电路板修理（维修电路板的常用方法）

　　电路板修理（维修电路板的常用方法）原创程序员写个解2021-05-26 13:301. 背景
　　白蔡新设计的电路板焊接完成，首样总共有5块板卡，领导也是大胆，设计图上有几个器件全公司都没用过，设计时白蔡经常拿着器件数据手册请教前辈，没来几个月已经和大半个部门混得通熟，着看得出他很认真，祈祷一版设计成功。
　　上电后预想的处理器执行状态灯闪烁的场景没发生，很明显处理器没执行。再正常不过了，第一次吃螃蟹哪能轻而易举。
　　这一次白蔡来到浅鉴办公桌后寻求协助。
　　浅鉴转过椅子：＂说说你的排查思路。＂
　　白蔡一脸茫然：＂没有办法。＂
　　浅鉴白他一眼：＂没有经过独立思考的伸手党，等同于谋杀＂，白蔡眉毛稍稍上扬，没等他揣摩字面的意思，浅鉴补充道，＂悄无声息的谋杀被询问方几分钟的阳寿。＂
　　＂给你一个排查故障万能公式，一般故障定位思路靠它挺奏效，以后请教前把自己的尝试结果先汇报，这是礼仪，我把它叫做‘三查一返’＂。2. ＂三查一返＂
　　起身走向实验室，走廊上浅鉴解释：＂三查一改指的是查输入状态、查内部逻辑、查输出状态、返原理。＂
　　三查一改
　　＂‘三查类’类似于产业链的客户、责任人、供方三层角色，要求三层角色的输入、输出、实施过程可量化度量。只有可量化才能保证出来的产品质量可控。＂
　　白蔡：＂那么‘返原理’怎么解释。＂
　　浅鉴右手戴上与维修台连接的防静电手环，左手拇指和无名指卡在板卡边沿，托起板卡与嘴唇水平的位置，右手打开手机电筒靠在右脸颊，左手腕向三个轴小角度转动板卡，注视着手电打亮的位置，试图找到外观肉眼可见的工艺质量缺陷。
　　浅鉴继续检查板子另一面：＂先尝试‘三查’排查一遍，至于‘返原理’，你不愿用到的＂。3. 查输入状态3.1. 电源
　　浅鉴放下板子：＂你说我们成为打工人的最基本目的是什么？＂
　　白蔡眼球看向左上方：＂吃饭！＂，接着眼球转到右上方，左手拇指在下巴来回滑动，笑盈盈地，＂升职加薪、出任CEO、迎娶白富美、发家致富……＂越说越来劲。
　　浅鉴随手抽出鼠标垫往白蔡头上拍去：＂还发家致富呢~打工人升职加薪没问题，发家致富请找别处＂，白蔡闭上一只眼，＂公司克扣你的工资怎么办＂
　　白蔡瞪着大眼睛：＂蛤？公司是想失去我吗？不过我保证，以后我去哪都叫你师傅＂。
　　放下的鼠标垫再被浅鉴卷起往白蔡头上拍打三下，一次比一次使劲，每拍一次吐出几个字，＂又白＂、＂又菜＂，＂我没教过你任何东西＂。
　　浅鉴：＂是否扣工资你也得下个月才知道，这个月的活一样也不会少＂，指着电路板上几个古铜色没被绿油包裹的金属标记点，＂不过你要是没给处理器供电、供时钟、电压缺斤少两，它立马罢工＂。
　　设计电路板时留下2mm直径的圆形区域，裸露紫铜色铜箔未被绿油覆盖， 旁边白色字母标注该铜箔的意义，它们是电路板上的测试点。
　　每路电源都应有一个测试点，旁边白色字母+5V、-5V、REF+2.5v简洁地告知它们的正常电压范围。 电路板通电后应测试各电源是否符合要求，除了电压与标注一致外还需检查电源浮动， +5V直流电压不得噪声不得超过50mV，即小于电压有效值1%。
　　电路板测试点
　　电源浮动源于纹波和噪声。
　　纹波包括两个交流成分，一个是频率为两倍工频输入电压的正弦纹波，中国电网工频50Hz，这是由整流电路引起的；另外一个是由开关电源导通和关断引起的锯齿状纹波，其频率等于开关电源的工作频率。
　　噪音的频率都会高于开关电源的频率。它出现在开关电源工作状态的转换时期，噪声极大值一般都会叠加于波形的峰值或谷值附近。
　　纹波
　　示波器抓取板卡的电源纹波呈现出三角形态，白蔡：＂幅度在40mV内，虽不优秀也差不到哪去。＂
　　浅鉴说：＂那再检查一下时钟。＂3.2. 时钟
　　白蔡拿着万用表黑表笔接地、红表笔接晶振输出时钟触点：＂有捏，300mv＂。
　　＂万用表测试时钟信号虽然也行，不过测试结果比较粗糙，万用表显示的是正弦时钟幅度的平均值， 更建议用示波器，准确地观察到时钟的输出高、低电平范围＂， 浅鉴手上示波器点在万用表红表刚才接触的位置，移动示波器两根水平Y轴标杆卡在时钟最高、最低位置。
　　测试结果对照着原理图没看出什么问题，浅鉴：＂时钟25MHz、波谷0V、波峰655mV。＂
　　白蔡：＂嘿嘿，怎么样，有思路吗。＂，回了浅鉴问他的那句＂说说你的排查思路＂。
　　浅鉴神情自若：＂仅完成‘查输入状态’而已，还有‘查内部逻辑’，掏出你的手机帮我录像。＂
　　时钟4. 查内部逻辑4.1. 电流
　　浅鉴给示波器换上电流探头，电流探头是个手掌大小的夹子，中间有个1cm的孔隙，电源线从孔隙穿过。
　　电流探头
　　浅鉴随手在纸上画台阶图、坐标横轴表示时间、纵轴表示电流：＂上电后理想状态下，随着越来越多器件得到供电，电流变化趋势应该是阶梯状递增， 依次是电源、不受CPU控制的外设（内存、FLASH）、CPU、其他外设， 待CPU执行控制代码后，部分外设可能处于低功耗模式，电流随之降低到稳定值＂。
　　理想上电电流变化趋势
　　板卡接上电源，浅鉴不急着按开机键，静静看着示波器的电流是否停留在0mA处，自言自语到：＂电流是0mA， 至少没在电源模块供电前漏电，可以开机了。＂
　　开机前浅鉴提醒白蔡： ＂待会录像记录上电过程电路板状态， 你务必把板卡上的LED灯状态和示波器图像同时拍进去，便于定位各功能模块对应的电流上升位置。＂
　　果然，屏幕上的电流轨迹呈现出纸上的台阶趋势，2秒后不再明显浮动，浅鉴扭动旋钮放大电流垂直刻度单位： ＂电流没抖动是好消息，电流不大可推断CPU之后的外设都没运行，启动过程卡在CPU上。＂说完再万用表检查外设工作状态。
　　白蔡：＂电流什么情况下会抖动？＂
　　＂没抖动则证明不存在某负载反复上电情况。什么是反复上电？若某特别耗电的负载X上电瞬间超过负载X供电模块的额定负荷， 供电模块不堪重负而拉低负载X供电压，直至低于负载X最低工作电压门限，供电模块负载恢复正常、电压升高、电流降低，＂ 浅鉴在纸上画出上下抖动信号， ＂负载X再次导通，反复循环。电路板表现出LED闪烁、蜂鸣器或继电器滴答作响。＂4.2. 时序
　　两人握着3支示波器探头分别接在处理器时钟、供电、复位信号，按下按键瞬间3路 信号都出现高频杂波，时钟和供电几乎同一时刻达到额定有效值，5ms后复位信号干净利落地下拉到0V，保持约5ms再升高至3.3V。
　　实际上电时序
　　浅鉴放大时钟信号刚开始输出震荡波形的位置，晶振供电后电压立即从0V过冲到1V附近，再恢复到455mv位置保持0.5ms的直流信号，接着2ms的时段里晶振震动幅度逐渐增大，直至波峰655mV、波谷0V的正弦时钟，浅鉴说：＂理想状态下，时钟应该在处理器供电前处于稳定状态，电路板上的纽扣电池除了防止BIOS配置丢失、确保关机不丢时间外，还保证处理器供电前时钟已经处于平稳状态。＂
　　时钟启震不稳定区
　　浅鉴赞扬：＂你设计的板卡时钟和供电同时提供，时钟稳定后给予1个足够长的的复位信号，避开这段不可靠时段，避免处理器执行出错，你做得很好。＂
　　理想上电时序
　　＂刚毕业的小屁孩设计的复位电路千篇一律，或者说根本没设计过，为什么呢！教材就那么教的——佛系复位，上电复位单纯依靠RC缓慢充电时间，电容在不同温度条件下可靠性难以保证不失效，那套RC复位电路只为手动复位而设计。＂
　　白蔡：＂那么，这时序就是有效的咯，为什么没跑起来呢？＂
　　浅鉴有给出新的排查方向：＂的确，时序看上去是有效的，为什么跑步起来要问问处理器！第三查，‘查输出状态’。＂5. 查输出状态
　　浅鉴竖起食指落在处理器旁边的存储芯片上：＂处理器Boot载入软件的过程会在硬件留下痕迹，它是‘查输出状态’的对象。你说说怎么找到痕迹？＂
　　计算机启动分为软启动和硬启动，软启动是保持处理器供电的情况下清除内存的数据，重新初始化硬件，重启计算机叫reboot。 硬启动是重新给处理器供电，刚上电时候计算机内存里并没有软件，处理器必须从硬件载入引导软件，这个过程叫做Boot，Boot全称是Bootstrap load（引导装载程序）。
　　白蔡思索着：＂痕迹？处理器和存储芯片有几根通信信号线，示波器测量信号线变化可推断处理器是否已经执行Boot过程。＂
　　白蔡有些为难：＂不过，处理器和存储芯片都是BGA封装，焊盘在芯片底下，示波器探针够不到。＂
　　BGA封装和钢网
　　BGA封装（球栅阵列封装）特点是所有引脚阵列排布在处理器底部，焊接前需在芯片底部焊盘＂植球＂，与芯片同规格的钢网压在芯片上，铜箔从网孔对应位置裸露，刷上焊锡膏，焊锡膏受热后凝结成球固化在芯片底部。
　　＂怎么测试呢？刮掉电路板绿油露出走线铜箔？＂白蔡说着正准备从收纳盒里找刀片，＂虽说线宽不到0.2mm有刮断的风险，也不是没有操作性。＂
　　浅鉴伸手盖上收纳盒子，＂哎~通用电脑的硬启动是从BIOS存储芯片载入引导软件，嵌入式产品的存储介质就丰富许多，EEPROM、NOR Flash、Nand Flash、SATA、SD卡、USB都可能作为存储介质。＂
　　白蔡：＂那处理器究竟怎么知道要从哪个存储介质载入呢？＂
　　浅鉴翻阅文件夹寻找处理器手册：＂通常处理器都有几名称为BOOTx的管脚，电路上拉高、拉低BOOTx管脚告知处理器从哪个存储介质载入，咱们先看看这款处理器支持什么方式BOOT。＂
　　浅鉴打开处理器PDF参考手册，搜索输入＂Boot＂查询，反复按＂下一个＂，眼睛还没来得及看清内容，直到停留在表格名为＂Boot Modes＂的页面： ＂SD卡启动方式也属于本处理器Boot模式之一，电路板也有SD卡外设， 接下来的排场方案：你重新焊接电阻配置BOOTx管脚，Boot选择SD卡模式，示波器测试复位信号后SD卡上是否有时钟信号，若有就好办了。＂
　　怀揣希望地重新配置BOOTx、上电、SD卡数据线电平状态——死寂，再尝试测量时钟线，同样没有反应。
　　浅鉴关掉电源两手摊开：＂没办法，重读芯片手册吧。‘返原理’——重新审查原理设计错误。＂6. 返原理
　　白蔡还抱着侥幸小声问：＂什么！原理就错了？＂
　　浅鉴翘起一边眉毛开导他：＂要不你以为呢！首批研发样品第1块电路板故障，可以安慰自己手气背，抽中焊接有瑕疵的板卡，放下、暂不考虑维修； 又拿起一块电路板还是不能运行，要不再阿Q精神一下！同样的故障发生在第3块。＂
　　浅鉴竖起4根手指：＂我敢说再拿起第4块板卡可运行的概率不超过25%，生产电子垃圾质量达‘三西格玛’指日可待。＂
　　白蔡：＂什么西格玛？＂
　　＂嗨~题外话，以后再教你。＂浅鉴挥手，＂‘三查’只能算是维修步骤，针对单一样品修复质量缺陷。 ‘返原理’是面向产品研发、试产阶段，针对大规模暴露某一类故障现象的追根溯源定位。＂
　　＂刚刚我们测试的电压、电流、时钟参数和原理图设计都一致，会不会是原理图参数就标记错了呢？ 设计师在盖房子的施工图写着＂钢筋加口香糖浇灌＂，施工方严格灌入口香糖，最后房子倒了， 责任人是设计师还是施工方？＂
　　白蔡：＂明白了，我画的原理图哪些位置可能犯‘水泥换口香糖’的错误呢？＂
　　浅鉴：＂历史教训告诉我们，重点检查手册上的所有参数表格底部有‘Note’的文字，重点关注电气特性表格里最大值、最小值、典型值、适用范围、阻容精度要求，对比设计图是否有出入。＂
　　时钟电气特性的＂备注＂栏有个 ＂note 1＂，拉到本页面末尾特别注明：
　　本芯片有两个时钟输入管脚CLK25、CLK125，可自适应25MHz、125MHz两种时钟，使用125MHz时钟源峰值在500800mV之间，使用25MHz时钟源峰值在3.13.4V之间，典型值3.3V。
　　两人对望片刻，拿起板卡仔细看上面标注的时钟频率规格，校对原理图选择的时钟源也是25MHz，再重复之前测量时钟的步骤，确认频率25MHz、峰值655mV。
　　浅鉴微微翘起的嘴角挂满喜悦：＂好家伙、我预感找到了！呵——忙活一下午，就这？＂
　　白蔡麻利的焊接根条线、峰值升高到3.3V。嘿~SD卡时钟信号线抓取到处理器执行Boot过程的痕迹，白蔡撑大双的眼变得明亮，笑盈盈地：＂来来来，另外几块也改了。＂7. 闭环
　　浅鉴收拾桌面：＂别弄了，还有10分钟下班。＂
　　白蔡：＂师傅，你要是当老板我都不好意思带薪摸鱼。＂
　　浅鉴关掉白蔡手中烙铁电源：＂我更看中手下工作质量，眼下无非弄错1张原理图、5块电路板、两人3小时日薪。你有更重要的事情——‘闭环’。原理图上的错误必须下班前改掉，项目档案记录故障现象、处理方法，杜绝再犯。＂
　　浅鉴坏笑：＂明早上内卷一下，提前半小时来公司把剩下几块电路板修复。＂ 晚上8点，浅鉴手机收到一封公司内网论坛博文推送，文章标题《＂三查一返＂在故障排查的应用》，作者：白蔡。
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