高速電路設(shè)計(jì)進(jìn)階案例分享

【案例1.18】硬件工程師如何做元器件變更的決策

某產(chǎn)品在從研發(fā)轉(zhuǎn)規(guī)模生產(chǎn)階段，采購部門給硬件工程師推薦了新的MOSFET(稱為A),該物料比該產(chǎn)品研發(fā)階段使用的MOSFET(稱為B)價(jià)格更低，且供貨渠道更友好。作為產(chǎn)品責(zé)任人的硬件工程師，應(yīng)如何權(quán)衡該要求?

【討論】

尋找在價(jià)格、供貨上更有優(yōu)勢(shì)的元器件，是采購部門在采購這個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的職責(zé)所在。在本案例中，如何在各個(gè)方面權(quán)衡該元器件變更推薦，做出是否采納的決策，則是硬件工程師的職責(zé)。

在權(quán)衡過程中，以下從幾個(gè)方面來簡(jiǎn)要分析硬件工程師應(yīng)考慮的方面。

①從成本方面考慮。既然該替換要求是采購部門基于成本原因而提出的，那么首先要判斷該元器件替換帶來的成本優(yōu)勢(shì)。成本方面的考慮，不是簡(jiǎn)單地比較元器件的價(jià)格高低，而是要全方位考慮對(duì)產(chǎn)品綜合成本的影響。在本案例中，從成本出發(fā)，更換MOSFET除看到A本身成本有優(yōu)勢(shì)外，還要考慮A和B的導(dǎo)通電阻的差異是否會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通功耗的不同，A和B的柵極電荷的差異是否會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗的不同。若A功耗明顯高于B,是否會(huì)導(dǎo)致原設(shè)計(jì)的散熱能力不夠，而因此需要增加散熱片呢？如果是這樣，則散熱片就是額外加入的成本。這種分析只能依靠硬件工程師來進(jìn)行，采購部門時(shí)此無能為力。

②從功能方面考慮。元器件的替換，應(yīng)以不更改基本功能特征為前提，本案例中，對(duì)此無能為力本案例中，MOSFET的替換要求有哪些參數(shù)涉及基本功能特性呢？從硬件上看，這些參數(shù)包括MOSFET的通流能力、導(dǎo)通電阻、柵極電荷、極間寄生電容、柵極和源極壓差限值、安全工作區(qū)間等幾個(gè)基本參數(shù)。在元器件替換時(shí)，硬件工程師應(yīng)仔細(xì)核對(duì)元器件手冊(cè)上參數(shù)的差異，判斷這些差異是否會(huì)導(dǎo)致功能特性的變化，并適當(dāng)作一些替換實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。例如在某些應(yīng)用中，對(duì)MOSFET的邊沿速度有較高的要求，則極間電容較大的MOSFET,就不一定適用。

③從性能、可靠性方面考慮。元器件的替換，是否會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品長(zhǎng)期工作的能力變差，尤其當(dāng)元器件替換發(fā)生在研發(fā)后期或已經(jīng)進(jìn)入規(guī)模生產(chǎn)的階段。在這個(gè)階段，往往最耗費(fèi)時(shí)間的各項(xiàng)性能測(cè)試、可靠性測(cè)試已經(jīng)完成，則在元器件替換時(shí)，尤其需要重視這一點(diǎn)。在本案例中，MOSFET就屬于和性能、可靠性緊密相關(guān)的元器件，需要通過計(jì)算或可靠性方面的測(cè)試來分析、驗(yàn)證。

④從生產(chǎn)方面考慮。元器件的替換，是否會(huì)導(dǎo)致電路板加工工藝的復(fù)雜度提高，是否需要改變電路加工的工序，如果有這方面需求，則決策過程中應(yīng)考慮生產(chǎn)部門的建議。在本案例中，若A和B的封裝有較大差異，如A的厚度明顯更厚，可能頂?shù)缴戏降纳岚?，則是否能實(shí)現(xiàn)該替換，硬件工程師應(yīng)聽取生產(chǎn)部門的建議。

【擴(kuò)展】

有的元器件、芯片的替換，情況比本案例中的MOSFET復(fù)雜得多，對(duì)硬件工程師的決策能力有很高的要求。

例如在存儲(chǔ)器電路中，采用16片4Gb容量的DDR4 SDRAM,還是采用8片8Gb容量的DDR4呢?前者芯片總成本更低，后者硬件設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，需要的PCB層數(shù)可能更少。

例如在高速電路中，為了使高速差分對(duì)傳輸更長(zhǎng)的距離，采用Redriver芯片還是Retimer芯片呢?前者芯片成本更低，供貨渠道更多，后者信號(hào)均衡能力更強(qiáng)，能滿足長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸?shù)囊蟆?/p>

例如在電源電路中，為了支持大功率CPU,是選擇大功率電源模塊，還是選擇多相源控制芯片搭建電源電路呢?前者電源電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，后者雖設(shè)計(jì)難度較高，但成本可控制得更低，且設(shè)計(jì)中有較大效率優(yōu)化的自由度。

所以，一個(gè)優(yōu)秀的硬件工程師，不僅僅需要把電路設(shè)計(jì)做好，還應(yīng)具有很高的通慮、方案決策方面的能力。

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