短路分析仪在短路故障定位中的应用

2020-11-09王新华

光源与照明 2020年8期

王新华

石家庄海山实业发展总公司（河北石家庄 050208）

0 引言

短路故障是一种常见的电路板故障，短路故障的发生会对系统的运行造成严重影响。当前，短路故障的定位主要采用测量电路板覆铜线路电阻的方法，该方法只能定位表层短路故障点，不能定位多层板层间短路、内层短路和动态短路等故障，并且电阻测量方法需要多次测量才能定位，定位盲目性大、周期长、效率低下，很难满足当前短路故障的定位需求[1]。文章介绍的短路分析仪能够克服以上传统短路故障定位的缺点，实现高效定位短路故障的目标。

1 短路故障定位方法

通常，根据短路机理和短路现象选择短路定位方法，从而实现短路故障的快速定位。在实际定位过程中，常采用电阻测量、红外检测、电流跟踪、电势测量等方法定位短路故障[2]。

（1）电阻测试法。采用毫欧表测量覆铜导线的电阻，通过电阻的变化确定两点之间的连接关系。电阻测量只适用于覆铜可以直接测量的情况，并且线路可以目视查看的电路板（如单层板或双层板）。该方法具有操作简单、测量效果直观、定位故障可靠的特点，是最常用的一种短路定位方法。

（2）红外热成像检测法。该方法通过对比、观察等方法检测故障电路的热效应，通过分析故障电路的异常发热点定位短路故障，具有非接触、不干扰被测电路工作等优点。红外热成像检测适用于大阻值故障短路的情况，并且需要配备红外热像设备，对设备的要求较高，但运用得当可以快速找到故障点。

（3）电流跟踪法。根据法拉第电磁感应定律，通过给短路线路施加一个交流的电流，检测导线周围的电场，可以快速定位短路电流的流向，通过分析线路中非预期的电流交汇点，就能确定短路的位置。该方法定位速度快，定位过程为非接触式，且不会对电路板产生二次损伤，不要求覆铜可见（通过电场检测，电场能够穿透电路板），可以应用于多层电路、电缆、线束等带有绝缘层的短路故障定位[3]。

（4）电势测量法。当短路现象涉及电路板的某一层时，采用传统的方式查找短路点将变得十分困难，此时采用电势测量方式可以快速定位故障。电势测量是在电路板短路层施加一个电势场，使短路层上各个线路上形成不同的电势场，再将另一层的短路点设置为0 电势，通过表笔在短路层不断地测量，寻找最接近0 电势的点，即为短路点。电势测量法具有测量范围广、接触式测量、能够有效检测内层电路短路的特点。

2 短路故障定位法的选择

短路故障定位方法各有其适用的条件，在实际应用中应根据故障的特点进行分析，以选出合适的定位方法，从而快速、精确地定位故障。简单的短路故障采用一种方法就能定位，而复杂的故障需要结合几种短路故障定位方法才能找到最终的故障[4]。一般，通过确定是否为多层板、是否可以通过导线直接测量就可以初步确定短路的定位方法。如果该方法还不能有效定位故障，可以考虑综合采用几种方法，逐步定位故障点。短路故障定位法选择流程图如图1 所示。

图1 短路故障定位法选择流程图

3 短路分析仪简介

短路分析仪针对短路故障，将几种短路测试方法集合到一个测试设备上，通过综合考虑各种方法和定位方法的灵活切换，实现短路故障的快速定位。短路分析仪体积小巧，便于携带，既可以作为激励源，也可以用作测量仪器使用。文章以Toneohm950 短路分析仪为例展开介绍。

（1）性能介绍。Toneohm950 短路分析仪采用220 V电压供电，电源通用性好，且方便易得，能够适应测试现场的需求。

（2）功能组成。多层板短路分析仪由激励源和功能测试单元两个部分组成，可完成电阻测试、电流测试、电压测试、电流跟踪和电势测量五种短路测试功能。激励源和功能测试模块需要配合使用，电流、电压测试和电势测量采用直流电源作为激励，电流跟踪采用交流电源激励。在完成连接测试表笔和激励导线后，通过功能按钮实现各个功能的选择。短路分析仪限制了激励源的输出范围，可防止激励过大导致测试器件被损坏。

4 多层板短路分析仪在电路板短路故障定位中的应用

4.1 应用概况

电路板短路会严重影响设备性能，工程应用中为防止系统的短路故障，最常用的方法是在系统通电之前测量各个电源通道内、通道间以及与壳地之间的绝缘阻抗，通过比较绝缘阻抗实测值与正常值之间的差异，了解系统内部的链路连接情况。当系统绝缘阻抗超出正常电阻范围时，就可能存在短路的风险[5]。根据系统功能的不同，绝缘阻抗一般分为三类。（1）电源通道，电源通道需要流过一定的电源电压，除电源通道直接给功率器件提供电源外，正负导线之间的绝缘阻抗一般在兆欧级。（2）信号通道。根据通道功能的不同，通道绝缘阻抗会在几欧姆到数兆欧姆的较大范围内变动，这些阻抗在相同通电条件下相对稳定，可以作为系统测试的标准。（3）地线通道。该类通道要求绝缘尽量小，一般通过宽导线直接连接，阻抗在毫欧姆级别，如果阻抗增大可能会使系统静电防护或接地保护功能下降或失去功能。针对三种类型的绝缘阻抗，在采用通用方法的同时，可以有针对性地采用某些短路测试方法定位故障，这样可以起到事半功倍的效果。具体定位方法如表1 所示。

表1 绝缘电阻对应短路定位方法

4.2 应用实例

文章以实际电路板短路故障的定位为例，说明多层板分析仪在电路板短路故障定位中的适用性和高效性。

实例1：在对某产品电源板进行绝缘测试的过程中，发现27 V 电源通道的输入阻抗异常，正常情况下要求该通道的阻抗＞20 M，实际测量发现该通道阻抗为0.2Ω，判定该通道发生短路故障。电源板外观如图2 所示。

图2 电源板外观图

通过图2 可以看到，电源板插头信号与内部元器件之间使用高温导线线束进行连接，为防止线束在产品振动时产生晃动，线束表面采用三防漆防护。如果采用电阻测量方式在线束上测量，会对线束造成伤害，如果直接测量插头和元器件的引脚，测量盲目性大，且不能精确定位故障；如果采用红外热像仪采集红外线，由于短路电阻较小，可能产生较大电流，对元器件产生二次损伤的可能性很大；电势法也不适用。综合考虑，采用电流跟踪法。通过多层板短路分析仪的电流跟踪挡，将激励信号表笔加到插座对应输入引脚，将激励电流调节到较大的值，通过跟踪表笔确定线路的大概位置和走向，再逐渐减小激励电流，从而逐步缩小线路范围，最终确定信号线。经过测试，最终确定短路点为控制继电器。进一步测量控制继电器的电阻为0.2 Ω，电路显示该继电器为常开触点，现为常闭，因此确定短路点为继电器常开触点粘连导致短路。短路分析仪在没有直接接触电路板的情况下，就高效地定位了故障点，显示出其实用性。

实例2：在某产品的测试过程中，发现某功能板某芯片的第三引脚输出固定为低电平。通过在线分析仪测量该芯片的逻辑功能为正常，测试该引脚与底线之间的电阻，阻值几乎为0，因此确定该引脚异常接地导致信号输出异常。电路板外观图如图3 所示。

图3 某功能板外观图

该功能板为八层板，电源正和电源地独立为功能板的一层，并且电源地为电路板的第三层，不能直接通过表笔测量电阻确定故障点，排除采用电阻测量法的可能性；外加电流使短路点升温，进而采用红外热成像仪照射，可能产生极大的电流，故不能采用；电源地层为保证接地可靠，覆铜面积较大，采用电流跟踪法会在整个电路板产生电流效应，故不能采用。综合考虑，选择电势测量法定位短路点。将多层板短路分析仪置于电势测量功能档，在该功能板的四个角选择电源地接入点，将电势线按照电路板的摆放方位接入对应接入点，将探测表笔的地线接到故障引脚，通过多层板的显示窗口指示测试可能的短路点，最终查找定位短路点。经过测试，最终定位故障点为一过孔穿越电源地层时异常短路导致。可见，电势测量法能够在大范围内快速、高效地确定故障点。