如果有人問開發(fā)電子產(chǎn)品和維修電子產(chǎn)品中重要的儀器是什么，也許普通技術(shù)人員可能會(huì)說是萬用表和示波器，搞高頻的工程師可能會(huì)說是頻譜和網(wǎng)分。確實(shí)，這些常用儀器對(duì)電子開發(fā)和維修有不可代替的作用，可是不能否定的是，它們也有相當(dāng)?shù)木窒扌?。?dāng)遇到諸如電路板短路，元件反焊或復(fù)雜的不明電路維修時(shí)就幾乎無從下手。然而，也有一種不常用儀器能在這些場合中發(fā)揮化腐朽為神奇的作用。這就是本文的主角—熱像儀。

熱像儀實(shí)質(zhì)就是一個(gè)相機(jī)，與普通相機(jī)不同的只是它的敏感區(qū)間不是波長為幾百nm的可見光，而是波長為8-15um范圍內(nèi)的紅外線，也是物體輻射熱量時(shí)發(fā)出的光波區(qū)域。下面是兩臺(tái)熱像儀的照片。

這是熱像儀的正面，主要是鏡頭和激光發(fā)射器：

這是熱像儀的背面，通常是屏和操作鍵：

對(duì)于熱像儀來說，下表的幾項(xiàng)參數(shù)為重要。

除上表外，還有諸如測溫范圍、視場角、調(diào)焦方式、是否帶光學(xué)融合功能之類等等參數(shù)，不過對(duì)于本文用途影響不大。（為更清晰表現(xiàn)純粹的紅外熱像，本文照片是在關(guān)閉儀器的溫度顏色指示條和光學(xué)融合功能后拍攝的，并且使用常用的鐵紅色譜。）

下圖是普通光學(xué)相機(jī)對(duì)一片正在工作的一體機(jī)主板拍出的照片：

下面是兩臺(tái)不同像素機(jī)型拍攝上圖照片中黃框內(nèi)區(qū)域的熱像圖：

由上面的熱像圖可以看出，不同分辨率的機(jī)器，拍得的圖像在清晰度上很大差別。當(dāng)然對(duì)于一般的開發(fā)和維修來說，并不以追求圖片清晰為目的，所以很多情況下，160*120的分辨率依然是夠用的。相比而言，是否可以將焦距調(diào)到足夠近倒是決定性的因素，定焦機(jī)和近焦距不能小于0.5M的機(jī)器并不適合本文介紹的用途。除了提供熱像照片外，熱像儀傳感器的每個(gè)像素點(diǎn)都相當(dāng)于一個(gè)紅外測溫計(jì)，能測出物件此處的具體溫度值。

簡單介紹完熱像儀之后，下面就用幾個(gè)例子說明熱像儀在開發(fā)和維修中的應(yīng)用。

下圖是一片朋友帶來的HP原裝主板，此板一直工作正常但某日突然出現(xiàn)不能開機(jī)的故障

簡單檢查后發(fā)現(xiàn)，原因是主板的3.3V輸入端對(duì)地短路導(dǎo)致電源保護(hù)。懷疑是板內(nèi)某二三極管或退耦電容擊穿所致。由于板子電路非常復(fù)雜，是多層板而短路又偏偏是常用的3.3V輸入端，用傳統(tǒng)的“分區(qū)域割線法”來縮小故障范圍明顯不可行。

考慮到擊穿型短路故障點(diǎn)一般面積較小，電阻相對(duì)電源走線和鋪銅層要大，根據(jù)功率公式P = I^2*R可知，給電路板供電后，故障點(diǎn)的發(fā)熱肯定比電源走線和鋪銅層大，此時(shí)只要用熱像儀觀察就很容易找到故障點(diǎn)。于是，將主板的3.3V輸入端和地間接上穩(wěn)壓電源。為防止燒壞其它電路，將電源電壓調(diào)至0.4V，電流定為2A，通電后，穩(wěn)壓電源進(jìn)入恒流狀態(tài)，輸出電壓跌至0.3V。  

下圖是通電前和通電后的穩(wěn)壓電源面板內(nèi)容：

通電后立即用熱像儀觀察全板，發(fā)現(xiàn)板子的右下方出現(xiàn)明顯的高溫點(diǎn)。

下圖是主板故障位置在通電前和通電后的熱像圖：

仔細(xì)查看后，確定發(fā)熱的是網(wǎng)卡旁邊的一顆積層電容。拆下電容測量，發(fā)現(xiàn)果然短路。立即用一顆0.1uF的新電容焊上，通電試機(jī)，主板恢復(fù)正常。

下圖為主板的左下角照片，其中紅框內(nèi)的元件就是短路的電容：

 除了電源短路，對(duì)于一些線路密度較高的電路板，信號(hào)線短路也很常見，尤其是未經(jīng)測試架測試過的調(diào)試用板。普通工程師遇到這種情況，通常會(huì)使用“分區(qū)域割線法”將線路分段割開，不斷縮小短路區(qū)域，直至發(fā)現(xiàn)短路點(diǎn)。這種方法雖然簡單易行，但是弊端也是很明顯的，首先是查找速度慢，其次是一割一連間給板子增加無端的傷痕和隱患，再者也影響板子外觀。

下圖是為一片測試板的局部（文中的部分電路板是代客戶開發(fā)的，為保密需要，部分光學(xué)照片只顯示局部，部分電路板不提供光學(xué)照片只提供熱像圖，請(qǐng)大家諒解 ）。

由照片可見板子有很多很密的輸入線（大約是0.15mm線寬，0.1mm線距），調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)某兩條輸入線的信號(hào)相互影響，用萬用表測試證實(shí)有兩條輸入線相互短路（照片中紅框內(nèi)）。這兩條線在板內(nèi)的并行路徑很長，肉眼簡單檢查未找到明顯的短路痕跡。于是，將這兩條線間接上穩(wěn)壓電源，將電源電壓調(diào)至0.4V，由于線路較細(xì)，發(fā)熱比較明顯，只需將電流限定為1A即可。通電后，電源進(jìn)入的是恒壓狀態(tài)，看來線路的電阻確實(shí)比較大的。

下圖是通電前和通電后的穩(wěn)壓電源面板內(nèi)容：

下圖是通電后的熱像圖：

用熱像儀觀察電路板，可以看到拼排的兩條橙紅線由引腳即電源注入點(diǎn)一直延伸到線路的某拐彎位置，此后橙紅線消失。由此判斷，短路點(diǎn)應(yīng)該就在橙紅線消失的拐彎位。再次仔細(xì)查看此處線路，仍未發(fā)現(xiàn)短路點(diǎn)。于是，試用美工刀在橙紅線消失點(diǎn)位置的兩線間隙處輕割幾下，再用萬用表測量，短路消除?？磥韱栴}在于電路板腐蝕線路時(shí)未將線間銅箔完全溶化，殘余了肉眼難見的細(xì)絲相連，導(dǎo)致線間短路。

對(duì)于非批量焊接的調(diào)試用板，IC、二極管、極性電容反焊問題很常見，大部分的器件反焊都會(huì)帶來電源負(fù)荷劇增，對(duì)應(yīng)元件出現(xiàn)發(fā)熱甚至燒壞。與電源短路相似，當(dāng)電路板的元件密度很高或電路結(jié)構(gòu)很復(fù)雜時(shí)，憑借肉眼來查找問題元件也是比較困難的。在這種情況下，熱像儀也能發(fā)揮事半功倍的效用。

下圖是某專用機(jī)器的操作面板：

這片板的正反面都焊有不少IC和其它元件。焊好測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，板的電源雖然沒有直接對(duì)地短路，但是整板耗電比正常值高出很多，連接主機(jī)后根本無法工作。試用熱像儀查找故障。將面板的電源輸入端接上穩(wěn)壓電源，電壓設(shè)定為板的正常工作電壓3.3V，電流限定為1A。上電后，電源進(jìn)入恒流狀態(tài)。

下圖是通電前和通電后的穩(wěn)壓電源面板內(nèi)容：

用熱像儀觀察電路板，發(fā)現(xiàn)其中一組8字管中的一個(gè)發(fā)出高熱。

下圖是電路板通電后的熱像圖：

隨即斷電檢查此元件和附近電路，確定是驅(qū)動(dòng)此8字管的一片74HC595反焊。更換74HC595和8字管后，板子恢復(fù)正常。      

上面說的幾個(gè)例子都是常見的“硬故障”型的，這類故障一旦出現(xiàn)，電路板就不能正常工作。理論上說只要有足夠的恒心和耐力，即便只用肉眼和萬用表，逐個(gè)元件排查也是有可能找出故障點(diǎn)的。但是對(duì)于明知有問題卻依然可以正常工作 “軟故障”型電路板，排查的難度將變得更高。

有一次為客戶開發(fā)一種一體化工控板（主體有ARM處理器，SDRAM，F(xiàn)LASH等元件），電路調(diào)試完成后，板子工作正常，但就是3.3V的電源消耗比預(yù)算了大了200-300mA。反復(fù)查看電路圖和系統(tǒng)固件都沒發(fā)現(xiàn)問題。于是，抱著試一試的心態(tài)，取出熱像儀觀察，通電后一眼就見到板子的ARM處理器（BGA封裝）的一個(gè)角落出現(xiàn)不尋常的發(fā)熱點(diǎn)。查看處理器的規(guī)格書，得知此位置引出的是一組GPIO，再看電路原理圖，發(fā)現(xiàn)這組GPIO并沒有被使用，但為了防止?fàn)顟B(tài)隨機(jī)翻轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)原理時(shí)直接將此組GPIO的引腳接到了電源地上。馬上讓軟件工程師檢查固件中這組GPIO的配置，結(jié)果讓一切豁然開朗。原來，這組GPIO被誤配置為推挽輸出模式，且被設(shè)為輸出高電平。隨即修改固件，將GPIO設(shè)為輸入，再通電測試，發(fā)熱點(diǎn)消失，3.3V電源消耗也降到了預(yù)定范圍。

很多時(shí)候，電路板或元件發(fā)熱都意味的不正常。但有些時(shí)候卻恰好相反。

不久前，朋友抱來一臺(tái)老舊的量產(chǎn)型編程器，機(jī)器帶有16個(gè)編程口，能同時(shí)燒錄16枚芯片?，F(xiàn)在編程器檢測芯片的功能正常，但是一開始燒錄就立即報(bào)錯(cuò)。拆開機(jī)器，瞬時(shí)眼花，里面結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜。電路板不下十片，都是直插件和一些貼片的FPGA器件，不要說分析故障，單單是將板逐片看一次都會(huì)頭暈。本著先易后難原則，先檢查電源板，各輸出電壓正常，再用電子負(fù)載檢查帶載能力，也一切正常。隨后查看一次電路板，未發(fā)現(xiàn)脫焊。程咬金三板斧耍完了，維修頓時(shí)陷入僵局。失望之際，再度搬出熱像儀，仔細(xì)查看每片板的發(fā)熱情況，當(dāng)看到一片焊著4個(gè)TO220封裝元件還裝著碩大散熱架的板時(shí)，疑點(diǎn)出現(xiàn)，這4個(gè)元件中的有三個(gè)都不同程度地發(fā)熱，但是其中一個(gè)卻完全冰涼。查看元件型號(hào)為L165，是一顆大功率的電流運(yùn)算放大器，估計(jì)是給燒錄用的IC提供邏輯電壓用的。測量L165的各管腳，發(fā)現(xiàn)供電正常，但是放大器的正端比反相端高出近200mV，輸出端電壓卻依然很低。結(jié)合器件不發(fā)熱的情況，基本可以判定此IC失效。買回新IC后換上，編程器恢復(fù)正常工作。

由于在修理此編程器時(shí)沒有留下任何光學(xué)照片和熱像圖，為方便大家理解特用其它器件模擬出當(dāng)時(shí)的情況。與實(shí)際不同的是，真實(shí)中電路板上的元件是4個(gè)L165，但模擬用的是4個(gè)TIP42C三極管。

下面是模擬電路的光學(xué)照片：

下面是模擬電路的熱像圖：

以上是我在開發(fā)和維修過程中印象較為深刻的使用熱像儀的幾個(gè)實(shí)例，但熱像儀在開發(fā)和維修中的應(yīng)用絕不于此。從原理上說能量總是不生不滅的，輸入電路板的電能除小部分轉(zhuǎn)化為聲能和光能外，絕大部分將轉(zhuǎn)化為熱能。故此，通過觀察和分析元件和線路的發(fā)熱，往往能很好地了解它們的工作狀態(tài)，找出藏在暗處的問題元件和線路。毫無疑問，觀察電路板熱像這種新穎的測量方法將是以萬用表和示波器為主角的傳統(tǒng)測量方法的有益補(bǔ)充。隨著熱像儀的體積越來越小，價(jià)格逐步走低，相信終有一天它能像萬用表和示波器一樣，出現(xiàn)在每個(gè)電子工程師和維修人員的工作臺(tái)上。