硬件電路與產品可靠性設計（簡體書）

本書作者長期工作在研發一線,結合自己多年設計經驗編寫本書,從硬件電路和產品設計 等方面系統地論述了產品可靠性。全書共分為6章:第1章是器件選型可靠性設計,詳細講述 了器件選型原則、器件失效分析、元器件篩選方法、供應商管理方法;第2章從電路簡化設計、接口防護、電路耐環境設計等方面闡述了硬件可靠性設計;第3章梳理了產品的硬件測試,分別講述了信號質量測試、信號時序測試、硬件功能測試和硬件性能測試;第4章敘述了 PCB可靠性設計,詳細講解了PCB器件布局和PCB走線設計;第5章從研發過程可靠性評審來解讀產品可靠性設計,重點講解了產品研發各階段的評審內容;第6章以一款手持智能終端的設計為具體案例,完整地講述了產品的研發過程和產品可靠性設計要點。 本書適合硬件設計人員、PCB設計工程師、產品經理、高校電子專業學生閱讀,也可作為產 品可靠性設計、電路設計等方面的培訓教材。

朱波，從事硬件電路和產品設計工作20余年，擔任過硬件工程師、硬件總監等職務，在電路可靠性設計方面積累了豐富的實戰經驗。主導設計過的產品，市場銷售累計上千萬臺，產品可靠性高，在行業內處於領先位置。

本書采取問題簡單化、功能具體化的編寫邏輯，重點講解硬件設計工程師在實際過程中如何進行產品的硬件設計和整機可靠性設計，理論結合實踐經驗，把硬件可靠性分解到每個模塊

前言

很高興在此向讀者介紹本書。作者從事了二十多年的硬件設計工作，一直想寫一本關於硬件電路和產品可靠性設計的書籍，以區別於市面上同類的電子書籍。經過反復的構思，終於在2021年年初下定決心編寫書稿。若想把硬件電路、產品設計和產品可靠性講得非常清楚，並非一件容易的事。一開始想用縱向方法來講解，比如從硬件設計和產品設計兩個垂直領域來講解產品可靠性，但這樣受限於兩個知識領域，知識內容不夠完整。又想用橫向的方法來講解，比如從同類產品的設計分析和設計比較來講述產品的可靠性，但這樣沒有辦法講解垂直領域的知識。後認為以產品研發過程來講解產品可靠性設計比較合理，同時把橫向和縱向知識融入進來，以產品可靠性為中心，從硬件電路、產品設計、流程設計、產品測試層面來講述如何提升產品的可靠性。
本書采取問題簡單化、功能具體化的編寫邏輯，重點講解設計過程和設計方法，如把產品可靠性分解到每個模塊，再分解到每個器件，層層分析講述設計過程。把電路可靠性拆分為電路簡化設計、接口防護、器件參數計算、電路耐環境設計等方面，講述基礎部件的設計方法，從而構造一個可靠的電路。另外，在講解設計過程和設計方法的同時，配以案例說明，讓讀者更好理解。本書涉及電路基礎理論的知識不多，對硬件設計人員來說，經過高校的學習已經有了一定的電路基礎理論，快速進行產品的硬件設計和設計一款優秀可靠的電子產品是本書編寫的目的。

本書力圖用清晰簡潔和形象化的語言來講解技術知識，以增加閱讀樂趣，以及加深讀者對知識點的理解。在描述產品硬件、軟件和結構三者關係時，形象地做出比喻“軟件是控制中心，硬件是軀體，結構是外衣外套，硬件叱咤江湖，軟件通過控制硬件來統治江湖”。在講述產品可靠性、產品外觀和產品性能重要性時，形象比喻“始於外觀、忠於性能、久於可靠”。
在信息充分發達的當今，很多人已習慣碎片化閱讀。本書在編寫的時候已經考慮了讀者的碎片化閱讀需求，本書的知識體系既具有連貫性，又具有獨立性，讀者可以選擇其中的部分章節來閱讀，也可以根據目錄來查找自己感興趣的知識點進行學習。
本書主要講述硬件電路與產品可靠性設計，接下來會推出《硬件電路與產品設計》系列書籍，殷切期望得到廣大讀者的支持。
感謝清華大學出版社楊迪娜老師的大力支持，幫助引導我順利地完成了書稿。
深知讀者對科技類書籍要求越來越高，雖然在編寫的過程中力求做到合理、準確，然而水平有限，書中難免存在不足與疏漏之處，敬請廣大讀者批評指正，在此表示衷心的感謝。
朱波
於深圳

目錄

第1章元器件選型可靠性設計

1.1概述

1.2元器件選型原則

1.3新引入元器件的檢測和篩選

1.3.1元器件檢測

1.3.2元器件篩選

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元器件失效規律

1.4.4阻容、電感、集成電路失效分析

1.4.5失效分析的意義

1.5供應商管理

1.5.1選擇供應商的依據

1.5.2選擇供應商的方法與步驟

1.5.3供應商考評

1.6常用元器件選型指導

1.6.1電阻

1.6.2電容

1.6.3二極管

1.6.4電感

1.6.5三極管

1.6.6電源管理芯片

1.6.7石英晶振

1.6.8連接器

第2章硬件可靠性設計

2.1硬件繪圖工具選擇

2.2原理圖設計

2.2.1原理圖設計步驟

2.2.2原理圖繪製基本要求

2.2.3網絡標號命名

2.2.4引用成熟的電路和新電路驗證

2.2.5原理圖checklist

2.3電路可靠性

2.3.1電路的簡化設計

2.3.2電路元器件參數計算

2.3.3電路接口防護

2.3.4靜電防護

2.3.5結構設計的靜電防護

2.3.6電路防靜電設計

2.3.7PCB靜電防護

2.3.8如何提高電路可靠性

2.4電路耐環境設計

2.4.1金融POS產品

2.4.2工業三防產品

2.5電路降額設計

2.5.1應力說明

2.5.2降額等級

2.5.3常用元器件降額設計

2.5.4降額設計注意事項

2.6產品電磁兼容性設計

2.6.1EMC設計理念

2.6.2電磁感應與電磁干擾

2.6.3濾波器和濾波電路應用

2.6.4元器件選型的電磁兼容性考慮

2.6.5原理圖的電磁兼容性設計

2.6.6PCB設計的電磁兼容性考慮

2.6.7結構設計與屏蔽

2.6.8系統接地設計

2.7電路設計舉例

2.7.1DCDC電源電路設計(電路參數計算)

2.7.2揚聲器功放電路設計(功率計算)

2.7.3按鍵電路(電路簡化)

2.7.4熱敏打印機驅動電路(異常情況的考慮)

2.8軟硬件協同工作與產品可靠性

2.8.1軟硬件接口

2.8.2軟件接口與軟件可維護性

2.8.3代碼編寫總體原則

2.8.4軟件防錯處理

2.8.5軟件性能測試

2.8.6軟件可靠性測試

2.9結構硬件協同工作與產品可靠性

2.9.1產品結構內部堆疊設計

2.9.2產品外觀設計

2.9.3結構堆疊細化

2.9.4結構可靠性設計

第3章硬件測試

3.1概述

3.2信號質量測試

3.2.1信號質量測試條件

3.2.2信號質量測試覆蓋範圍

3.2.3信號質量測試注意事項

3.2.4信號質量測試結果分析

3.2.5信號質量測試舉例說明

3.2.6電源電路信號質量測試

3.2.7時鐘電路信號質量測試

3.2.8復位電路信號質量測試

3.3信號時序測試

3.3.1信號時序測試條件

3.3.2信號時序測試覆蓋範圍

3.3.3信號時序測試注意事項

3.3.4信號時序測試舉例說明

3.3.5DDR信號時序測試

3.3.6I2C總線時序分析

3.4硬件功能測試

3.5硬件性能測試

3.5.1熱敏打印模塊性能測試

3.5.2磁頭模塊性能測試

3.6硬件可靠性測試

3.7硬件測試作用及意義

第4章PCB可靠性設計

4.1概述

4.2PCB層數和疊層結構

4.2.1確定PCB層數

4.2.2單層PCB

4.2.3雙層PCB

4.2.4多層PCB

4.2.5多層PCB疊層結構設計

4.3PCB元器件封裝可靠性設計

4.4元器件布局

4.4.1元器件布局技巧

4.4.2元器件布局原則

4.5PCB走線

4.5.1PCB布線規則

4.5.2PCB走線電磁兼容性設計

4.5.3PCB地線的干擾與抑制

4.6PCB設計後期檢查

第5章產品研發過程可靠性評審

5.1概述

5.2產品可靠性與研發能力

5.3硬件工程師的能力模型

5.4產品可靠性指標

5.5產品可靠性評審

5.6產品研發各階段評審重點

第6章一款智能手持終端產品設計(具體案例)

6.1產品需求

6.1.1產品規格書

6.1.2外觀需求

6.2產品研發過程管理

6.2.1產品開發流程

6.2.2項目計劃表

6.3外觀與結構設計

6.3.1產品內部排布設計

6.3.2外觀設計

6.3.3產品結構設計要點

6.4硬件設計

6.4.1元器件選型

6.4.2原理圖繪製

6.4.3原理圖分析

6.4.4PCB布線設計

6.5軟件設計

6.6產品測試

6.6.1硬件板級測試

6.6.2硬件系統測試

6.6.3軟件測試

6.6.4可靠性測試

6.7產品量產與維護