1.2.4 电子产品开发流程与PCB设计

1. 传统的电子产品开发流程及其局限

在传统的电子产品设计流程中, PCB的设计依次由电路设计、版图设计、PCB制作、调试、测量测试等步骤组成, 传统的电子产品开发流程如图1.1所示。

（1）PCB设计需求

设计成什么样的产品, 达到什么目的, 需要什么样的效果。

（2）PCB需求分析（量化需求）

实现什么样的功能, 满足什么样的标准及安全规范, 有什么样的限制条件, 电源采用什么模式, 用在什么样的环境下等。

（3）PCB设计规划

收集资料, 是否有DEMO板, 是否有模块电路, 芯片是否好购买, 供货是否稳定, 使用是否方便。

（4）PCB设计实现

● SCH逻辑设计：设计电气原理, 根据收集到的资料分析EMC, 考虑电平是否合理,逻辑是否正确。

● PCB布局：考虑EMC、散热、抗干扰、大电流、布线的美观等。

● PCB排版：线宽、绝缘。

● PCB外包。

（5）PCB制作样板

PCB厂家生产, 配料选择, 厂家连通性测试。

（6）PCB焊接

焊接剂的配方, 厂家虚焊、漏焊的检测。

（7）PCB部件测试

焊接点的信号测试, 示波器的使用, 模块测试, 测试软件进行逻辑测试。

（8）PCB联调

从逻辑SCH到PCB进行全面调试。

传统的电子产品的开发流程, 存在很多弊端, 特别在PCB设计流程这个阶段。设计工程师在项目的总体规划、详细设计、原理图设计各阶段, 由于缺乏有效的对信号在实际PCB上的传输特性的分析方法和手段, 电路的设计一般只能根据元器件厂家和专家建议及过去的设计经验来进行。所以, 对于一个新的设计项目而言, 通常很难根据具体情形对信号拓扑结构和元器件参数等因素做出正确选择。

在传统的电子产品开发流程中, 大多数的电子产品开发商, 并没有对PCB设计流程规范化, 没有对PCB设计进行总体规划、详细设计, 造成很难对PCB的元器件布局和信号布线所产生的信号性能变化做出实时分析和评估, 所以版图设计的好坏更加依赖于设计人员的经验。有的产品开发商, 原理图设计和PCB设计通常由同一个工程师来完成, 通常在PCB设计上考虑不是太多, 基本上以版图网络走通为PCB设计完成, 甚至认为PCB设计就是Layout设计。PCB制板阶段, 由于各PCB及元器件生产厂家的工艺不完全相同, 所以PCB和元器件的参数一般都有较大的公差范围, 这使PCB的性能更加难以控制。如果没有对PCB进行特殊的规划和设计, 通常很难保证产品的性能达到最佳。

在传统PCB设计流程中的产品调试测试阶段, PCB的性能只有在制作完成后才能通过仪器测量来评判。在PCB调试阶段中所发现的问题, 只能在下一次PCB设计中加以修改。更为困难的是, 有些问题往往很难将其量化成电路设计和版图设计中的参数, 所以对于较为复杂的PCB, 一般都需要通过多次反复上述过程才能最终满足设计要求。可以看出, 采用传统的PCB设计方法, 产品开发周期较长, 研制开发的成本也相应较高。要成功开发一个产品通常需要4次以上反复的设计过程。

2. 系统化的基于产品性能的电子产品开发流程

传统的电子产品设计流程已经不适合通信、电信领域的高密度、高速电路设计, 因而引入基于产品性能分析的高速PCB设计流程成为必然。基于产品性能（产品的信号完整性能、电磁兼容性能、散热性能）分析、设计的流程将极大地提高产品的设计成功率、缩短产品的整体设计周期。系统化的基于产品性能的电子产品开发流程如图1.2所示。

从流程图中可以很明显看出, 与传统的电子产品开发流程相比, 它在PCB设计的流程阶段上加入了两个重要的设计环节和一个测试验证环节, 很好地克服了传统设计流程的弊端。下面将相对于传统的电子产品开发流程增加部分进行说明。

（1）PCB设计前的仿真分析阶段

在原理设计的过程中, 在PCB设计前通过对时序、信噪、串扰、电源构造、插件信号定义、信号负载结构、散热环境、电磁兼容等多方面进行预测分析, 可以使设计工程师在进行实际的布局、布线前对系统的时间特性、信号完整性、电源完整性、散热情况、EMI等问题做一个最优化的分析, 对PCB设计做出总体规划和详细设计, 制订相关的设计规则、规范用于指导后续整个产品的开发设计。这些工作大多需要由专业的PCB设计工程师来完成,原理设计工程师通常没有办法考虑得这样细致和全面。

（2）PCB设计后的仿真分析阶段

在PCB的布局、布线过程中, PCB设计工程师需要对产品的信号完整性、电源完整性、电磁兼容性、产品散热情况做出评估。若评估的结果不能满足产品的性能要求, 则需要修改PCB图、甚至原理设计, 这样可以降低因设计不当而导致产品失败的风险。在PCB制作前解决一切可能发生的设计问题, 尽可能达到一次设计成功的目的。该流程的引入, 使产品设计一次成功成为了现实。

（3）测试验证阶段

设计工程师在测试验证阶段, 一方面验证产品的功能、性能指标是否满足产品的设计要求；另一个方面, 验证在PCB设计前的仿真分析阶段和PCB设计后的仿真分析阶段做的所有仿真工作、分析工作是否准确、可靠, 为下一个产品开发奠定很好的理论和实际相结合的基础。

从上面的流程可以看出, 采用新的高速PCB设计流程, 虽然在产品一轮开发周期上比传统的PCB设计方法产品开发周期长, 所要投入的人力多, 但从整个产品的立项到产品上市这个周期, 无疑前者要短得多。原因很简单, 在传统的PCB设计流程中, PCB的性能只有在制作完成后才能通过仪器测量来评判。在PCB调试阶段中发现的问题, 只能在下一次PCB设计中加以修改。而在新的流程中, 这些问题绝大多数将会在设计过程中得到解决。