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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、。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
8、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
9、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。