浅谈电路板短路点的查找方法

1 引言

短路（Short circuit）是指在正常电路中电势不同的两点不正确地直接碰接或被阻抗（或电阻）非常小的导体接通时的情况。短路时电流强度很大，往往会损坏电气设备或引起火灾。当今电子电路集成度越来越高，芯片管脚也越密集，在现有的电路板生产的回流焊、波峰焊过程中造成成元器件管脚搭锡短路或是PCB板的生产中出现相邻线条短路又或是在电路板使用过程中器件失效造成电源短路，都屡见不鲜。虽然在民用产品中部分可以直接更换电路板来完成修复，但是对于大多数产品还是必须面对短路故障的维修。短路点位置的查找则是短路故障维修中的首要问题，如还是按照逐个器件，逐块电路进行排查的方法效率太低，而且对于集成度高且管脚密集的系统，甚至是无法实现的。因此，在短路点查找过程中，要尽可能提高查找效率，减小对电路板的损伤，同时降低成本。目前主流的短路点查找的方法有以下几种：

拆机割线，电阻测量，发热测量，专用设备测量。其特点对比如表1所示：

表1 拆机割线电阻测量发热测量专用设备测量特点对比

以下将对这些方法做一一介绍。

2 方法详述

2.1 拆机割线法

此方法为传统查找方法，将与短路点相关的元器件一个个拆除，每拆一个测量一次短路信号是否仍然短路，直到拆下某个元件后短路现象排除为止。若全部器件拆完仍然短路，则将查找重点转至PCB，可将涉及短路信号的PCB走线切割为几个部分，逐步缩小范围，直至找到短路点。此方法对查找设备要求不高，一般一个万用表即可。但使用后对电路板伤害最大，即使找到了短路点，要想恢复电路板功能，一般拆除的芯片都得换新，隔断的线条再补上，耗费时间在所有方法中最长，且此电路板日后运行的稳定性肯定大受影响，从器件成本和人工成本上考虑也是最高，所以一般不采取此方法。

2.2 电阻测量法

电阻测量法是通过查找短路两信号之间电阻最小的位置来确定短路点，如图1所示：

图1

我们可以想象PCB线条上有着均匀阻抗，那么可见在短路点附近A、B两信号之间的阻抗最小。一般PCB线条阻抗公式为：

ρ为电阻率，铜线的电阻率为1.7×108Ωm，l为导线长度，单位为m，A为导线截面积，单位m2。可以计算，一段典型的35um厚度的铜箔，20cm长,1mm宽的PCB线条阻抗大约在97.25毫欧，一块量程在200毫欧左右的毫欧表即可用来分辨短路点的具体位置，如没有相应设备，也可以将恒流源加在短路信号之间，这样把测量电阻值转为测量电压值，使用电压表的200mv档来查找短路点。以下举一实例说明：

此板件3.3V电源对地短路，板件为4层PCB板，3.3V只在PCB TOP和BOTTOM层上走线，走线大致如图2所示：

图2

使用恒流源在3.3V电源与地之间加上0.5A的电流，如图3所示：

图3

打开电源输出后，电源输出如图4所示：

图4

测量恒流源输出端电压为52.2mV，如图5所示。

图5

可以计算此回路内阻为115mΩ,3.3v在PCB上走线粗为1.16mm，铜箔厚度35um，可算得短路回路长约为27.5cm。使用万用表黑色表笔固定点在输入地端，红色表笔在PCB上3.3V各位置移动测量，发现此点电压表读数最小，如图6所示：

图6

仔细检查此点附近PCB和元器件，果然发现PCB上存在短路点，如图7所示：

图7

图9

电阻测量法主要适合用于查找低阻短路，如PCB工艺问题造成的线条短路或焊接时桥连导致的信号短路，但查找时必须对照电路的PCB图纸才能正确、快速的测量信号。

2.3 发热测量法

发热测量法是通过红外热像仪检测通电后的电路板中异常发热点来判断故障位置的方法

红外热像仪实质是一个相机，与普通相机不同的是它的敏感区间不是波长为几百nm的可见光，而是波长在8-15um的红外线，也是物体辐射热量发出的光波区域。图8所示为Fluke Ti25热像仪：

图8

红外热像仪的正面，主要是可见光镜头、红外相机和采集扳机；背面则是显示屏和操作按键。

以下举例说明热像仪在短路维修中的应用：

某产品的直流采样板件，发现所有通道（4路电压/电流，7路温度）采样均异常，所有测值为0，经测量发现此板件给采样专门提供电源的5V转5V电源模块输出异常，正常的5V电压输出只有3.3V。测量电源对地电阻也未发现低阻短路，因此基本排除直接焊接短路的可能，大概率是器件损坏导致电源异常，但是使用5V电源工作的芯片如图9红圈所示。

若是一个个拆除来判断非常浪费人工，且拆下的芯片受热后也不能保证今后的可靠性，更换新芯片会加大维修成本。于是考虑使用红外热像仪查找问题芯片，将板件正常上电，使用红外热像仪观察，几秒后发现其中一片运放INA826AID异常升温，如图10所示高于其他器件近10摄氏度。

图10

将其拆除后，5V输出恢复正常。

发热测量法主要适合用于查找因器件故障产生的短路，此方法检测速度极快，且无需对照PCB进行测量，对维修人员的技术要求不高，但此方法需对故障板件通电测量，即有对板件产生再次损伤的风险。

2.4 短路测试仪测量

短路测试仪是查找短路的专业仪器。我们使用的短路测试仪为ESAMBER公司的M&S45E短路测试仪。它的工作原理是利用往短路线路中施加特定的电波信号，再利用电波捕捉笔进行跟踪识别定位。

图11是短路测试仪本体，包括显示、按键和信号输出插座。

图11

图12所示是电波捕捉笔。

图12

注意它的表笔尖端探头的结构，如图13所示。

图13

图14

如图14所示，必须将探头平行于电流方向，才可以正确捕捉到电波信号。

此板件和2.2中举例的板件相同，故障现象也是3.3V电源对地短路。将电波信号加入3.3V电源与地之间，使用电波探测笔跟踪信号，发现图15所示的箭头所指位置前后，探测笔信号发生了突变，从强信号标识突然变成了无信号标识。

图15

可见短路点就在此位置，仔细观察此处元器件与PCB，发现是PCB线条上存在毛刺，如图16所示：

短路探测仪查找短路点最大的优点是对电路板不会产生任何损害，且适用于各种短路原因，但是由于探测笔要始终跟踪PCB线路，对6层、8层或更多层的复杂电路板的查找，需要维修人员对电路板走线非常熟悉，同时会花费较长时间。

图16

3 结论

对比以上四种方法，在查找仪器，适用范围，维修成本，工作效率，报废风险上来说各有优劣，也不存在一种方法能够应对所有问题。所以在维修过程中，还是需要根据实际情况加以分析，判断短路的可能原因再选择合适的方法，才能有效提高维修效率。