硬件电路与产品可靠性设计

本书作者长期工作在研发一线,结合自己多年设计经验编写本书,从硬件电路和产品设计

等方面系统地论述了产品可靠性。全书共分为6章:第1章是器件选型可靠性设计,详细讲述

了器件选型原则、器件失效分析、元器件筛选方法、供应商管理方法;第2章从电路简化设计、接口防护、电路耐环境设计等方面阐述了硬件可靠性设计;第3章梳理了产品的硬件测试,分别讲述了信号质量测试、信号时序测试、硬件功能测试和硬件性能测试;第4章叙述了 PCB可靠性设计,详细讲解了PCB器件布局和PCB走线设计;第5章从研发过程可靠性评审来解读产品可靠性设计,重点讲解了产品研发各阶段的评审内容;第6章以一款手持智能终端的设计为具体案例,完整地讲述了产品的研发过程和产品可靠性设计要点。

本书适合硬件设计人员、PCB设计工程师、产品经理、高校电子专业学生阅读,也可作为产

品可靠性设计、电路设计等方面的培训教材。

朱波，从事硬件电路和产品设计工作20余年，担任过硬件工程师、硬件总监等职务，在电路可靠性设计方面积累了丰富的实战经验。主导设计过的产品，市场销售累计上千万台，产品可靠性高，在行业内处于领先位置。

目录

第1章元器件选型可靠性设计

1.1概述

1.2元器件选型原则

1.3新引入元器件的检测和筛选

1.3.1元器件检测

1.3.2元器件筛选

1.4元器件失效分析

1.4.1元器件失效原因

1.4.2元器件失效模式

1.4.3元器件失效规律

1.4.4阻容、电感、集成电路失效分析

1.4.5失效分析的意义

1.5供应商管理

1.5.1选择供应商的依据

1.5.2选择供应商的方法与步骤

1.5.3供应商考评

1.6常用元器件选型指导

1.6.1电阻

1.6.2电容

1.6.3二极管

1.6.4电感

1.6.5三极管

1.6.6电源管理芯片

1.6.7石英晶振

1.6.8连接器

第2章硬件可靠性设计

2.1硬件绘图工具选择

2.2原理图设计

2.2.1原理图设计步骤

2.2.2原理图绘制基本要求

2.2.3网络标号命名

2.2.4引用成熟的电路和新电路验证

2.2.5原理图checklist

2.3电路可靠性

2.3.1电路的简化设计

2.3.2电路元器件参数计算

2.3.3电路接口防护

2.3.4静电防护

2.3.5结构设计的静电防护

2.3.6电路防静电设计

2.3.7PCB静电防护

2.3.8如何提高电路可靠性

2.4电路耐环境设计

2.4.1金融POS产品

2.4.2工业三防产品

2.5电路降额设计

2.5.1应力说明

2.5.2降额等级

2.5.3常用元器件降额设计

2.5.4降额设计注意事项

2.6产品电磁兼容性设计

2.6.1EMC设计理念

2.6.2电磁感应与电磁干扰

2.6.3滤波器和滤波电路应用

2.6.4元器件选型的电磁兼容性考虑

2.6.5原理图的电磁兼容性设计

2.6.6PCB设计的电磁兼容性考虑

2.6.7结构设计与屏蔽

2.6.8系统接地设计

2.7电路设计举例

2.7.1DCDC电源电路设计(电路参数计算)

2.7.2扬声器功放电路设计(功率计算)

2.7.3按键电路(电路简化)

2.7.4热敏打印机驱动电路(异常情况的考虑)

2.8软硬件协同工作与产品可靠性

2.8.1软硬件接口

2.8.2软件接口与软件可维护性

2.8.3代码编写总体原则

2.8.4软件防错处理

2.8.5软件性能测试

2.8.6软件可靠性测试

2.9结构硬件协同工作与产品可靠性

2.9.1产品结构内部堆叠设计

2.9.2产品外观设计

2.9.3结构堆叠细化

2.9.4结构可靠性设计

第3章硬件测试

3.1概述

3.2信号质量测试

3.2.1信号质量测试条件

3.2.2信号质量测试覆盖范围

3.2.3信号质量测试注意事项

3.2.4信号质量测试结果分析

3.2.5信号质量测试举例说明

3.2.6电源电路信号质量测试

3.2.7时钟电路信号质量测试

3.2.8复位电路信号质量测试

3.3信号时序测试

3.3.1信号时序测试条件

3.3.2信号时序测试覆盖范围

3.3.3信号时序测试注意事项

3.3.4信号时序测试举例说明

3.3.5DDR信号时序测试

3.3.6I2C总线时序分析

3.4硬件功能测试

3.5硬件性能测试

3.5.1热敏打印模块性能测试

3.5.2磁头模块性能测试

3.6硬件可靠性测试

3.7硬件测试作用及意义

第4章PCB可靠性设计

4.1概述

4.2PCB层数和叠层结构

4.2.1确定PCB层数

4.2.2单层PCB

4.2.3双层PCB

4.2.4多层PCB

4.2.5多层PCB叠层结构设计

4.3PCB元器件封装可靠性设计

4.4元器件布局

4.4.1元器件布局技巧

4.4.2元器件布局原则

4.5PCB走线

4.5.1PCB布线规则

4.5.2PCB走线电磁兼容性设计

4.5.3PCB地线的干扰与抑制

4.6PCB设计后期检查

第5章产品研发过程可靠性评审

5.1概述

5.2产品可靠性与研发能力

5.3硬件工程师的能力模型

5.4产品可靠性指标

5.5产品可靠性评审

5.6产品研发各阶段评审重点

第6章一款智能手持终端产品设计(具体案例)

6.1产品需求

6.1.1产品规格书

6.1.2外观需求

6.2产品研发过程管理

6.2.1产品开发流程

6.2.2项目计划表

6.3外观与结构设计

6.3.1产品内部排布设计

6.3.2外观设计

6.3.3产品结构设计要点

6.4硬件设计

6.4.1元器件选型

6.4.2原理图绘制

6.4.3原理图分析

6.4.4PCB布线设计

6.5软件设计

6.6产品测试

6.6.1硬件板级测试

6.6.2硬件系统测试

6.6.3软件测试

6.6.4可靠性测试

6.7产品量产与维护

前言

很高兴在此向读者介绍本书。作者从事了二十多年的硬件设计工作，一直想写一本关于硬件电路和产品可靠性设计的书籍，以区别于市面上同类的电子书籍。经过反复的构思，终于在2021年年初下定决心编写书稿。若想把硬件电路、产品设计和产品可靠性讲得非常清楚，并非一件容易的事。一开始想用纵向方法来讲解，比如从硬件设计和产品设计两个垂直领域来讲解产品可靠性，但这样受限于两个知识领域，知识内容不够完整。又想用横向的方法来讲解，比如从同类产品的设计分析和设计比较来讲述产品的可靠性，但这样没有办法讲解垂直领域的知识。最后认为以产品研发过程来讲解产品可靠性设计比较合理，同时把横向和纵向知识融入进来，以产品可靠性为中心，从硬件电路、产品设计、流程设计、产品测试层面来讲述如何提升产品的可靠性。

本书采取问题简单化、功能具体化的编写逻辑，重点讲解设计过程和设计方法，如把产品可靠性分解到每个模块，再分解到每个器件，层层分析讲述设计过程。把电路可靠性拆分为电路简化设计、接口防护、器件参数计算、电路耐环境设计等方面，讲述基础部件的设计方法，从而构造一个可靠的电路。另外，在讲解设计过程和设计方法的同时，配以案例说明，让读者更好理解。本书涉及电路基础理论的知识不多，对硬件设计人员来说，经过高校的学习已经有了一定的电路基础理论，快速进行产品的硬件设计和设计一款优秀可靠的电子产品是本书编写的目的。

本书力图用清晰简洁和形象化的语言来讲解技术知识，以增加阅读乐趣，以及加深读者对知识点的理解。在描述产品硬件、软件和结构三者关系时，形象地做出比喻“软件是控制中心，硬件是躯体，结构是外衣外套，硬件叱咤江湖，软件通过控制硬件来统治江湖”。在讲述产品可靠性、产品外观和产品性能重要性时，形象比喻“始于外观、忠于性能、久于可靠”。

在信息充分发达的当今，很多人已习惯碎片化阅读。本书在编写的时候已经考虑了读者的碎片化阅读需求，本书的知识体系既具有连贯性，又具有独立性，读者可以选择其中的部分章节来阅读，也可以根据目录来查找自己感兴趣的知识点进行学习。

本书主要讲述硬件电路与产品可靠性设计，接下来会推出《硬件电路与产品设计》系列书籍，殷切期望得到广大读者的支持。

感谢清华大学出版社杨迪娜老师的大力支持，帮助引导我顺利地完成了书稿。

深知读者对科技类书籍要求越来越高，虽然在编写的过程中力求做到合理、准确，然而水平有限，书中难免存在不足与疏漏之处，敬请广大读者批评指正，在此表示衷心的感谢。

朱波

于深圳