尔 Xeon 12 核以上 CPU，搭配 Altera 的 Arria系列 FPGA，并采用英飞凌的 Aurix 系列 MCU 作为 CAN 或 FlexRay 网络的通信接。
百度 Apollo：恩智浦/英飞凌/瑞萨 MCU+赛灵思 FPGA/英伟达 GPU。
奥迪： Mobileye ASIC+英伟达 GPU+Altera FPGA+英飞凌 MCU 的多芯片集成方案。

车规级芯片介绍

2.1.5 PC、电脑类工控机方案

IntelAMD是目前最大的两家电脑CPU生产厂商，还有IBM、ARM公司也生产自己的CPU。

国产CPU处理器厂商有飞腾、兆芯、海光、龙芯等。

2.1.6 传感器&外设

相关传感器外设专用查找网站如下：

2.2 方案验证&评审

根据2.1步骤评估方案选型和外设后，输出方案框图。

2.2.1 智能音箱硬件方案框图

如上图所示，为智能音箱硬件系统框图，主控为RK3326，麦克风阵列为线性4MIC，MIC经过音频芯片后转换为I2S数字接口，屏幕、触摸为10寸，其它外设包括MIPI摄像头、WIFI&BT模组，按键，LED，和功放输出模块。最终再结合软件应用评估，确定EMMC和FLASH大小。

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2.2.2 机器人奶茶机硬件方案框图

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确定硬件方案后，开始推进方案进行评审，输出评审报告。

评审报告应包含以下项：

功能能否全部覆盖？
性能能否满足业务？
成本是否在设计范围内？
技术可行性风险评分？
相关方案芯片器件采购是否存在风险？
相关认证标准是否能满足？
芯片器件替代方案是否合理？

评审通过的方案，将进入硬件开发阶段：

开发完成将会进行设计评审：

三、生产加工类

PCB生产贴片推荐：

华秋贴片

立创PCB

四、工具类

4.1 如何计算电池寿命、充电等等硬件相关参数？

硬件参数计算器

4.2 如何看芯片丝印查询具体芯片型号？

丝印反查网

4.3 哪里可以找到芯片参数手册？

4.4 哪里有硬件相关的技术资料下载？

电子工程网

4.5 哪里能找到电子类的展会信息?

电子展

4.6 各种硬件相关论坛网站

电子发烧友：http://www.elecfans.com/
电路图下载说明书下载标准下载 - 电子标准网：http://[www.dzbzw.com/](http://www.dzbzw.com/)
易百纳技术社区-权威的AI物联网嵌入式开发平台：https://[www.ebaina.com/](http://www.ebaina.com/)
中国产业信息网 - 产业前景投资趋势门户-智研旗下产业信息咨询平台：https://[www.chyxx.com/](http://www.chyxx.com/) |
电路城—专为中国工程师量身打造的电路图、设计方案、资料、技术信息分享平台，致力于成为电子工程师技能进阶的电子设计资源库： https://[www.cirmall.com/](http://www.cirmall.com/)
在芯间-电子元器件采购平台： https://[www.zaixinjian.com/](http://www.zaixinjian.com/)
国际CMF设计奖： http://[www.cmfdesignaward.com/](http://www.cmfdesignaward.com/)
设计癖 | 关注设计癖提升幸福感： https://[www.shejipi.com/#2](http://www.shejipi.com/#2)
爱范儿 · 让未来触手可及： https://[www.ifanr.com/](http://www.ifanr.com/)
快科技(原驱动之家)--科技改变未来：https://[www.mydrivers.com/](http://www.mydrivers.com/)
复盘，人人都要掌握的进步秘籍_热点专题创投房产政策_新闻_36氪：https://36kr.com/topics/1004491457024515
我爱音频网 – 我们只谈音频：http://[www.52audio.com/](http://www.52audio.com/)
拆解 – 我爱音频网：http://[www.52audio.com/archives/category/teardowns](http://www.52audio.com/archives/category/teardowns)

4.7 硬件低功耗设计

4.7.1 先从硬件上来分析

有哪些元器件选型上面可以实现低功耗

DCDC电源部分:选用低压降、超低功耗DC-DC芯片：由于低功耗设备往往采用电池供电，一些锂电池随着电量的降低，输出电压也会降低，所以我们的DC-DC芯片要保证低压降，至少要能做到0.1V的压降下，仍能正常工作。
开关控制电路：如果我们的外围中，有开关控制需求，比如ADC电压采集、信号通断等，那么优先考虑 CPU低功耗时，IO口引脚默认为低电平。这样的话，本身GPIO为输出配置，输出低电平肯定要比输出高电平要保险一些（功耗），比如采用三极管实现通断，那么最好使用NPN的管子实现，因为NPN的管子，控制引脚为低电平，三极管不导通，这部分的电路相当于全部断掉，功耗比较小。
对于一些的传感器，比如温度传感器芯片，如果这个传感器是超低功耗还好，但是多数情况下，传感器的功耗都是有的，即便是不测量的情况下，所以最保险的方式就是控制传感器的电源，这里面要特别注意，要控制整个传感器电源的源头，包括信号线上拉的电源，所以，还是考虑使用P沟道的mos管，mos管的S极接电源，D极给传感器电源和信号线上拉电阻供电，这样我们就能够通过IO口控制G极，实现整个传感器的完全断电了。
外围模组供电：模组电源尽量不要使用LDO，多数超低功耗设备都是采用标准锂电池，所以选用的模组的工作电源要尽可能的与电池电压一致，而且需要宽范围，如果不一致，就要使用LDO，多使用LDO就涉及到产品的成本和整体的功耗增加。

如果方案中涉及到通信模组，比如说NB-Iot模组、LoRa模组、蓝牙模组等，模组和外围芯片还不太一样。模组是一个特别大的耗电器件，这个耗电不仅仅在于发送数据时，还在于发送数据前的连接过程也是很费电的。所以如果想要采用直接断电的方式就要好好的衡量一下，是否得不偿失，比如说NB-Iot模组，每次的数据发送，都要经过很漫长的连接过程。举例，可能整个数据发送过程是50秒，那么连接过程可能就要48秒，因为一旦连接成功后，发送数据就很快了，所以NB-Iot模组都有一个叫做PSM模式的东西，这个时候，我们就要采用它本身的PSM模式了，而不是直接断电，因为NB-Iot的PSM模式普遍功耗都特别低，小于10uA。

另外由于模组需要一直带电运行，如果我们添加了mos管进行备用控制，mos管的控制电路本身也有功耗，这部分的功耗也是需要考虑的，所以，可能比较合适方案是，将电池的输出电压直接给模组供电，模组的外围接口比如reset、唤醒引脚等都接入到CPU，这样就能最大可能的保证模组的稳定。

4.7.2 软件方面降低功耗

可具体查看软件低功耗设计章节。

4.8 硬件踩坑经历

-产品设计时，提前让软件配合进行可靠性验证，特别对于新厂家新采购的模块，一定要先评估可靠性。

五、参考链接

本文作者：康志勇
发布日期：2021年03月07日
文章版本：V1.0

硬件方案设计与评审

硬件方案设计与评审

一、确定功能需求&设计标准

1.1 确定功能需求

1.2 确定设计标准

二、方案设计