硬件详细设计模板

KDC-硬件详细设计模板秘密 机密 绝密活动编号（ID）：EE-60项目阶段概念阶段开发阶段发布阶段计划阶段验证阶段生命周期阶段产品名称产品型号/版本总页数共 页硬件详细设计模板（仅供内部使用）文 件 编 号：KDC-版 本 号：V 0. 1实 施 日 期：yyyy-mm-dd保 密 等 级：秘密 机密 绝密编 制：审 核：会 签：批 准：修订记录日期版本号描述作者yyyy-mm-dd0.1初稿完成范建根yyyy-mm-dd1.0批准发布yyyy-mm-dd1.1修改yyyy-mm-dd1.2修改 .yyyy-mm-dd2.0修改文件的版本号由“V .”组成，其中：a） 小数点前面的为主版本号，取值范围为“09”。文件进行重大修订时主版本号递增1；b） 小数点后面的为次版本号，取值为“09，az”。文件每修改一次时次版本号递增1；主版本号发生改变时，次版本号重新置0；c） 未批准发布的文件版本号为V0.版，批准发布时为V1.0版。当主版本号发生改变时，前面只有次版本号不同的修订记录可以删除。目录1概述71.1背景71.2单板功能描述71.3单板运行环境说明71.4重要性能指标71.5单板功耗71.6必要的预备知识(可选)81.7关键器件82单板各单元详细说明82.1单板功能单元划分82.2单元详细描述82.2.1单元182.2.2单元292.3单元间配合描述92.3.1总线设计92.3.2时钟分配92.3.3复位逻辑102.3.4各单元间的时序关系102.3.5单板整体可测试性设计103硬件单板主要接口定义、与相关板的关系103.1板际接口103.2系统接口113.3软件接口113.4大规模逻辑接口113.5调测接口113.6用户接口124单板可靠性综合设计说明124.1单板可靠性指标124.2单板故障管理设计124.2.1主要故障模式和改进措施124.2.2故障定位率计算134.2.3冗余单元倒换成功率计算134.2.4冗余单板倒换流程144.2.5单板复位、断电重启流程144.3器件应用可靠性设计说明144.3.1单板器件可靠应用分析结论154.3.2器件工程需求符合度分析154.3.3单板硬件返修率预计及改进对策164.3.4上、下电过程分析174.3.5器件可靠应用薄弱点分析184.3.6替代容差分析184.3.7器件离散性、最坏情况容限分析195单板可维护性设计说明196单板信号完整性设计说明196.1关键器件及相关信息206.2信号串扰、毛刺、过冲的限制范围和保障措施206.3其他重要信号及相关处理方案206.4物理实现关键技术分析207EMC、ESD、防护及安规设计说明207.1单板电源、地的分配图207.2关键器件和关键信号的EMC设计217.3安规、环境适应性和防护设计218单板工艺设计说明228.1PCB工艺方案228.2元器件工艺要求228.3预计的加工路线228.4单板装配228.5新工艺需求228.6配线229单板热设计说明2310单板电源设计说明2310.1单板供电原理框图2310.2单板电源各功能模块详细设计2311单板结构设计说明2411.1拉手条或机箱结构2411.2指示灯、面板开关2411.3紧固件2511.4特殊器件结构配套设计2512其他2513附件2513.1安规器件清单2513.2FMEA分析结果2514参考资料清单26关键词：能够体现文档描述内容主要方面的词汇。摘 要：概要说明本文档主要描述的内容缩略语清单：对本文所用缩略语进行说明，要求提供每个缩略语的英文全名和中文解释。.如下表：缩略语原 文中文含义DTIDigtal Truck Interface数字中继接口板VLANVirtual Local Area Network 虚拟局域网FEFast Ethernet 快速以太网IPInternet Protocol 互联网协议DSLDigital Service Line 数字用户线MTBFMean Time Between Failure 平均故障间隔时间EMCElectronic Magnetic Compatible 电磁兼容性SDHSynchronous Digital Hierarchy同步数字系列版权所有，侵权必究 第27页 共27页1 概述本标题下的正文内容，正文内容可以包括表格和插图；1.1 背景a) 该文档对应的单板硬件正式名称和版本号；b) 简要说明单板在系统中的位置、作用、采用的标准。1.2 单板功能描述在本节中简述单板功能，内容参照单板硬件概要设计方案中的相关章节1.3 单板运行环境说明需要说明各种可能的物理环境和逻辑环境、软件支持环境等。参照单板硬件概要设计方案中的相关章节。1.4 重要性能指标列出单板的主要性能指标，例如处理器性能，缓存容量，端口通信速率等等这些指标；说明指标分配的计算过程和设计思路等。应该说明这些指标的参考标准，比如时钟方面、EMC方面等，参照单板硬件概要设计方案中的相关章节。表1 性能指标描述表性能指标名称性能指标要求说明1.5 单板功耗可以在原理图基本完成后，再根据器件参数、数量来计算单板的功耗。如果计算的功耗大于系统分配给本板的电源功率，则需要与系统工程师协调商议解决方案。1.6 必要的预备知识(可选)为可选项，仅用于介绍较生僻的特殊技术。1.7 关键器件这部分由硬件开发人员负责，采购工程师协助完成。对单板中的关键器件详细说明其软硬件特性并分析优缺点，如果曾经有多个可选对象，应说明目前选择该器件的原因和不选其他可能性的原因。如果单板硬件概要设计方案中说明已经充分，本节可以不写，或稍作补充。2 单板各单元详细说明2.1 单板功能单元划分从系统的角度阐述单板的逻辑实现，提供单板的逻辑框图，划分功能单元，对其中的各单元的功能进行简要说明。在这里先划分单元，阐述单元之间的关系，再按单元分章节，在单元章节中分别描述各单元的功能、接口、数据结构和可编程器件。本节主要描述各单元内部的详细结构和相互之间的接口。如果没有单板硬件概要设计方案，则本部分应详细描述单元划分情况。2.2 单元详细描述电路单元如果是公司规范且有详细文档，可以直接引用（说明单元电路的参考资料名称），并说明调整细节（与参考电路不同的部分）。2.2.1 单元12.2.1.1 单元1功能描述详细描述本单元的功能，给出本单元的功能框图。(图号已在单元样式中，必须放在附图的下面，紧跟着附图，内容描述写： 2.2.1.2 单元1与其他单元的接口详细说明本单元对其他单元接口每个/组信号的详细定义，包括时序说明。2.2.1.3 单元1的实现方式详细说明本单元的实现方法，包括使用的芯片、主要电路分析和解释。如果本单元使用了可编程器件，此处应提供可编程器件的外部管脚图（含说明）、内部逻辑框图（含说明）。对于CPU单元，需要说明存储器的地址分配。2.2.1.4 单元1可测试性设计从以下几方面说明单元是否符合可测性设计要求：单元提供哪些自诊断、自测试功能，实际的硬件实现方式、需要哪些软件的支持。请说明单元JTAG链连接方式，接口定义。单元内其他针对可测性需求的硬件设计。2.2.2 单元22.2.2.1 单元2功能描述详细描述本单元的功能，给出本单元的功能框图。(图号已在单元样式中，必须放在附图的下面，紧跟着附图，内容描述写：）2.2.2.2 单元2与其他单元的接口详细说明本单元对其他单元接口每个/组信号的详细定义，包括时序说明。2.2.2.3 单元2的实现方式详细说明本单元的实现方法，包括使用的芯片、主要电路分析和解释。如果本单元使用了可编程器件，此处应提供可编程器件的外部管脚图（含说明）、内部逻辑框图（含说明）。对于CPU单元，需要说明存储器的地址分配。2.2.2.4 单元2可测试性设计从以下几方面说明单元是否符合可测性设计要求：单元提供哪些自诊断、自测试功能，实际的硬件实现方式、需要哪些软件的支持。请说明单元JTAG链连接方式，接口定义。单元内其他针对可测性需求的硬件设计。2.3 单元间配合描述2.3.1 总线设计详细说明采用什么总线，什么工作方式，下挂什么单元。需要给出图示和文字解释。2.3.2 时钟分配详细说明有什么时钟源，提供给什么单元，时钟之间关系如何。 对于输出时钟要增加时钟指标设计、对于输入时钟要写清楚始终要求及裕量设计。需要给出图示和文字解释。2.3.3 复位逻辑详细说明单元间复位顺序、Watchdog设计、复位单元加载顺序。 如果提供局部及全局分级复位请说明其层次关系。 需要给出图示和文字解释。2.3.4 各单元间的时序关系说明各单元的信号经过哪些逻辑的处理，符合什么样的时序关系，再输出到另一个单元。需要说明主要时序关系。逻辑器件外部接口信号的时序及简单逻辑内部的时序，也应该在本文中说明（建议给出时序图）。如果内容比较多，这部分也可以以单独的文档形式输出。对不同类型芯片、不同类型信号的时序容限要求和保障措施：注意考虑高速信号CAD/SI与逻辑时序设计的配套关系。一般建议至少保证器件手册的要求，并注意考虑在极限环境条件下（高温或严寒），器件的参数变化造成时序变化、器件参数的离散性，以及布线时延与逻辑内部时延叠加后，也能满足器件手册规定的时序容限。并注意器件替代型号和不同批次间的差异容限。图1 时序关系图2.3.5 单板整体可测试性设计对于需要由各单元配合实现的可测试性设计，从以下几方面说明单板是否符合可测性设计要求：单板提供哪些自诊断、自测试功能，实际的硬件实现方式、需要哪些软件的支持。请说明单板JTAG链连接方式，接口定义。单板上其他针对可测性需求的硬件设计。3 硬件单板主要接口定义、与相关板的关系3.1 板际接口以表格形式列出单板与母板插座信号的位置和定义，并详细说明单板对其他单板接口，包括每一个/组信号与哪块单板相连，输入/输出关系。以波形图的形式说明每组接口的时序，如果接口是标准接口（或其子集），如PCI，只需给出必要的说明。接口信号仅仅给出定义是不够的，表格形式可以使读者很快找到信号的准确位置。表2 本单板与其他单板的接口信号表本板连接器编号本板信号名称I/O信号功能相连的其他板名称及连接器编号、信号名其他说明 （注：以上表格形式仅供参考）（画出时序图）图2 接口时序图3.2 系统接口单板与本系统外设备的接口。 对于需要通过电缆或光纤连接的接口部分请注明，并同时给出对连接电缆性能指标的要求；3.3 软件接口在单板硬件概要设计方案的基础上，对单板软硬件接口部分进行进一步的补充设计描述。单板软硬件接口描述主要从以下几个方面入手：1、单板片选信号分配及说明；2、中断信号分配及说明；3、通信端口分配及说明；4、寄存器分配及说明；5、关键器件操作说明；其中1、2、3三部分在单板总体设计阶段基本完成，可注明参见。单板硬件详细设计阶段主要是对4、5两部分进行详细描述。3.4 大规模逻辑接口本节需说明单板硬件各单元与大规模逻辑的接口定义、处理信息类型、配套控制方式、接口时序等。3.5 调测接口详细说明单板上所有调试用接口，包括调试专用指示灯、跳线、拨码开关、电源保险丝、ISP接口、软件测试接口、硬件测试点等。3.6 用户接口详细说明单板的面板上所有与用户有关的接口，包括面板指示灯、光口、以太网口、同轴电缆接口、串口、跳线、拨码开关等。4 单板可靠性综合设计说明4.1 单板可靠性指标表3 单板可靠性指标评估表单板失效率预计值： FIT 单板失效率修正值：FIT单板失效率目标值： FIT器件类别器件失效率器件失效率所占比重（）提高可靠性的措施备注分析：4.2 单板故障管理设计4.2.1 主要故障模式和改进措施a) 器件级FMEA分析重点问题汇总表表4 器件级FMEA分析重点问题汇总表器件名称故障模式 对本板的影响对系统的最终影响严酷度类别（改进前）建议增加故障检测方法建议增加检测灵敏度建议增加补偿措施严酷度类别（改进后）b) 软件故障管理需求c) 硬件故障管理需求 d) 测试验证方案4.2.2 故障定位率计算4.2.3 冗余单元倒换成功率计算4.2.4 冗余单板倒换流程4.2.5 单板复位、断电重启流程4.3 器件应用可靠性设计说明4.3.1 单板器件可靠应用分析结论必选项，优选级1级。采用下列表格，按器件（编码）、电路对单板可靠应用分析结论进行规范化表述，对一个器件或电路所有相关问题集中描述，便于硬件工程师利用分析结论进行设计改进。1.编码、描述/电路名称：位号问题分类01、替代差异（容差）02、批次差异（容差）03、环境适应性容差04、浪涌（EOS，过电应力）05、ESD06、器件温度应力07、机械应力09、潮敏10、盐雾、灰尘、潮湿、振动等环境适应性（除温度外）11、器件固有可靠性（设计、制造、材料）12、器件制造工艺、问题及影响描述程度验致命:可造成系统瘫痪、损坏、人身事故等重大事故严重:对单板器件可靠性、可加工性、可维护、可测试等特性有重要影响。一般:违反一般规则、规范。提示:做了更解决措施是否采纳。设计不采纳时需注明简要原因注：对存在的问题提出可操作的解决措施，多个解决措施要按重要程度排序。4.3.2 器件工程需求符合度分析 a) 器件质量可靠性要求 b) 机械应力c) 可加工性d) 电过应力e) 环境应力f) 温度应力g) 寿命及可维护性1. 对于存在机械摩擦如接插件、硬盘、风扇，或存在材料衰竭，如晶体、光耦、电池，导致器件性能的逐步降低，对这些器件提出预防性维修的原则；2. 从单板维修器件故障定位角度出发，提出单板上电自检、故障上报需求；为方便复杂套片、新器件、存储器故障点的定位，需要设计相应的JTAG或功能自测程序，以便故障定位，尽量保证用最小的代价能够判断出是什么器件或功能有问题，是否存在工艺焊接方面的问题等；3. 还可以对于ESD敏感等有损伤积累效应的器件，提出生产过程单板测试要求，尽可能在生产过程采取针对性加严测试对策，防止此类问题流向市场，造成市场事故，影响单板返修率。4.3.3 单板硬件返修率预计及改进对策 a) 单板硬件返修率预计 1. 可靠性预计的方法2. 可靠性预计结果b) 单板硬件返修率改进对策器件器件编码器件预计失效率改进后的失效率改进对策电容接插件晶振4.3.4 上、下电过程分析 a) 上下电浪涌b) 器件的上下电要求c) 电源芯片的特殊要求4.3.5 器件可靠应用薄弱点分析4.3.6 替代容差分析编码、描述/电路名称：厂家1厂家2厂家3厂家4厂家5参数1（单位）参数2（单位）差异影响分析设计对策测试对策验证对策4.3.7 器件离散性、最坏情况容限分析编码（型号）/电路名称：参数单位制造离散性最坏情况容限综合容限影响设计对策测试对策验证对策温度老化振动其它其它容限影响分析说明：5 单板可维护性设计说明本节由硬件开发人员负责，客户服务工程师（TSS）提供指导和审核。从以下几方面说明单板是否符合可维护性设计要求： （部分内容可参见可测试性设计的章节）单板提供PCB和逻辑版本号上报功能的方式。单板支持逻辑、单板软件和数据的加载和配置的方式，包括在线加载和远程加载。 单板能通过单板软件完成哪些设置、控制和操作，如工作方式设置、复位、倒换、闭塞、解闭塞、端口自环和单板自环等，硬件部分是如何支撑这些功能的。6 单板信号完整性设计说明本节由硬件开发人员协助CAD/SI工程师完成。如果是注明参见，以下的内容可省略。 注意与逻辑时序设计的配套，保证在极限使用温度条件下，器件的参数变化造成时序变化、器件参数的离散性，以及布线时延与逻辑内部时延叠加后，也能满足器件手册规定的时序容限。本节内容仅适用于数字电路部分，对模拟电路、电源板及辅助性单板的设计不需要考虑。6.1 关键器件及相关信息关键器件清单，器件模型状况，器件对外接口电平种类，物理实现具体方式描述等。表3 关键器件及相关信息器件名称器件功能器件封装是否有IBIS/SPICE模型对外接口类型、电平种类及速率、负载特性物理连接实现方式（高密高速） （如75W点对多点）（如ECL） 6.2 信号串扰、毛刺、过冲的限制范围和保障措施串扰主要受布线影响，毛刺受到布线、匹配、逻辑设计的多重影响；过冲主要受到匹配的影响。本节说明对这几种问题的控制措施：6.3 其他重要信号及相关处理方案其他重要网络（如高速信号、时钟等）特性，多单负载、单双向、工作频率，相关电气特性、时序、噪声容限要求，以及从布线角度考虑满足这些要求的具体措施等等。6.4 物理实现关键技术分析7 EMC、ESD、防护及安规设计说明本节由硬件开发人员负责，EMC工程师、防护工程师和安规工程师提供指导和审核。7.1 单板电源、地的分配图参考下面的图示方式，表示出本板的电源和地线分布图，并对重点环节（例如汇接点）的方式予以说明。7.2 关键器件和关键信号的EMC设计a) 列举单板设计中时钟、高速信号、复位信号的种类与频率，以及这些信号对EMC的要求，实现的方式。b) 注明对电源有特殊要求（如幅值、纹波、电流等）的关键器件的型号及其EMC要求、实现的方式。c) 对PCB布局布线有特殊要求的关键器件型号及实现的方式。d) 描述对单板有局部屏蔽要求的电路及关键器件型号、实现的方式。e) 描述接口电路的接口类型、速率，对应的器件型号，接口电路的EMC/ EMI 和ESD配套设计。 如果该文档前面有描述，此处可以填写“参见上面硬件对外接口部分”。7.3 安规、环境适应性和防护设计a) 描述单板的安规设计要素、实现方式以及对PCB安规设计的要求。b) 描述单板的环境适应性规格（潮湿、高低温、盐雾、灰尘等）设计，明确实现方式。c) 防护设计（包括防雷击等），主要是针对接口电路8 单板工艺设计说明本节由硬件开发人员和单板工艺工程师、装备工程师协同完成。8.1 PCB工艺方案PCB基材(新板材）；表面镀层；长宽厚及其特殊装配公差、铆接公差等要求；层间结构的对称性要求（防变形要求）；是否拼板，拼板最佳方式；并考虑生产现有的加工能力）8.2 元器件工艺要求8.3 预计的加工路线8.4 单板装配单板的安装及紧固方式；单板上紧固件的种类及可装配性、可操作性、禁布区；小板和大板装配方式、装配空间、紧固方式、装配精度要求；散热器件的安装要求（方法及其空间）；板上光器件、内存条、硬盘、拉手条、散热器等的装配要求（含光纤布放空间）及所处的加工工序和加工要求；有装配要求的器件的装配精度；器件的成型、安装、固定方式（如两脚晶体，发光二极管）；特殊安装孔的公差要求；不仅要考虑装配上可操作性，拆卸的可操作性也要考虑。8.5 新工艺需求8.6 配线9 单板热设计说明本节由硬件开发人员负责，热设计工程师提供指导和审核。由热设计工程师确定该单板在热问题方面是否需要重点关注（一般在总体设计阶段确定，若总体设计阶段没有确定，需要热设计工程师根据整机的散热条件和单板布局和功耗状况加以确定）。非重点关注单板本节由硬件开发人员负责，重点单板由热设计工程师协助完成。对于非重点关注单板：硬件开发人员确定关键器件是否需要散热器增强散热，散热器的安装要求；若现有编码的散热器无法解决散热问题，需要求助热设计工程师。对于重点关注单板：热设计工程师根据单板详细热设计报告文档模板输出该单板的详细热设计报告，并同时按照下表给出热设计结论。单板详细热设计报告可能包括通用（有编码）散热器选型设计，特殊散热器设计方案，单板PCB（指PCB本身的铜箔连线和过孔等）散热方案，器件与单板的接触设计，单板温度控制要求和策略等内容及相应的热分析过程。表4 单板器件热设计结论器件名称温度(结温/壳温)（）温度降额比（%）是否满足要求10 单板电源设计说明本节由硬件开发人员负责，电源工程师提供指导和审核。10.1 单板供电原理框图根据单板硬件概要设计方案中的电源设计方案，画出单板的供电结构框图，包括防护、缓启动、电源部分的EMC、电源上下电顺序控制、电源监控及备份等功能单元。 对供电结构的进行相应的设计说明。10.2 单板电源各功能模块详细设计给出供电结构中的各个功能单元的详细设计说明：a) 电源模块选用说明：给出主要电源模块和电源芯片的型号、主用/备用器件的各种参数（包括输入特性、输出特性、对降额的考虑和可靠性指标等）以及厂家和替代信息、应用要求等； 确定电源散热设计要求（结合热设计工作）、板内电源电路对外接电源冲击的隔离、滤