淺談電路板短路點的查找方法

1 引言

短路（Short circuit）是指在正常電路中電勢不同的兩點不正確地直接碰接或被阻抗（或電阻）非常小的導體接通時的情況。短路時電流強度很大，往往會損壞電氣設備或引起火災。當今電子電路集成度越來越高，芯片管腳也越密集，在現有的電路板生產的回流焊、波峰焊過程中造成成元器件管腳搭錫短路或是PCB板的生產中出現相鄰線條短路又或是在電路板使用過程中器件失效造成電源短路，都屢見不鮮。雖然在民用產品中部分可以直接更換電路板來完成修復，但是對于大多數產品還是必須面對短路故障的維修。短路點位置的查找則是短路故障維修中的首要問題，如還是按照逐個器件，逐塊電路進行排查的方法效率太低，而且對于集成度高且管腳密集的系統，甚至是無法實現的。因此，在短路點查找過程中，要盡可能提高查找效率，減小對電路板的損傷，同時降低成本。目前主流的短路點查找的方法有以下幾種：

拆機割線，電阻測量，發熱測量，專用設備測量。其特點對比如表1所示：

表1 拆機割線電阻測量發熱測量專用設備測量特點對比

以下將對這些方法做一一介紹。

2 方法詳述

2.1 拆機割線法

此方法為傳統查找方法，將與短路點相關的元器件一個個拆除，每拆一個測量一次短路信號是否仍然短路，直到拆下某個元件后短路現象排除為止。若全部器件拆完仍然短路，則將查找重點轉至PCB，可將涉及短路信號的PCB走線切割為幾個部分，逐步縮小范圍，直至找到短路點。此方法對查找設備要求不高，一般一個萬用表即可。但使用后對電路板傷害最大，即使找到了短路點，要想恢復電路板功能，一般拆除的芯片都得換新，隔斷的線條再補上，耗費時間在所有方法中最長，且此電路板日后運行的穩定性肯定大受影響，從器件成本和人工成本上考慮也是最高，所以一般不采取此方法。

2.2 電阻測量法

電阻測量法是通過查找短路兩信號之間電阻最小的位置來確定短路點，如圖1所示：

圖1

我們可以想象PCB線條上有著均勻阻抗，那么可見在短路點附近A、B兩信號之間的阻抗最小。一般PCB線條阻抗公式為：

ρ為電阻率，銅線的電阻率為1.7×108Ωm，l為導線長度，單位為m，A為導線截面積，單位m2。可以計算，一段典型的35um厚度的銅箔，20cm長,1mm寬的PCB線條阻抗大約在97.25毫歐，一塊量程在200毫歐左右的毫歐表即可用來分辨短路點的具體位置，如沒有相應設備，也可以將恒流源加在短路信號之間，這樣把測量電阻值轉為測量電壓值，使用電壓表的200mv檔來查找短路點。以下舉一實例說明：

此板件3.3V電源對地短路，板件為4層PCB板，3.3V只在PCB TOP和BOTTOM層上走線，走線大致如圖2所示：

圖2

使用恒流源在3.3V電源與地之間加上0.5A的電流，如圖3所示：

圖3

打開電源輸出后，電源輸出如圖4所示：

圖4

測量恒流源輸出端電壓為52.2mV，如圖5所示。

圖5

可以計算此回路內阻為115mΩ,3.3v在PCB上走線粗為1.16mm，銅箔厚度35um，可算得短路回路長約為27.5cm。使用萬用表黑色表筆固定點在輸入地端，紅色表筆在PCB上3.3V各位置移動測量，發現此點電壓表讀數最小，如圖6所示：

圖6

仔細檢查此點附近PCB和元器件，果然發現PCB上存在短路點，如圖7所示：

圖7

圖9

電阻測量法主要適合用于查找低阻短路，如PCB工藝問題造成的線條短路或焊接時橋連導致的信號短路，但查找時必須對照電路的PCB圖紙才能正確、快速的測量信號。

2.3 發熱測量法

發熱測量法是通過紅外熱像儀檢測通電后的電路板中異常發熱點來判斷故障位置的方法

紅外熱像儀實質是一個相機，與普通相機不同的是它的敏感區間不是波長為幾百nm的可見光，而是波長在8-15um的紅外線，也是物體輻射熱量發出的光波區域。圖8所示為Fluke Ti25熱像儀：

圖8

紅外熱像儀的正面，主要是可見光鏡頭、紅外相機和采集扳機；背面則是顯示屏和操作按鍵。

以下舉例說明熱像儀在短路維修中的應用：

某產品的直流采樣板件，發現所有通道（4路電壓/電流，7路溫度）采樣均異常，所有測值為0，經測量發現此板件給采樣專門提供電源的5V轉5V電源模塊輸出異常，正常的5V電壓輸出只有3.3V。測量電源對地電阻也未發現低阻短路，因此基本排除直接焊接短路的可能，大概率是器件損壞導致電源異常，但是使用5V電源工作的芯片如圖9紅圈所示。

若是一個個拆除來判斷非常浪費人工，且拆下的芯片受熱后也不能保證今后的可靠性，更換新芯片會加大維修成本。于是考慮使用紅外熱像儀查找問題芯片，將板件正常上電，使用紅外熱像儀觀察，幾秒后發現其中一片運放INA826AID異常升溫，如圖10所示高于其他器件近10攝氏度。

圖10

將其拆除后，5V輸出恢復正常。

發熱測量法主要適合用于查找因器件故障產生的短路，此方法檢測速度極快，且無需對照PCB進行測量，對維修人員的技術要求不高，但此方法需對故障板件通電測量，即有對板件產生再次損傷的風險。

2.4 短路測試儀測量

短路測試儀是查找短路的專業儀器。我們使用的短路測試儀為ESAMBER公司的M&S45E短路測試儀。它的工作原理是利用往短路線路中施加特定的電波信號，再利用電波捕捉筆進行跟蹤識別定位。

圖11是短路測試儀本體，包括顯示、按鍵和信號輸出插座。

圖11

圖12所示是電波捕捉筆。

圖12

注意它的表筆尖端探頭的結構，如圖13所示。

圖13

圖14

如圖14所示，必須將探頭平行于電流方向，才可以正確捕捉到電波信號。

此板件和2.2中舉例的板件相同，故障現象也是3.3V電源對地短路。將電波信號加入3.3V電源與地之間，使用電波探測筆跟蹤信號，發現圖15所示的箭頭所指位置前后，探測筆信號發生了突變，從強信號標識突然變成了無信號標識。

圖15

可見短路點就在此位置，仔細觀察此處元器件與PCB，發現是PCB線條上存在毛刺，如圖16所示：

短路探測儀查找短路點最大的優點是對電路板不會產生任何損害，且適用于各種短路原因，但是由于探測筆要始終跟蹤PCB線路，對6層、8層或更多層的復雜電路板的查找，需要維修人員對電路板走線非常熟悉，同時會花費較長時間。

圖16

3 結論

對比以上四種方法，在查找儀器，適用范圍，維修成本，工作效率，報廢風險上來說各有優劣，也不存在一種方法能夠應對所有問題。所以在維修過程中，還是需要根據實際情況加以分析，判斷短路的可能原因再選擇合適的方法，才能有效提高維修效率。