高速電路設計進階案例分享

【案例1.18】硬件工程師如何做元器件變更的決策

某產品在從研發轉規模生產階段，采購部門給硬件工程師推薦了新的MOSFET(稱為A),該物料比該產品研發階段使用的MOSFET(稱為B)價格更低，且供貨渠道更友好。作為產品責任人的硬件工程師，應如何權衡該要求?

【討論】

尋找在價格、供貨上更有優勢的元器件，是采購部門在采購這個專業領域的職責所在。在本案例中，如何在各個方面權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。

在權衡過程中，以下從幾個方面來簡要分析硬件工程師應考慮的方面。

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勢。成本方面的考慮，不是簡單地比較元器件的價格高低，而是要全方位考慮對產品綜合成本的影響。在本案例中，從成本出發，更換MOSFET除看到A本身成本有優勢外，還要考慮A和B的導通電阻的差異是否會導致導通功耗的不同，A和B的柵極電荷的差異是否會導致開關損耗的不同。若A功耗明顯高于B,是否會導致原設計的散熱能力不夠，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行，采購部門時此無能為力。

②從功能方面考慮。元器件的替換，應以不更改基本功能特征為前提，本案例中，對此無能為力本案例中，MOSFET的替換要求有哪些參數涉及基本功能特性呢？從硬件上看，這些參數包括MOSFET的通流能力、導通電阻、柵極電荷、極間寄生電容、柵極和源極壓差限值、安全工作區間等幾個基本參數。在元器件替換時，硬件工程師應仔細核對元器件手冊上參數的差異，判斷這些差異是否會導致功能特性的變化，并適當作一些替換實驗進行驗證。例如在某些應用中，對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，是否會導致產品長期工作的能力變差，尤其當元器件替換發生在研發后期或已經進入規模生產的階段。在這個階段，往往最耗費時間的各項性能測試、可靠性測試已經完成，則在元器件替換時，尤其需要重視這一點。在本案例中，MOSFET就屬于和性能、可靠性緊密相關的元器件，需要通過計算或可靠性方面的測試來分析、驗證。

④從生產方面考慮。元器件的替換，是否會導致電路板加工工藝的復雜度提高，是否需要改變電路加工的工序，如果有這方面需求，則決策過程中應考慮生產部門的建議。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，可能頂到上方的散熱板，則是否能實現該替換，硬件工程師應聽取生產部門的建議。

【擴展】

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

例如在存儲器電路中，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，后者硬件設計更簡單，需要的PCB層數可能更少。

例如在高速電路中，為了使高速差分對傳輸更長的距離，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，后者信號均衡能力更強，能滿足長距離信號傳輸的要求。

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?前者電源電路設計簡單，后者雖設計難度較高，但成本可控制得更低，且設計中有較大效率優化的自由度。

所以，一個優秀的硬件工程師，不僅僅需要把電路設計做好，還應具有很高的通慮、方案決策方面的能力。

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