短路分析儀在短路故障定位中的應用

王新華

石家莊海山實業發展總公司（河北 石家莊 050208）

0 引言

短路故障是一種常見的電路板故障，短路故障的發生會對系統的運行造成嚴重影響。當前，短路故障的定位主要采用測量電路板覆銅線路電阻的方法，該方法只能定位表層短路故障點，不能定位多層板層間短路、內層短路和動態短路等故障，并且電阻測量方法需要多次測量才能定位，定位盲目性大、周期長、效率低下，很難滿足當前短路故障的定位需求[1]。文章介紹的短路分析儀能夠克服以上傳統短路故障定位的缺點，實現高效定位短路故障的目標。

1 短路故障定位方法

通常，根據短路機理和短路現象選擇短路定位方法，從而實現短路故障的快速定位。在實際定位過程中，常采用電阻測量、紅外檢測、電流跟蹤、電勢測量等方法定位短路故障[2]。

（1）電阻測試法。采用毫歐表測量覆銅導線的電阻，通過電阻的變化確定兩點之間的連接關系。電阻測量只適用于覆銅可以直接測量的情況，并且線路可以目視查看的電路板（如單層板或雙層板）。該方法具有操作簡單、測量效果直觀、定位故障可靠的特點，是最常用的一種短路定位方法。

（2）紅外熱成像檢測法。該方法通過對比、觀察等方法檢測故障電路的熱效應，通過分析故障電路的異常發熱點定位短路故障，具有非接觸、不干擾被測電路工作等優點。紅外熱成像檢測適用于大阻值故障短路的情況，并且需要配備紅外熱像設備，對設備的要求較高，但運用得當可以快速找到故障點。

（3）電流跟蹤法。根據法拉第電磁感應定律，通過給短路線路施加一個交流的電流，檢測導線周圍的電場，可以快速定位短路電流的流向，通過分析線路中非預期的電流交匯點，就能確定短路的位置。該方法定位速度快，定位過程為非接觸式，且不會對電路板產生二次損傷，不要求覆銅可見（通過電場檢測，電場能夠穿透電路板），可以應用于多層電路、電纜、線束等帶有絕緣層的短路故障定位[3]。

（4）電勢測量法。當短路現象涉及電路板的某一層時，采用傳統的方式查找短路點將變得十分困難，此時采用電勢測量方式可以快速定位故障。電勢測量是在電路板短路層施加一個電勢場，使短路層上各個線路上形成不同的電勢場，再將另一層的短路點設置為0 電勢，通過表筆在短路層不斷地測量，尋找最接近0 電勢的點，即為短路點。電勢測量法具有測量范圍廣、接觸式測量、能夠有效檢測內層電路短路的特點。

2 短路故障定位法的選擇

短路故障定位方法各有其適用的條件，在實際應用中應根據故障的特點進行分析，以選出合適的定位方法，從而快速、精確地定位故障。簡單的短路故障采用一種方法就能定位，而復雜的故障需要結合幾種短路故障定位方法才能找到最終的故障[4]。一般，通過確定是否為多層板、是否可以通過導線直接測量就可以初步確定短路的定位方法。如果該方法還不能有效定位故障，可以考慮綜合采用幾種方法，逐步定位故障點。短路故障定位法選擇流程圖如圖1 所示。

圖1 短路故障定位法選擇流程圖

3 短路分析儀簡介

短路分析儀針對短路故障，將幾種短路測試方法集合到一個測試設備上，通過綜合考慮各種方法和定位方法的靈活切換，實現短路故障的快速定位。短路分析儀體積小巧，便于攜帶，既可以作為激勵源，也可以用作測量儀器使用。文章以Toneohm950 短路分析儀為例展開介紹。

（1）性能介紹。Toneohm950 短路分析儀采用220 V電壓供電，電源通用性好，且方便易得，能夠適應測試現場的需求。

（2）功能組成。多層板短路分析儀由激勵源和功能測試單元兩個部分組成，可完成電阻測試、電流測試、電壓測試、電流跟蹤和電勢測量五種短路測試功能。激勵源和功能測試模塊需要配合使用，電流、電壓測試和電勢測量采用直流電源作為激勵，電流跟蹤采用交流電源激勵。在完成連接測試表筆和激勵導線后，通過功能按鈕實現各個功能的選擇。短路分析儀限制了激勵源的輸出范圍，可防止激勵過大導致測試器件被損壞。

4 多層板短路分析儀在電路板短路故障定位中的應用

4.1 應用概況

電路板短路會嚴重影響設備性能，工程應用中為防止系統的短路故障，最常用的方法是在系統通電之前測量各個電源通道內、通道間以及與殼地之間的絕緣阻抗，通過比較絕緣阻抗實測值與正常值之間的差異，了解系統內部的鏈路連接情況。當系統絕緣阻抗超出正常電阻范圍時，就可能存在短路的風險[5]。根據系統功能的不同，絕緣阻抗一般分為三類。（1）電源通道，電源通道需要流過一定的電源電壓，除電源通道直接給功率器件提供電源外，正負導線之間的絕緣阻抗一般在兆歐級。（2）信號通道。根據通道功能的不同，通道絕緣阻抗會在幾歐姆到數兆歐姆的較大范圍內變動，這些阻抗在相同通電條件下相對穩定，可以作為系統測試的標準。（3）地線通道。該類通道要求絕緣盡量小，一般通過寬導線直接連接，阻抗在毫歐姆級別，如果阻抗增大可能會使系統靜電防護或接地保護功能下降或失去功能。針對三種類型的絕緣阻抗，在采用通用方法的同時，可以有針對性地采用某些短路測試方法定位故障，這樣可以起到事半功倍的效果。具體定位方法如表1 所示。

表1 絕緣電阻對應短路定位方法

4.2 應用實例

文章以實際電路板短路故障的定位為例，說明多層板分析儀在電路板短路故障定位中的適用性和高效性。

實例1：在對某產品電源板進行絕緣測試的過程中，發現27 V 電源通道的輸入阻抗異常，正常情況下要求該通道的阻抗＞20 M，實際測量發現該通道阻抗為0.2Ω，判定該通道發生短路故障。電源板外觀如圖2 所示。

圖2 電源板外觀圖

通過圖2 可以看到，電源板插頭信號與內部元器件之間使用高溫導線線束進行連接，為防止線束在產品振動時產生晃動，線束表面采用三防漆防護。如果采用電阻測量方式在線束上測量，會對線束造成傷害，如果直接測量插頭和元器件的引腳，測量盲目性大，且不能精確定位故障；如果采用紅外熱像儀采集紅外線，由于短路電阻較小，可能產生較大電流，對元器件產生二次損傷的可能性很大；電勢法也不適用。綜合考慮，采用電流跟蹤法。通過多層板短路分析儀的電流跟蹤擋，將激勵信號表筆加到插座對應輸入引腳，將激勵電流調節到較大的值，通過跟蹤表筆確定線路的大概位置和走向，再逐漸減小激勵電流，從而逐步縮小線路范圍，最終確定信號線。經過測試，最終確定短路點為控制繼電器。進一步測量控制繼電器的電阻為0.2 Ω，電路顯示該繼電器為常開觸點，現為常閉，因此確定短路點為繼電器常開觸點粘連導致短路。短路分析儀在沒有直接接觸電路板的情況下，就高效地定位了故障點，顯示出其實用性。

實例2：在某產品的測試過程中，發現某功能板某芯片的第三引腳輸出固定為低電平。通過在線分析儀測量該芯片的邏輯功能為正常，測試該引腳與底線之間的電阻，阻值幾乎為0，因此確定該引腳異常接地導致信號輸出異常。電路板外觀圖如圖3 所示。

圖3 某功能板外觀圖

該功能板為八層板，電源正和電源地獨立為功能板的一層，并且電源地為電路板的第三層，不能直接通過表筆測量電阻確定故障點，排除采用電阻測量法的可能性；外加電流使短路點升溫，進而采用紅外熱成像儀照射，可能產生極大的電流，故不能采用；電源地層為保證接地可靠，覆銅面積較大，采用電流跟蹤法會在整個電路板產生電流效應，故不能采用。綜合考慮，選擇電勢測量法定位短路點。將多層板短路分析儀置于電勢測量功能檔，在該功能板的四個角選擇電源地接入點，將電勢線按照電路板的擺放方位接入對應接入點，將探測表筆的地線接到故障引腳，通過多層板的顯示窗口指示測試可能的短路點，最終查找定位短路點。經過測試，最終定位故障點為一過孔穿越電源地層時異常短路導致。可見，電勢測量法能夠在大范圍內快速、高效地確定故障點。

5 結束語

多層板短路分析儀將多種短路測試方法集成到一個設備中，設備體積小巧、功能強大，能夠有效解決當前短路檢測設備少、功能單一的問題。通過對設備各項功能的實際應用，顯示出多層板分析儀在短路分析中的廣泛適用性和高效性。多層板短路分析儀的功能并不限于電路板短路分析，還可以應用到其他低壓設備的短路檢測中。