电气维修方法论第二十二篇(元件级维修的经验和流程)

认知故障电路板

      元件级维修主要对象是电路板。电路板是由电气元件、接插件和PCB板组成实现特定电气功能的部件，也是电气设备有别于其它设备的重要标志。电路板分为单功能板类和复合功能板类，如果从属于复合功能类型，就继承了多种本质特征和规律。元件级维修建立在部件级维修基础上，就是故障电路板维修。电路板种类繁多、用途广泛和功能各异，通过故障电路板品牌标识、规格型号查阅或咨询获得其技术手册、端口接线图、电路原理图等技术资料判断电路板从属的电路类型，进而快速掌握继承的本质特征和规律，再根据运用场景和维护历史了解其具体特征和规律，最后形成综合特征和规律，为元件级维修建立认知基础。

      一、认知故障电路板的经验

      电路板上分布固定的元件种类和数量较多，相互间电气连接线路异常复杂。为方便理解和维护，通常用电气原理图、元件分布图和端口接线图描述电路板工作原理、功能用途和规格样式，快速认知其本质特征和规律。通常电路板面积和人体尺寸相近，检测或携带比较方便。电气元件是元件级维修认知的最小零件，如果损坏只更换不修理。

      在维修实践中，因为受技术保密或资料检索能力限制，很难获得故障电路板电气原理图，只能从功能用途和规格样式层面推测工作原理，再判断其从属的电路类型，进而掌握其继承的本质特征和规律。如果故障电路板上单元电路间没有明确分界标志、元件实际位置和元件布局图不同和电气元件无法检索，都增加了认知难度，那么如何提高认知故障电路板工作原理和功能用途的效率，也是元件级维修的难点。

      电气元件数量多的电路板一般按照从整体到细节的顺序认知综合特征和规律。按照从电路板到单元电路，再到电气元件和接插件的认知顺序，先通过观察掌握电路板功能用途、整体外观特征和接口电气连接推测其包含的功能，再找出每种功能对应的单元电路，逐步掌握单元电路中各电气元件种类、布局、相互间电气连接和输入输出接口，逐步演绎出电气板的工作原理。适用于分立元件多、集成度较低的电路板。

      电气元件数量少的电路板一般按照从细节到整体的顺序认知其综合特征和规律。按照从核心电气元件到单元电路，再到电路板的认知顺序，先从电路板的核心电气元件开始观察掌握其对应的电气元件、电气连接和输入输出端口，逐步归纳出电气板的工作原理和功能用途。适用于集成度较高的电路板。
      复合功能的故障电路板先找出不同功能的电路在PCB板上分布范围，先认知与故障功能相关的电路，再认知影响整体功能的电路。有些电路板受体积和成本限制将多种功能混合在一起，之间没有明显分界，增加了认知故障电路板的难度。
      二、认知故障电路板的流程

     （一）从规格样式认知电路板

      通过规格样式能简单直接掌握故障电路板本质特征和规律。首先通过生产商或品牌缩小故障电路板特性检索范围，再通过其规格型号、外观形状、颜色样式、外接连线等获得其功能用途、端口接线图、性能参数等技术资料，找出不同子功能电路在PCB板上分布范围以及内部连接线路。

     （二）从功能用途认知电路板

      如果按规格样式无法获得故障电路板技术资料，可根据故障电路板实际作用和实现功能以及与其它部件间相互关联等推测其从属的工作原理类型。

      如将交流市电转换为直流电压的工作电源，根据降压和整流方式推测其从属工作原理类型；如人机交互电路根据输入和显示方式推测其从属工作原理类型；如保护电路根据保护位置和方式推测其从属工作原理类型；如采样电路根据传感器类型推测其从属工作原理类型；如信号处理电路根据信息处理核心元件推测其从属工作原理类型；如驱动电路根据驱动对象推测其从属工作原理类型；如通讯电路根据端口封装形式推测其从属工作原理类型。

     （三）从工作原理认知电路板

      电路图

      标准电路板可从标准图集获得电路板功能框图和电气原理图。

      工作原理相同的电路在不同厂家不同设备中，电路板规格样式（颜色、外观、元件布局和线路连接）各有差异。常用电气原理图描述电路工作原理，原理图中为方便描述和理解电路工作原理，电源和电信号传输方向为左进右出和上进下出，主电路和辅助电路分开绘制，用编号、专用符号和主要参数共同描述电气元件，用较粗直线画导线、较细直线画功能框和虚线画分割区，用文字描述电路工作原理、功能用途和规格样式。必须熟记标准电气元件符号和基础单元电路，对常用电路了然于心，掌握读图技巧，才能快速准确理解电气原理图，掌握电路板本质特征和规律。

      从电路功能框图推测电气原理图是由整体到局部的正向认知过程，先通过功能框图掌握电路技术方案，将功能框细化为子功能电路，从子功能电路的电气元件和连接线路认知其工作原理，最后掌握电路板详细电气原理。从电路板推测电气原理图是由局部到整体的逆向认知过程，通过电路板单元电路、核心元件、信号走向、特殊功能状态等方面认知子功能电路电气原理，所有子功能电路整合为功能框图，最后掌握电路板整体电气原理。逆向认知难度远大于正向认知难度。

      单元电路

      电路板由多个能实现各种特定功能的单元电路组成，单元电路都有输入输出端、工作电源端和公共端，实现电信号取样、放大、处理、驱动等功能。按电信号的获取、处理和转换的传输顺序和分配线路，用示波器追踪测量电信号的幅值、波形、频率和相位变化情况，分析判断出各级单元电路的功能用途（如改变信号幅值、波形、频率和相位，实现数字或模拟数值的算术、逻辑、比较等运算），最后归纳总结掌握电路板电气原理，这是由局部到整体的逆向认知过程。单元电路中各电气元件间总是按串形、并形、树状、网状或独立连接，追踪测量时串形任何点都能作为分界点，并形选择总线作为分界线，树状选择树根作为分界点，网状或独立关系只能逐个排除。

      电路板在启动、运行、待机和关机等不同状态下，相同电气参数的数值各不相同，通过测量判断电路板当前状态。根据电路板具有工作状态可推测其从属工作原理类型，这是由静态到动态全周期的逆向认知过程。
      根据电路板输入和输出接口的输入信号来源推测电路板用途，输出信号去向推测电路板功能，用示波器测量信号类型推测电路板属于模拟或数字电路，根据接口封装样式推测通讯电路从属的类型，综合后判断电路板从属功能用途类型，这是采用黑匣子思维的逆向认知过程。
      为缩小体积或降低成本，电路板中可能包含多种子功能电路。现代电路设计采用EDA（计算机辅助设计），如果没有提前合理规划各子功能电路布局，那么EDA会按照最短距离和最小面积原则自动布局，电气元件会随机零乱分布在电路板上，增加了查找子功能电路分布区域的难度，可以对电路板拍照并打印，在打印图纸上手工划分子功能区域。

      核心元件

      电路板中大量使用电阻、电容、电感、二极管、三极管等通用电气元件，很难判断其功能用途。如果存在少量专用元件，就以专用元件为核心，参考范例电路推测周围电路从属的功能用途类型，这是由特殊到普偏的逆向认知过程。
      通过核心元件专用符号、型号标识（文字、符号、色环等）和封装样式检索其工作原理和功能用途，掌握性能参数、引脚功能、封装样式、适用条件、安装尺寸和范例电路等信息，快速认知其从属类型的本质特征和规律。根据电路板上主要集成电路型号推测从属的模拟电路、数字电路或复合电路类型。根据电路板的核心传感器、接口等特征推测信号处理电路、电源电路、采样电路的分布区域。
      少数专用电气元件有专用封装形式。观察电路板上特殊封装元件（如天线、屏蔽罩、散热片、线圈、按键、指示灯、显示屏、光耦隔离、变压器或异形插座等），推测是否包含无线通信、驱动、控制、电源、高频、高低压等类型子电路及分布范围（如根据天线和屏蔽罩找出高频电路，根据散热片和线圈找出驱动电路，根据按键、指示灯、显示屏找出控制电路，根据光耦隔离和变压器找出高低压电路，根据异形插座找出核心元件），这是由感知到验证的逆向认知过程。
      PCB板
      PCB板的主要用途是固定电气元件，按照路径最短、面积最小原则把各个电气元件引脚按功能要求连接起来。掌握PCB板设计要求，有助于元件级维修时高效准确梳理电气元件引脚之间的连接线路。
      PCB板分为单层板、双层板和多层板，层数越多，电路越复杂，梳理电气连线难度越大。单层板上电源线、公共线和信号线都分布在底层，元件分布密度低，连接线路难，经常需要较多过孔才能完成布线。双层板顶层同时分布电源线和信号线，底层分布公共线和信号线，元件分布密度较高，连接线路复杂，容易完成布线。多层板把电源线和公共线放置在中间层上，信号线放置在顶层和底层，元件分布密度高，连接线路简单。
      根据PCB板上高低压隔离、公共线路和屏蔽网格等标识可以划分子电路分布区域。如高低压隔离区域通常就是工作电源电路分布区域，公共线路和屏蔽网格通常是高频电路分布区域。
      维修评估
      元件级维修前要进行维修评估，只有通过后才进入排查故障元件流程。否则终止元件级维修。
      一、必要性评估
电路板核心元件是否遭遇不可恢复重大破坏，失去维修技术价值？电路板是否存在难于获取的电气元件，失去维修物质基础？维修成本是否过高，失去维修经济价值？
      二、可行性评估
设备配件是否齐全，技术资料是否详细完整？是否掌握故障设备操作方法和检测仪器使用技能？是否具备设备外壳、内部部件和特殊元件拆装工具和技术？能否承担维修失败造成故障扩大、安全、质量和经济等风险？能否在客户要求时间范围内完成维修？能否导入或导出电路板自带程序的源代码？
      排查故障元件
      元件级维修的主要对象是电路板和电气元件。从故障电气设备中排查出故障部件后，再通过元件级维修排查出故障电路板上故障电气元件，排查故障元件的难度大于排查故障部件。电路板上电气元件类型和数量众多，相互之间电气连接复杂，通常故障源和故障现象之间属于间接的因果关系，故障原因和故障结果之间逻辑推理链较长，需要通过检测及时验证逻辑推理结果的客观性。虽然人体感知灵活方便，但是感知范围窄和精度差，由于电磁场地不可见性、高速性和复杂性，元件级维修必须使用各种专业仪器感知电磁运动，齐备的专业工具和仪器能提高排查故障源的效率。
      尽量收集故障设备足够多的技术资料，降低认知故障电路板的工作原理、元件布局和电气连接等信息的难度，能够提高元件级维修时选择切入点、缩小查找范围和判断元件好坏的效率。
      故障现象是故障源的结果，故障源是产生故障现象的原因。排查故障源思路分为追因溯源和假设证明。追因溯源是通常选择故障现象为切入点，先缩小排查范围，再判断故障对象好坏。如果已认知深刻故障电路板，假设验证是先假设能够合理解释已知故障现象的故障源，通过逻辑推理演绎出尚未发现的新故障现象，通过试验验证其客观存在，就证明假设故障源的正确性。如果两种思路的逻辑结论都呈发散状、不能收敛，尽量利用电路核心元件、信号参数或线路走向等特征和规律提升逻辑推理收敛性，再选择收敛性强、发散性小的逻辑结论作为查找故障源的切入点，提高找出故障源的成功率。
      电路板和电气元件拆卸过程中采用图片或视频记录拆卸信息，如用拆卸前后对比照片记录电气元件安装方向和位置，用视频录像记录周边场景和拆卸过程，用双景录像记录整体电路板与局部电气元件的空间比例。
      元件级维修时，因为测量或对比的需要，经常需要拆焊电气元件。因为封装形式复杂电气元件拆焊难度较大，所以要多加练习熟练掌握拆焊技能，尽量减少拆焊次数，降低对电气元件和PCB板的伤害。
      一、选择切入点
通过观察和检测找出表现明显稳定或判断价值高的故障现象作为切入点，选择合理切入点能缩小故障源排查范围。
     （一）发掘更多异常现象
故障电路板在设备中，先断电后观察电路板有无脱落、断路、短路、变形断裂和氧化发黑等异常现象？再用万用表电阻档检测接插件连接和线路间绝缘是否正常？通电后观察电路板有无异味、异响、发热、低温等异常状态？再用万用表电压、电流档测量工作电源电压、电流是否正常？开关按键是否在正常状态？用示波器检测输入输出信号是否正常？
      取出故障电路板后观察有无烧毁、爆裂、虚焊电气元件？再用万用表电阻档检测易损元件（电容、二极管、三极管、场效应管或集成电路等）的特性参数是否正常？用可调直流电源和信号发生器搭建测试平台并接入故障电路板，用万用表电压电流档或示波器测量电路板中重要节点处电信号的波形、频率、幅值和相位是否正常？筛选出所有表现稳定或反复重现的异常现象。
     （二）选择合理切入点
      电气元件电气连接方式分为独立、串联、并联、树联、星联和网联等。只有输入或输出端的电气元件是独立连接（如天线、电机、传感器等），选择其输入或输出端的异常现象作为切入点。单信号输入经过串行处理后单信号输出的电路是串联（如音频放大电路），将串行处理线路上任何结点的异常现象都可作为切入点。单信号输入经过并行处理后单信号输出的电路是并联（如路灯照明电路），将总输入或总输出端的异常现象作为切入点。单信号输入经过分配处理后多信号输出的电路是树联（如工作电源输出电路），将树根或树干点的异常现象作为切入点。多信号输入经过汇聚处理后多信号输出的电路是星形连接（如多功能引脚集成电路），选择汇聚点的异常现象作为切入点。存在多个双向信号输入输出的电路是网联（如局域网），选择网络主要结点的异常现象作为切入点。
      可参考类似故障维修案例或以故障率高的电气元件为切入点能实现事半功倍的效果，缺点是适用范围窄。
      依次用异常现象推测问题原因，将推理结果收敛性强（数量最少）的故障现象作为缩小排查故障源的切入点。如果全部异常现象尝试后都没有获得理想结果，则返回本流程第一步，用更新仪器从新角度进行观察和剖析，发掘新的异常现象。

      二、缩小排查范围

      对于没有电气原理图的电路板，需要根据PCB板上电气元件布局和引脚间布线进行逆向分析，先围绕核心元件及配套元件，根据其功能用途梳理电源、接地、输入和输出端口后获得子原理图，再将所有子电路整合出电路板完整的电气原理图。如果故障电路板上需要排查的电气元件数量较多，通过选择或对比缩小内因外因、功能状态、核心元件、时间或温度的排查范围，最终找到故障点位。

      如果电路板上各电路之间呈父子关系，父电路是子电路外因，子电路是父电路内因。当子电路异常时，需要判断是外因（工作电源、同步信号、控制信号、输入输出信号等）异常，造成子电路不能正常工作，还是内因（子电路本身）异常，这是排查故障源的重要分界线，按照先易后难、先外后内的顺序缩小排查故障源范围。

      如果故障现象与部分子功能电路或核心元件直接关联，将故障源查找范围缩小到与故障现象相关子功能电路或核心元件内。通常核心电气元件与配套元件之间呈星形连接。用示波器追踪测试找出异常分支，缩小故障源排查范围。也可以先排除明确与故障现象无关子功能电路或核心元件，扩大故障源排除范围。

      按照电信号传输顺序，如果异常子功能电路或电气元件间是串联开环关系，利用示波器单路追踪测量排查故障源。先断开串联线路上任一点，按照电信号的传输顺序，如果断开点前异常，证明故障源在断开点前。如果断开点后异常，证明故障源在断开点后。反复分段检测直到找出故障点位。如果异常子功能电路或电气元件间是串联闭环关系（输出信号通过反馈回路延迟返回信号输入端，用于加强或削弱输出信号），利用示波器双路追踪测量排查故障源。先找到并断开反馈采样点后检测串联主电路，如果异常就反复分段检测串联主电路直到找出故障点位为止，否则找到并断开反馈输入点，用反馈电信号和输入电信号进行对比判断反馈电路，如果异常就反复分段检测反馈电路直到找出故障点位为止。

      按照电信号传输顺序，如果异常子功能电路或电气元件间是单向并联关系，利用示波器双路追踪测量找出故障支路。先排查并联分支电路，后排查汇聚总线电路。任意并联支路正常，汇聚总线电路正常概率较大。所用并联支路异常，汇聚总线电路故障概率较大。对任意两支并联支路作对比测试，直到找出故障支路为止。

      工作电源和用电电路之间是呈发散状的星联关系，工作电源输出端是中心点，发散到用电电路。用万用表电压和电流档检测中心点电压或电流，如果异常，那么故障点在工作电源电路范围内。如果正常，那么故障点在用电电路中。通常工作电源异常造成电路板无法工作，为判断工作电源本身异常还是用电电路异常，先用大功率非线性负载（如白炽灯）代替用电负载，开机后检测工作电源输出电压和电流是否正常，如果异常故障点在工作电源电路中，否则在用电电路中，逐个断开用电电路检测工作电源，如果恢复正常，那么故障点就在该用电电路中。还可以用可调直流电源代替工作电源，逐渐提高输出电压，逐个检测用电电路找出故障点，如果没有找到，那么故障点在工作电源中。
      控制电路和其它电路之间是采样控制执行的闭环关系。用示波器检测取样电信号和控制电信号是否正常，判断是被控电路异常还是控制电路异常，再分段追踪检测直到找出故障点位为止。
      保护电路通电检测前必须先采取足够安全措施，先断开主电路，再检测保护电路，如果异常就分段追踪检测保护电路，直到找出故障点位为止，否则分段追踪检测主电路，直到找出故障点位为止。
      通信电路和控制电路之间，电信号是双向地输入输出关系。用示波器检测发送电信号和接收电信号是否正常，判断是发送电路异常还是接收电路异常，直到找出故障点位为止。
如果异常子功能电路或电气元件间彼此独立，只能逐个排查其输入输出特性是否正常，直到找出故障点位为止。
      如果电路板在部分时间段工作异常，需要分析判断是否存在外界因素干扰（如市电电压、电流不稳，工作空间有电磁辐射等），找出干扰源后排除干扰。对电压稳定性要求较高的电路板，通过在线稳压电源获得稳定电压。高频电路或时序数字电路容易受到外界电磁干扰，检查屏蔽层是否可靠接地能解决外界电磁干扰问题。
      如果电路板温度异常，不能持续稳定工作，用红外热像仪追踪电路板上发热异常点位，逐个排查找出发热原因为止。发热量大电气元件的引脚和PCB板焊盘之间因长期热胀冷缩产生细小裂缝，会产生时有时无接触不良故障，从发热量较大电气元件入手逐一排查，找出虚焊点并补焊牢固解决问题。部分功率电气元件（厚膜电路、集成电路、功率放大管、电容）因为发热容易产生元件内部断路或短路问题，如果此类元件温度异常（过高或过低），那么直接更换此类电气元件解决故障。

      三、判断电气元件好坏

      当需要排查元件数量降低到有限后，可以通过逐个对比判断元件的好坏。如果用正常元件替换可疑元件后故障电路板恢复正常，那么能准确判定可疑元件损坏，否则不能完全判定可疑元件完好。如果有相同完好电路板，用可疑元件替换完好电路板上相同元件后出现故障，那么能准确断定可疑元件损坏，否则能准确判定可疑元件完好。

      为保证安全和方便测量，断电后先测量可疑电气元件在线物理参数（阻值、容值、感抗等），采取安全保护措施后再通电后测量可疑电气元件在线电气参数（电压、电流、功率的幅值、波形、频率、相位等），和已知正常值对比判断其好坏，最后拆卸可疑电气元件测量其离线特性参数，和已知正常值对比复核其好坏。
      因焊接质量差、接插件接触不良或连接线缆折断等都会产生时有时无的异常现象。轻摇焊接元件引脚检查其焊接质量，对质量差的焊点及时补焊。接插件的插头和插座之间因为松动或金属氧化造成接头接触不良，先用清洗剂或橡皮擦清除金属氧化层，再重新紧固接插件解决问题。利用万用表1Ω档逐根检测连接线缆每芯通断，再用1MΩ档检测每根芯和屏蔽层间绝缘性能，如果损坏要及时更换或修复线缆。
      电路板进水或积尘会导电，降低绝缘等级，甚至产生安全事故。先用清洗剂清洗电路板，等晾干后再通电使用。
      找出故障元件后能够合理解释所有已知故障现象，还能逻辑推理演绎出未知故障现象，如果通过试验验证正确，就判定已经找到故障源元件，进入修理流程，否则返回选择切入点。

      修理电路板

      一、制定处理方案

      因电气元件大小尺寸和封装样式各异，所以拆装和调试办法各不相同。在修理过程中要确保维修质量、降低安全风险、缩短修理时间，对重要复杂、价值昂贵、处理技术难度大的电路板，修理前根据故障源结合个人实践经验，综合考虑工具、技能、材料、时间、环境和成本等因素，选择或制定可操作性强的修理方案。严格按照方案执行能提高修理成功率。如果故障修理难度低就直接进入维修处理流程。
      准备好修理需要的工具、仪器和技能。通过拍照记录被拆卸元件型号、安装位置和方向、引脚排序等信息。具有记忆功能电路板，要导出程序和数据，记录开关拨动挡位、旋钮调节位置。
      如果修理办法风险或难度大，要先试验练习提高成功率，熟练后再进入维修处理流程。元件级维修的主要技能是元件拆焊技能。对于引脚少的电气元件，拆除和焊接比较简单。引脚多的电气元件对专用工具和焊装技能要求较高，需要反复练习才能熟练掌握。

      二、维修处理

元件级修理对象是电气元件或接插件，维修办法是先拆除故障元件，再采用更换、替换或修复等办法进行处理，更换或替换时要保证新元件焊接位置和方向正确。更换是指用完全相同的电气元件代替故障元件，替换是指用功能相同性能相近的电气元件代替故障元件，修复是对故障元件进行修理恢复其设计功能（较少使用）。要严格按照修理方案开展维修处理，确保工艺水平。
      先通过仔细观察确定修理结果达到质量要求，再通电检测故障源是否已经排除，否则返回排查故障元件流程。对具有记忆功能电路板，导入程序和数据后按操作手册重新调试或设置并保存，开关拨动到原挡位、旋钮调节到原位置，否则会出现报警、出错等异常现象。

      三、验收和记录

      维修处理完成后需要进行功能完整性和稳定性验收，确保电路板恢复设计功能和达到技术要求。
     （一）功能完整验收
      用洗板水清洗电路板，所有配件安装完毕后，通过观察电路板的外观结构是否完好，电路板供电电源和对外连线线路是否完好性。通电试机进行功能完整性验收，先依次检验电路板整体功能和所有子功能是否正常，是否满足重要技术指标。
     （二）稳定性验收
      让电路板满负荷持续工作一段时间，检验其工作稳定性。通过验收后进入整理维修资料流程，否则返回排查故障源流程，重新发掘新的异常现象。
     （三）整理维修资料
      维修完成后将维修过程作为案例详细记录，包含电路板信息（类型、型号、厂家、出厂时间、维护历史）、故障现象、维修时间地点、维修部位、排查修理过程和配件耗材等信息。为保护知识产权，还要记录维修人员信息和参考他人维修案例出处。最后向客户移交修好设备。
将收集整理的维修资料及时公开供同行共享，既有利于维修知识的积累和传承，又有利于提升维修效率，避免了社会重复劳动。
（作者：罗清；地址：四川省攀枝花市东区；电话：[phone]；微信：pzhLQ564200811；QQ：564200811）