从PCBA到产品定型的九个步骤，高效完成多款电子产品

作者简介：张发林，从事嵌入式系统软硬件研发工作超过20年，目前在上海未来伙伴机器人有限公司担任电子总工程师。深入理解从产品需求分析、方案论证设计、技术研发、产品化、测试认证、批量量产等各环节的难点、痛点，解决过大量研发、产品化和生产难题，参与或领导开发的多款工业自动化设备、通信设备、监控系统、物联网及机器人产品等均已投入大规模量产销售。

一块新设计的电路板经过SMT、波峰焊或手工焊接后变成了PCBA，算是万里长征第一步。然而从PCBA到最后定型交付工厂量产，中间还需要经过一系列的测试和验证工作。很多年轻的电子工程师对于PCBA和电子产品系统调试步骤和各阶段具体要求不清楚，常常导致开发调试效率低下，甚至损毁待测电路板。更可怕的是将有功能或性能缺陷的设计转到量产阶段，给公司造成巨额损失。笔者根据多年亲身实践，总结出从PCBA到产品定型的九个步骤，高效完成了多款电子产品的研发工作。

第一步  目视检查

刚刚贴装好交付到电子工程师手上的PCBA如图一所示，有经验的工程师通过目视检查就能快速发现很多设计、物料和工艺问题，可节省大量后续调试时间。

1.1.  仔细对照电路图，检查确认原理图、PCB图和BOM的版本和拿到手的实物是否吻合，确认PCBA实际焊接的重要元器件和电路图是否吻合等。

1.2  检查板子上是否有锡珠锡渣，连焊虚焊，是否有明显的掉件漏焊；轻轻拔一拔个头比较大的元器件，特别是电解电容、大功率电感以及手插件，仔细观察还接位置是否居中准确，焊点是否牢固。

1.3  注意检查电源线排列，重要IC贴装方向、二极管AK方向、极性电容的极性，接插件的缺口方向。

图1   PCBA实物图

第二步  阻抗测试

本步骤相对简单，但是却极其重要，很多严重问题都是忽略了本步导致的。请务必反复核实所需要加载的的电源极性和电压，通过万用表检查各路输入输出电源与地之间是否有短路，是否有明显的阻抗异常，如有任何异常务必排除之，万不可心存侥幸。

图二     数字式万用表

第三步  上电检查

怀着惴惴不安的心情，估计你已经迫不及待的想给你的电路板通电工作了。好吧，可以上电，但要抱着随时壮烈牺牲的准备正确加电。将电源线负极接到实验电源的负极，确认实验电源的输出电压无误后，将电源线正极轻轻搭接在实验电源接线端子的正极，不要急于用仪器观测波形和数据，只关心PCBA通电瞬间是否有异常现象，如冒烟、起火、电火花、异常气味、器件爆裂等，具体惨象如图三所示。如果有异常立即移开电源线，返回到第一步排查问题，待问题查明处理后方可重新进行本步骤。确认无异常后方可正式上电，观察一段时间未发现异常或存在明显发烫的IC后即可进入下一步。

图三   冒烟的电路板

第四步  静态测试

PCBA正式上电后，对照硬件设计说明书，按照以下步骤进行静态测试。

4.1  工作电压和工作电流测量

直流电压的测试非常方便，可直接测量。而电流的测量就不太方便，通常采用两种方法来测量。若电路在印制电路板上留有测试点，可串入电流表直接测量出电流的数值，然后再用焊锡连接好。若没有测试孔，则可测量直流电压，再根据电阻值大小计算出直流电流。对于存在多种电源的电路，还要测试各路电源的上电时序，如图四所示。

图四   电源上电时序图

4.2  处理器最小系统缺省状态测试

需要确认处理器复位电平的极性和波形、晶振电路的频率、输入配置引脚的状态、输出控制引脚的初始状态。单片机晶振电路波形图如图五所示。

图五     单片机晶振电路波形图

4.3 逻辑电路初始状态测试

重点关注芯片的片选信号、使能信号以及配置管脚的缺省状态是否满足要求。如图六所示的DIR_485引脚的缺省状态为低。

图六   RS-485总线驱动电路图

4.4 模拟电路工作点测试

需要测试并优化放大器、三极管、MOS管等直流静态工作点。如图七中R1和R2的阻值需要根据MOS管的参数进行计算并根据实测结果调整。

图七：  MOS管工作点调试示意图

第五步  功能调试

本阶段通常需要软件驱动配合，需要用到各种专业仪器设备如信号发生器、逻辑分析仪、示波器、频谱分析仪、电子模拟负载等。

5.1  打通处理器调试接口，实现软件程序下载运行和状态输出；如图八所示。

图八     Jtag仿真器调试示意图

5.2  验证人机交互功能，信息指示功能正常；

5.3  通过程序控制，驱动数字电路，观测输出信号波形、幅值、脉冲宽度、相位及动态逻辑关系是否符合要求。验证逻辑控制和通信接口功能，输入状态正确和输出状态可控；

5.4  调整模拟电路的交流通路元件，如电容、电感等，使交流信号的波形、幅度、频率等参数达到设计要求；

5.5  输入单阶跃信号测试电路状态变化的逻辑关系是否满足要求；

5.6  验证驱动电路在空载或轻负载条件下工作是否正常。

5.7  所有功能调试完成后应提交功能调试报告如表一所示

表一   功能调试验证报告

第六步  性能测试

电路经动态调试正常之后，便可对要求的技术指标进行测量。如传输速度、误码率、无线传输距离、信噪比等进行测试并记录测试数据，对测试数据进行分析，最后作出测试结论，以确定电路的技术指标是否符合设计要求。如有不符，则应仔细检查问题所在，一般是对某些元件参数或软件配置加以调整和改变。若仍达不到要求，则应对某部分电路或配置进行修改，甚至要对整个电路重新加以修改。因此，要求在设计的全过程中，要认真、细致，考虑问题要更周全。具体测试结果如表二所示。

表二   性能测试分析表

第七步  一致性测试

经过性能测试并确认满足设计要求后，根据实际情况至少需要进行3块以上的功能和性能一致性测评，对于电压、电流、延时、信号波形等进行对比测试，如有明显偏差务必不能掉以轻心，要认真分析可能存在设计、物料、加工工艺或调试测试方案的缺陷不足。如表三所示即可分析存在的是偶发问题还是批次性问题。

表三    47套产品工作电流一致性测试

第八步  系统联调

经过一致性测试通过的PCBA需要安装固定到整机系统中进行系统联调，原则上也要进行系统级别的一致性测试。

系统联调的过程中最常见的问题是PCBA和结构的干涉；无线通信天线位置对通信性能的影响；散热条件恶化导致的性能下降，通信误码率导致的功能或性能下降，音视频部分受箱体的影响；负载能力不足导致的电机堵转或过热保护，系统电源供电能力不足导致的各种异常等。由于电子产品的种类繁多，需要结合系统框图进行仔细排查。某产品的系统框图如图九所示。

图九  某产品系统框图

第九步  型式试验

型式试验是电子产品研发阶段的重要环节，是产品从研发转向生产的关键性节点，也是产品能否定型的重要依据。具体测试的内容和要求根据产品的类型和要求不尽相同。但大致范围和测试项目相差不大，如某产品的型式试验大纲如图十所示。

图十 某产品型式定型试验大纲

结束语

当前电子产品包罗万象，集成芯片和功能电路也层出不穷，再加上嵌入式系统机械、电子和软件的高度相关，PCBA到系统联调难度都在逐渐加大。另外由于市场竞争激烈，电子产品研发周期不断压缩，这就对电子工程师的从PCBA到产品定型全过程调试能力和能力提出较高要求。电子产品的形态和具体应用的电子技术虽有不同，但调试的基本流程、步骤和注意事项高度相通，九步调试法对于各行业的电子工程师都具有一定的参考和借鉴作用。