Доверяй и проверяй: подход к проверке схем и печатных плат

Железо

2

8 мин

1 438

Здравствуйте, друзья!

За мой 20-летний опыт работы компьютерным техником материнская плата является одним из самых сложных компонентов для диагностики из-за количества подключенных к ней компонентов.

Если материнская плата выходит из строя, у вас могут быть синие экраны, зависания, звуковые сигналы, невозможность обнаружения USB-накопителей и другого оборудования и многое другое.

Это руководство научит вас тестировать материнскую плату с помощью мультиметра перед установкой других компонентов ПК.

10 лучших уникальных лаунчеров для Android

Визуальная диагностика

Радиодетали не выходят из строя просто так. И последствия их неисправностей можно увидеть визуально. Рассмотрим наиболее частые неисправности, когда их можно заметить визуально.

Условно все причины неисправностей можно разделить на 3 категории: попадание влаги, механические и электрические повреждения.

Все они могут быть взаимосвязаны, и даже зависеть друг от друга. Рассмотрим поподробнее каждую типичную неисправность микросхем с диагностикой и примерами.

Конструкция

Если есть 3D модель для устройства, проверка производится по ней.(Чаще всего устройство собрано воедино в 3D САПР, там есть инструменты для проверки интерференций, выполнения сечений и пр.)

1. Форма платы — Соответствие чертежу, модели, ТЗ
2. Толщина платы
3. Крепеж
   Достаточность (с точки зрения соответствия пункту ТЗ “внешние воздействующие факторы”)
4. Попадание в места на плате
5. Зазор для головок винтов, шайб…
6. Разъемы
   Положение
7. Ориентация первых ножек
8. Сверить распиновку с сочленяемыми платами
9. Положение специфических компонентов
10. Высота компонентов

Электрические повреждения

Микросхема может выйти из строя из-за банального короткого замыкания. Обычно на таких микросхемах могут появиться дырки. Это называется тепловым пробоем.

Тепловой пробой – это когда через микросхему прошел ток, который повредил ее настолько, что на корпусе появилась дырка. Т.е. она «сгорела», и даже дымилась какое-то время. Дырка на корпусе появляется от большого количества тепла, который создал проходящий через микросхему ток. Микросхема не рассчитана на такой ток, поэтому ее корпус не выдерживает, и начинает разрушение в уязвимом участке.

Ниже приверед наглядный пример теплового пробоя микросхемы управления шаговым двигателем (драйвер).

На микросхеме был установлен радиатор, но даже это не спасло микросхему от теплового пробоя.

Как правило такие микросхемы полностью утрачивают свою работоспособность. А еще при таком тепловом пробое могут повредиться дорожки. После выпаивания поврежденной микросхемы внимательно посмотрите на дорожки и окружающие детали, чтобы они были целые и без повреждений. Еще может вздуться текстолит, но это происходит очень редко.

Также при коротком замыкании микросхемы могут полностью обуглиться, и оставить следы нагара на плате и окружающих деталях. Нагар надо обязательно удалять с платы т.к. он может проводить ток.

Проверка микросхем мультиметром

Иной пример абсолютно аналогичной неисправности можно найти в ноутбуках.

Например, на платах ноутбуков достаточно случайно закоротить USB порт (или статическим электричеством), и тут же может выйти из строя хаб (группа микросхем). И это 100% короткое замыкание. И при этом визуально микросхема будет без каких-либо повреждений. Тем не менее, таких микросхемы можно легко проверить на исправность мультиметром.

В качестве примере рассмотрим проверку микросхемы в DIP корпусе.

У каждой микросхемы есть питание. И как правило именно оно и выходит из строя, если микросхема не выполняет своих функций.

Ниже приведен пример распиновки микросхемы-таймера NE555.

У этой микросхемы (как и у любой другой) есть питание. Питание обозначается Vcc (грубо говоря плюс) и GND (минус). При помощи мультиметра можно проверить целостность питания, как будто проверяем обычный диод на исправность.

В примере ниже мультиметром будет проверяться другая микросхема, но суть одна и та же.

Переключаем мультиметр в режим прозвонки.

Режим прозвонки обычно показывают в виде УГО диода со знаком излучения звука.

И теперь достаточно прозвонить Vcc и GND (питание) микросхемы.

Как и диод, она не должна показывать нули при прямой прозвонке (плюсовой щуп мультиметра к плюсу (Vcc) микросхемы, минусовой щуп мультиметра к минусу (GDD)).

Так и при обратной.

Конечно этот метод не универсален. Например, есть платы у которых обвязка возле микросхем может влиять на измерения. Либо придется выпаивать микросхему из платы, либо отпаивать детали или выводы микросхемы, чтобы они не влияли на проверку.

Однако диагностировать те же ноутбуки на исправности видеочипа или хаба достаточно просто, если знать их рабочие сопротивления и состояния. И там влияние компонентов не толь велико. Все зависит от платы.

Проверка при помощи сервис мануалов

У каждой выпускаемой техники существуют сервис мануалы. По ним можно проверять работоспособность плат (соответственно, и микросхем) следуя инструкциям. Например «На контакте шлейфа номер 12 есть напряжение 5в?». И далее несколько следующих шагов, которые приведут к окончательному решению по ремонту.

Хотя в сервис мануалах рекомендуют менять плату сразу целиком, даже без конкретных замены радиодеталей.

Конечно не получится найти мануал на любую технику в силу различных обстоятельств, но можно найти технику, где используется аналогичная микросхема или плата. У смартфонов разных производителей могут быть одинаковые контроллеры питания. Поэтому здесь важен опыт и навыки поиска информации.

Также не стесняйтесь спрашивать информацию о микросхемах на форумах и группах в социальных сетях об электронике. (естественно перед этим самостоятельно поискав информацию во всех доступных источниках)

Типовые схемы включения

Помимо сервис мануалов еще есть и даташиты с простыми схемами выключения. Т.е. грубо говоря можно собрать схему для простой проверки работоспособности микросхем.

Почему микросхема греется и методы ее диагностики

Еще один типичный случай с кротким замыканием – это когда микросхема сильно греется. Здесь возможны сразу несколько вариантов.

Большинство начинающих ремонтников сразу же заявляют, что если микросхема греется, то именно она неисправна. Это отчасти правда, но только в редких случаях. Если микросхема греется – это не значит, что именно она неисправна. Но именно это влияет на ее функции и общую работоспособность платы и устройства в целом.

В качествен примера рассмотрим ситуацию с контроллерами питания на смартфонах. Эти микросхемы управляют питанием всей узлов устройства. И именно через нее проходят все токи. Допустим, микросхема греется, и вы поменяли ее. И снова та же проблема. А проблем оказалась вообще не в ней, а в другой части платы, где есть короткое замыкание.

Через микросхему проходит большой ток именно в ту часть платы, где находится неисправная радиодеталь, которая как раз вызывает сильный нагрев микросхемы.

Можно как визуально найти неисправную коротящую деталь (она может быть повреждена, со следами окисла, более темная, со следами ржавчинами и т.п.), так и по выделяемому теплу.

Если с визуальным обнаружением могут возникнуть проблемы (без микроскопа найти на плате поврежденный SMD конденсатор или резистор довольно проблематично + нужно внимание), то с обнаружением по выделяемому теплу все куда может быть проще.

Конечно тут тоже бывают разные случаи. Одно дело нагрев от 2 А, а другое дело от 20 мА. Хотя природа неисправностей могут быть идентичны, но методы диагностики придется использовать разные.

Диагностика при помощи кассового чека

Подключите плату к лабораторному блоку питанию с ограничением по току короткого замыкания. Это нужно для того, чтобы окончательно не добить нагревающуюся микросхему. Далее прислоняем кассовый чек к плате.

И как результат можно увидеть на бумаге силуэт той детали, из-за которой происходит короткое замыкание.

Естественно будет след и от нагрева микросхемы, но саму микросхему греет другая неисправная деталь.

Еще можно использовать «фризер» для заморозки платы, чтобы быстро определить точку платы, в которой находится короткое замыкание. Всего может быть четыре исхода событий:

1. Нагрев микросхемы происходит из-за короткого замыкания на другом участке платы.В данном случае неисправна не сама микросхема, а другая радиодеталь. Микросхема просто стоит на пути у большого тока, и пропускает его через себя;
2. Неисправна и микросхема и другая радиодеталь.Так получилось, что неисправная радиодеталь добила микросхему. Она не может постоянно нагреваться, и рано или поздно выйдет из строя;
3. Все-таки неисправна сама микросхема. Да, так бывает. особенно если проблема с контактами;
4. На плате имеются следы попадания влаги.. Далее разберём подобные случаи.

Первый лист

1. Проверка настроек проекта:
   ревизия (Поле revision в свойствах — используется впоследствии для генерации документации)
2. настройки компилятора (д.б. настроено в проекте по умолчанию) (Настройки компиляции в Altium — что можно, что нельзя. Обычно мы создаём проект из внутреннего шаблона, в котором уже всё хорошо настроено)
3. Компиляция проекта (есть ли ошибки)
4. Разъемы: (опираемся на ТЗ и дополнительные пожелания в духе “как на плате ХХ”)
   тип
5. распиновка
6. соответствие номера номеру на схеме Э4
7. Блоки на первом листе:
   охват функционала (Все функции описанные в ТЗ, реализованы)
8. количество, если многоканальные
9. синхронизация выводов символов листов
10. Оформление (Оформление — это важно. Недооформленная схема проверку не проходит)
    Основная надпись
11. Расположение блоков, подписи, связи

Механические повреждения

Механические повреждения микросхем (и радиодеталей в частности) носят обширный характер. Это могут быть последствия ударов по корпусу прибора, и неаккуратные эксплуатация и ремонт.

Повреждения корпуса

Типичный пример повреждения корпуса.

Корпус можно повредить пинцетом просто передавив его. Но тут спорная ситуация. Микросхема может быть и исправна, если на ее стеклянном основании нет трещин, даже если корпус серьезно поврежден.

А здесь пример окончательного уничтожения микросхемы. Только полная замена.

Повреждения окружающих деталей

Микросхема не может работать без «обвязки» — радиодеталей, которые создают условия для работы.

SMD конденсаторы очень легко сносятся пинцетами. Будьте аккуратнее при замене модулей на смартфонах.

Отвал контактов

Схема не будет работать, если контакты с радиодеталями повреждены. Среди основных типовых корпусов микросхем (DIP, SMD, BGA) BGA труднее всего визуально оценить на предмет отвала контактов.

Отвал контакта может быть от микросхемы (небольшие микросхемы — это питание, память, модемы на смартфонах):

Шарики припоя отсутствуют на контактах микросхемы.

А вот тут пример отвала уже контакта с микросхемой (т.е. шарик остается на микросхеме), причем с повреждениями (большие микросхемы — это обычно это материнские платы).

Как можно заметить, большие BGA контакты чаще всего забирают с собой кусочки платы.

В принципе отвал можно отнести к механическим повреждениям, но к отвалу можно отнести и плохое качество пайки.

Методы диагностики отвала

Прогрев платы может быть как вариант диагностики, но не ремонта.

Проверка новых компонентов

1. Проверка по списку из задачи (При постановке задачи на проверку автор создает список вновь созданных компонентов, чтобы Рецензент ничего не упустил. Считается, что остальные компоненты уже проверены нами ранее.)
2. Проверить по Datasheet:
   Номера контактов
3. Назначение
4. Соответствие ссылок на описания (ссылка на описание компонента должна быть в свойствах компонента)
5. Посадочное место (должно соответствовать указанному partnumber)
6. Partnumber (достаточно полный, без ошибок)

Многофункциональные индикаторы напряжения-отвертки

Такие устройства сейчас массово выпускаются промышленностью. Они позволяют выполнять 5 основных функций при работе с электричеством. Одна из них — замер сопротивления, который осуществляется подключением контролируемого участка через цепь, созданную между пальцами человека.

В конструкции подобных многофункциональных приборов для замера сопротивления используются:

• элементы питания с общим напряжением 3 вольта
• биполярный транзистор, усиливающий сигнал тока индикации
• светодиод, свечение которого свидетельствует о прохождении тока через проверяемый участок цепи
• наконечник отвертки, служащий контактной площадкой

Маломощные источники напряжения этих приборов способны выдать в схему только токи низких значений, которые при усилении транзистором достигают всего десятка миллиампер. Этого вполне достаточно для свечения светодиода. Однако, проверять ими можно целостность предохранителей, нитей накала лампочек и подобных простых устройств. При измерениях в сложных схемах многофункциональные индикаторы работают некорректно потому, что способны прозвонить высокоомные участки, созданные заниженным сопротивлением окружающей среды. Этот их основной недостаток часто вводит в заблуждение электриков.

Выводы

Подведя итог могу сказать просто: ЛЮБАЯ активная нагрузка при измерении имеет свое сопротивление, которое будет тем больше, чем меньшие токи в ней протекают, на самом деле взаимосвязь обратная. И соответственно, когда мы измеряем сопротивление, мы косвенно уже можем представлять насколько большие токи текут на этом участке цепи. Таким образом, когда один из полупроводников уходит в короткое замыкание, например диод мостика или транзистор в горячей части импульсного блока питания, мы из-за аномально возросших токов и получаем сгоревший предохранитель.

Если же это были вторичные цепи, там чаще всего просто срабатывает защита блока питания и устройство просто не включается до тех пор, пока короткое замыкание, вызывающее очень большое потребление, не будет устранено. Так что когда электрики говорят, что практически любая поломка, за редким исключением когда параметры деталей уплывут, например у подсохших электролитических конденсаторов, и соответственно увеличившегося ESR ЭПС, у нас остаются всего 2 поломки:

1. Есть контакт там где его не должно быть или иначе говоря то самое короткое замыкание, часто минуя нагрузку, потому что ток идет по пути наименьшего сопротивления или по нашему сгоревшему, к примеру p-n переходу транзистора.
2. Либо нет контакта там где он должен быть, обрыв цепи, отгорание нагрузки или силового полупроводника уходящего в обрыв, а не в короткое замыкание, что кстати случается в намного меньшем проценте случаев при сгорании полупроводников.

В данной статье я попытался объяснить логику поиска неисправностей глазами ремонтника, так как ее видим мы, проводя диагностику, проанализировав схему и сверяясь с показаниями мультиметра и условно держа в голове значения сопротивления для каждой конкретной детали в исправном и неисправном состоянии. Много дополнительной информации ищите в разделе сайта «РЕМОНТ». Всем удачных ремонтов! AKV.

• ДИАГНОСТИКА И КОМПОНЕНТНЫЙ РЕМОНТ ЭЛЕКТРОНИКИ
• РЕМОНТ ТЕЛЕФОНА КОТОРЫЙ НЕ ЗАРЯЖАЕТСЯ
• РЕМОНТ СХЕМ: ДЕМОНТАЖ-МОНТАЖ, ПОДБОР АНАЛОГОВ
• ПОИСК ПРИЧИНЫ НЕИСПРАВНОСТИ ПРИБОРА

Правила пользования прозвонкой

Единственное правило, которое необходимо запомнить, проводить процесс прозвонки разрешается только в полностью обесточенной цепи.

Обратите внимание! Если проверять провода под напряжением, можно получить удар током, а в некоторых случаях вызвать пожар. Ниже подробно описано как как проверить провод мультиметром и без него

Ниже подробно описано как как проверить провод мультиметром и без него.

Как правильно прозвонить провода (мультиметром и без приборов)

Поэтапный процесс работы:

• перед началом работы необходимо повернуть рукоятку мультиметра в нужное положение;
• подсоединить концы щупов в необходимые гнёзда. Чёрный щуп в гнездо, указанное как СОМ (в некоторых случаях обозначается как «*» или точкой заземления), а красный — в гнездо, где стоит символ Ω (иногда указывается как R). Необходимо подчеркнуть, что символ Ω может быть нарисован как одиночно, так и в совокупности с обозначениями других знаков (V, mА). Такое расположение проводов, поможет придерживаться полярности при проведении будущих замеров;

Как подключать щупы

• включить мультиметр. В основном для этого есть отдельная кнопка или работа может начинаться автоматически при повороте рукоятки в необходимое положение;
• закрыть измерительные концы друг с другом. Если слышен сигнал, значит, устройство правильно работает;
• взять тестируемый провод (заранее зачистить его от изоляции). Дотронуться измерительными щупами к оголённым местам кабеля;
• в случае исправности прозвучит звук, а показания мультиметра будут нулевые или покажут на сопротивление. Если на экране будет указано 1 и не последует звуков, то значит, что проверенный кабель оборван.

Прозвонить провода можно и без применения мультиметра. Для работы понадобится:

Схема устройства с лампочкой

• классическая батарейка питания (желательно брать квадратную на 4,5Вольт);
• обычная лампочка на 4 Вольт, через нее диагностируется (контролируется) линейный участок кабеля;
• пара соединительных кабелей и коннектор захватывающего вида.

После подготовки инструментов для работы, с их помощью необходимо собрать простую измерительную цепь. При, верно, собранной цепи и в случае исправности провода, лампа будет работать. Если на участке есть дефект, то лампочка не загорится.

Питание

1. Общая логика расположения источников и нагрузок (Компоновка должна быть логична, не порождать усложнения платы)
2. Питание сложных потребителей сквозь друг друга (Один источник на несколько потребителей, которые могут помешать друг другу)
3. Непрерывность (узкие места) (Тонкие перемычки у полигонов, количество переходных отверстий при переходе со слоя на слой)
4. Сечение проводников (Подсветка всех питаний по очереди, просмотр подводов к каждому потребителю)
5. Земля (Земля это очень важно, если ток течёт по шине питания к потребителю — ему надо вернуться обратно)
6. Наводки между питаниями, соседство источников
7. Питание микросхем
   Наличие блокировочных емкостей у пинов
8. Толщина проводников питания
9. Отдельные Via на каждый потребляющий пин
10. Via в ThermalPad (бывает нужно)
11. Источники питания
    Открыть Datasheet, свериться с рекомендуемой топологией (когда её нет, обсуждаем оптимальную компоновку)

Проверка посадочных мест

1. Наличие списка новых (обновлённых) посадочных мест. При повторной проверке список должен быть новый. (Принцип тот же, что и для УГО)
2. Сверка посадочного места с описанием в Datasheet
   Порядок расположения выводов
3. Количество
4. Расстояния
5. Форма площадок
6. Шелкография 0.2, первая ножка круг толщина 0.5, диаметр 0.25 (оформление — это важно)
7. Наличие 3D модели, совпадение ножек, шелкографии с ней (3D модели позволяют дополнительно проверить правильность посадочного места, участвуют в проработке и проверке конструкции, помогают получить красивые рендеры плат)

Виды маркировок

На компонентах, выпущенных во времена Советского Союза, было принято указывать номинал на корпусе детали (см. рис.1). Этот вариант не требовал расшифровки, но при повреждении целостности конструкции или выгорании краски могли возникнуть проблемы с распознаванием текста. В таких случаях всегда можно было обратиться к принципиальной схеме, которой комплектовалась вся бытовая техника.

Рисунок 1. Резистор «УЛИ», на корпусе виден номинал детали и допуск

Мультиметры, тестеры

Для удобства выполнения электрических замеров на базе омметра работают комбинированные приборы, позволяющие оценивать величины сопротивлений на шкалах:

• Омов
• килоОмов
• мегаОмов

Они имеют одну точную измерительную головку, которая с помощью шунтов или добавочных сопротивлений, подключаемых системой различных режимных переключателей, может работать в качестве:

• омметра
• амперметра
• вольтметра

Для каждого режима на общей шкале нанесена собственная цифровая градуировка в соответствующих единицах. Три объединенных функции измерения сопротивления, тока и напряжения послужили поводом называть такие приборы:

• мультиметром (образовано от слов «много» и «мерить»)
• авометром (сокращение от «ампер», «вольт», «ом», «измерение»)
• тестером (обозначает возможность проведения «тестов»)

Современные приборы работают как на основе обработки аналоговых величин, так и с применением цифровых технологий. Они у большинства моделей снабжены дисплеем, на который сразу выводится значение измеряемого параметра. Это удобно потому, что:

• облегчается снятие показании
• не требуется разбираться с градуировкой шкалы
• отпадает необходимость заниматься дополнительными математическими вычислениями

Однако, принцип подачи напряжения на измеряемый участок цепи и замер величины тока, протекающего через сопротивление, остался прежним во всех устройствах. Электрик, хорошо понимающий, как работает закон Ома, всегда разберется с назначением переключателей и способами отображения информации на любой приборе, выполнит правильно замер сопротивления.

Шелкография

1. Шрифт Default, высота 1mm, толщина 0.2mm
2. Правильное размещение надписей — не под корпусами, не на отверстиях, не друг на друге (Это удобно смотреть в 3D)
3. Ориентация любых надписей на одном слое только 0-90 или 0-270 градусов
4. Обозначение первого пина у микросхем и разъемов
5. Обозначение 5-10 кратных пинов и рядов у BGA для крупных микросхем (поможет найти нужный пин при отладке)
6. Обозначение назначения разъемов и тестовых точек (поможет при отладке)
7. Грамотная последовательность в группах (когда обозначения выносятся группой в сторону из-за плотности расположения компонентов)
8. Логотип, название платы, ревизия SVN, дата (Часто бывает требование заказчика по размещению своего логотипа, децимального номера и т.д. AD даёт возможность ставить текстовые поля, задаваемые переменными, мы это активно используем)

Правила проектирования

1. Толщина слоя металлизации (В настройках стека всё должно соответствовать реальности)
2. Соответствие правил проектирования технологическим нормам для выбранных толщин платы и металла (минимальные зазор/проводник, отверстия)
3. Наличие специфических норм для классов цепей, выделенных на схеме (зазоры до высоких напряжений, минимальные толщины проводников и т.д.)
4. Отступы от не металлизированных отверстий на внутренних слоях (отличаются от обычного зазора)
5. Просмотреть все правила (Все правила просматриваются одно за другим, поиск всего необычного)
6. DRC настройки (проверка, включены ли нужные проверки в DRC)
7. DRC (Рецензент запускает DRC, при непрохождении — проверка прекращается)