Trong quá trình sản xuất và kiểm tra bo mạch điện tử, Jig Test đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện các lỗi về linh kiện, kết nối và tham số điện trước khi sản phẩm được đưa vào sử dụng. Bên cạnh kiểm tra ngoại quan như sai lệch linh kiện hay chất lượng mối hàn, việc đo các tham số điện giúp xác định bo mạch có đang hoạt động đúng theo thiết kế hay không.

Một quy trình kiểm tra Jig Test thường được chia thành hai giai đoạn chính: đo trước khi cấp nguồn và đo sau khi cấp nguồn. Mỗi giai đoạn có mục đích và phương pháp đo khác nhau nhằm đảm bảo an toàn cho bo mạch cũng như thiết bị kiểm tra.

Trong bài viết này, hãy cùng tìm hiểu các tham số điện thường được Jig Test đo và phương pháp đo cụ thể.

Jig Test Thường Đo Những Tham Số Điện Nào?

Tùy thuộc vào thiết kế của từng bo mạch, Jig Test có thể kiểm tra nhiều loại tham số điện khác nhau. Tuy nhiên, trong quy trình cơ bản, hai thông số quan trọng thường được kiểm tra là:

• Trở kháng/điện trở tĩnh trước khi cấp nguồn.
• Điện áp DC sau khi cấp nguồn.

Việc chia thành hai giai đoạn giúp hệ thống kiểm tra phát hiện lỗi từ sớm, đồng thời hạn chế nguy cơ cấp nguồn vào một bo mạch đang tồn tại lỗi ngắn mạch.

Đo Tham Số Điện Trước Khi Cấp Nguồn

Trước khi cấp nguồn cho bo mạch, Jig Test cần thực hiện các phép đo nhằm xác định trạng thái ban đầu của mạch.

Một trong những phép đo quan trọng nhất là đo trở kháng trên các đường nguồn (power rail).

Đo Trở Kháng Để Làm Gì?

Mục đích chính của việc đo trở kháng tĩnh trên từng rail nguồn trước khi cấp điện là phát hiện sớm hiện tượng ngắn mạch hoặc rò dòng bất thường giữa đường nguồn và Mass.

Phương Pháp Đo Dùng Nguồn Dòng

Phương pháp đo sử dụng nguồn dòng hoạt động dựa trên việc bơm một dòng điện DC hằng số có giá trị nhỏ \(I_{test}\) qua rail nguồn và đo sụt áp tương ứng \(V_{meas}\) để tính điện trở tĩnh \(R = \frac{V_{meas}}{I_{test}}\).

Các pogo pin trên jigtest kết nối các điểm kiểm tra với thiết bị đo và đưa thông số đo về máy để thực hiện tính toán. Khi xuất hiện trở kháng nhỏ dưới ngưỡng (mạch thông giữa VCC và GND) hệ thống kiểm tra sẽ thông báo kết quả fail.

Thực tế khi tính toán đến sai số đo lường, mạch đo trở kháng bằng nguồn dòng được mô hình như sau:

Vấn đề chính của phương pháp đo 2 dây là điện trở dây dẫn gây sụt điện áp, khi đó thiết bị \(V_M\) sẽ đo sai lệch điện áp rơi trên RUT (Resistance Under Test) và dẫn đến sai sổ khi hệ thống tính toán giá trị điện trở. Vì vậy cần giải quyết vấn đề sai số bằng phương pháp sử dụng mô hình mạch 4 dây như sau:

Để giảm sai số của hiện tượng sụt áp trên đường dây cấp, hệ thống đã tách dây nguồn và dây đo thành cấu hình đo điện trở 4 dây (phương pháp Kelvin). Trong cấu hình này, nhánh thiết bị đo và nhánh cấp nguồn dòng được tách riêng để đo được chính sác điện áp rơi trên RUT. Lưu ý nên đặt thiết bị đo gần RUT để giảm sai số.

Phương Pháp Đo Dùng Nguồn Áp

Phương pháp đo trở kháng được sử dụng xác định giá trị điện trở tại 2 điểm cần đo. Nếu \(R_x\) có giá trị nhỏ, xuất hiện dòng diện sẽ đo được điện áp tại \(R_F\) vậy mạch thông và ngược lại. Lưu ý trong cấu hình trên là sử dụng nguồn Vs = 0, 2V DC để tránh làm mở các phân cực p/n của linh kiện, sử dụng các relay đóng, mở để đo nhiều node với nhau trong một lần đo.

Đo Tham Số Điện Sau Khi Cấp Nguồn

Sau khi bo mạch vượt qua bước kiểm tra trở kháng, hệ thống mới tiến hành cấp nguồn thực tế.

Lúc này, Jig Test sẽ kiểm tra điện áp tại các đường nguồn và những vị trí quan trọng trên PCB nhằm đánh giá trạng thái hoạt động của mạch.

Một phương pháp phổ biến là sử dụng ADC (Analog-to-Digital Converter) để đo điện áp.

Đo Điện Áp Bằng ADC

Sau khi đạt tiêu chuẩn kiểm tra điện trở, hệ thống sẽ tiến hành cấp nguồn thực tế và đo điện áp trên từng rail, kiểm tra các nguồn áp đầu vào/ra các tầng hạ áp, các chân linh kiện nhằm đánh giá chính xác trạng thái hoạt động của mạch

Phương Pháp Đo

Việc xác định trước mức điện áp danh định tại điểm đo là bước bắt buộc nhằm lựa chọn tỷ lệ cầu phân áp và dải đo phù hợp, tránh nguy cơ quá áp gây hư hỏng thiết bị thu thập dữ liệu và vi điều khiển.

Trong thiết kế Jig Test, các mức điện áp DC được phân chia thành từng nhóm tiêu chuẩn bao gồm: dải điện áp thấp (1.2V; 1.8V; 3.3V), dải điện áp cao (5V). Mỗi nhóm sẽ tương ứng với một hệ số chia điện áp riêng biệt, đảm bảo tín hiệu đưa vào chân ADC luôn nằm trong vùng an toàn 0 – 3.3V.

Để lựa chọn mạch đo phù hợp, kỹ sư thiết kế cần nắm rõ các điểm đo và xác định chính xác dải điện áp cần đo nhằm tránh gây hư hỏng cho thiết bị kiểm tra cũng như bo mạch điện tử. Đồng thời, người thiết kế luôn phải tích hợp phương án bảo vệ để phòng ngừa trường hợp đấu nối sai điểm.

Đối với dải điện áp thấp:

Đối với dải điện áp 0 – 3.3V, tín hiệu từ điểm đo \(V_{đo}\) nằm trong ngưỡng an toàn của vi điều khiển nên được đưa trực tiếp vào tầng đệm Op-Amp.

• Buffer khuếch đại đơn vị:
• Hệ số khuếch đại \(A_v\) = 1
• Tạo trở kháng đầu vào rất cao;
• Tạo trở kháng đầu ra thấp;
• Cách ly tầng trước với tầng sau;
• Giúp tín hiệu \(V_{đo}\) cấp được tải lớn hơn mà ít bị sụt áp;

Tín hiệu đo tiếp tục qua mạch lọc RC để lọc nhiễu tần số cao và hạn dòng đầu vào MCU (Microcontroller Unit), giúp ổn định giá trị đọc ADC.

Đồng thời, mạch kẹp áp sử dụng cặp diode Schottky để ghim điện áp vào vi điều khiển:

Khi xảy ra sự cố quá áp (\(V_{đo}\) > 3.3V + \(V_F\)): Diode bảo vệ quá áp sẽ phân cực thuận và dẫn thông, xả dòng điện dư thừa về đường nguồn 3.3V, ghim điện áp đầu vào không vượt quá 3.3V + \(V_F\)

Khi xảy ra sự cố áp âm (\(V_{đo}\) < \(V_F\)): Diode bảo vệ ngược áp sẽ dẫn thông, xả dòng điện từ GND về điểm đo để nâng điện thế tại chân MCU, giữ cho điện áp không tụt sâu dưới mức –\(V_F\).

(Trong đó, \(V_F\) là điện áp dẫn thuận của diode Schottky).

Lựa chọn diode schotky vì:

Điện áp dẫn thuận (\(V_F\)) thấp (0.2 – 0.3V): Giúp ghim điện áp không vượt quá ngưỡng chịu đựng an toàn của chân vi điều khiển.

Tốc độ đáp ứng nhanh: Kích mở tức thì để dập tắt các xung điện áp quá áp/áp âm đột ngột, bảo vệ vi điều khiển kịp thời.

Hình bên trái minh họa hiện tượng nhiễu,, điện áp đầu vào dâng cao kéo theo điện áp đầu ra bị tăng lên theo gây nguy hiểm cho MCU. Hình bên phải minh họa kết quả sau khi qua mạch kẹp áp bảo vệ (dùng Diode Schottky): điện áp đầu ra (đường màu tím) được ghim hoàn toàn cố định ở mức an toàn ngay cả khi tín hiệu điện áp đầu vào (đường màu vàng) tiếp tục tăng vọt, đảm bảo vi điều khiển không bị hư hỏng.

Đối với dải điện cao:

Với dải điện áp cao sử dụng cầu phân áp \(R_1\), \(R_2\) để hạ mức điện áp đo. Tụ điện \(C_2\) giúp lọc nhiễu đầu vào. Tín hiệu đầu ra tiếp tục qua bộ đệm và bộ lọc RC để triệt tiêu nhiễu cao tần, kết hợp cùng mạng Diode Schottky để ghim áp bảo vệ. Với mỗi mức/dải điện áp cần tính toán giá trị \(R_1\), \(R_2\) cho phụ hợp.

Dưới đây là bảng giá trị \(R_1\), \(R_2\) ứng với mỗi mức điện áp.

Đối với nhiều dải đo:

Trong thực tế sản xuất và kiểm thử phần cứng, các bo mạch điện tử (DUT – Device Under Test) thường làm việc với nhiều mức điện áp khác nhau. Do đó, giải pháp thiết kế Jig test tích hợp đa dải đo trên một nền tảng phần cứng duy nhất nhằm tối ưu hóa chi phí.

Tín hiệu đầu vào qua khối Connector được đưa về các đường phân áp tương ứng để đảm bảo an toàn cho MCU (Microcontroller Unit). Khối Selector sử dụng các điện trở 0Ω , nút bấm,… để thiết lập thang đo phù hợp, giúp MCU nhận biết dải đo hiện tại và áp dụng hệ số nhân chuẩn xác trong firmware. Giải pháp này giúp tối ưu chi phí sản xuất, linh hoạt tùy chọn lắp ráp và tránh nhầm lẫn khi vận hành.

Với DUT có nhiều rail nguồn cùng đo, thiết kế Jigtest phụ thuộc lớn vào số lượng điểm đo thực tế. Việc sử dụng nhiều MCU là không phù hợp do lãng phí chi phí, tốn diện tích PCB và làm phức tạp hóa phần mềm. Với số lượng rail nguồn vừa phải, có thể dùng trực tiếp các chân GPIO (General-Purpose Input/Output) của MCU điều khiển Relay để tối ưu thiết kế.

Khi số điểm đo vượt quá số chân GPIO, giải pháp hiệu quả là kết hợp MCU với khối MUX (Multiplexer) mở rộng hoặc sử dụng các IC ADC đa kênh chuyên dụng (như ADS1115) để truyền dữ liệu đo về MCU qua các chuẩn giao tiếp nối tiếp.

Lưu ý khi sử dụng nhiều IC ADC đa kênh: Đây là phương án chuyên biệt, thường được thiết kế tùy chỉnh cho từng dòng mạch cụ thể. Để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho hệ thống đo, mỗi IC đều cần có mạch phân áp và mạch bảo vệ đầu vào riêng biệt. Mặc dù làm tăng độ phức tạp trong thiết kế phần cứng, giải pháp này mang lại tốc độ lấy mẫu cao, độ chính xác vượt trội so với ADC tích hợp của MCU, đồng thời giảm đáng kể gánh nặng xử lý cho vi điều khiển chính.

Lời Kết

Đo tham số điện là một trong những công đoạn quan trọng nhất trong quá trình kiểm tra PCB bằng Jig Test. Trước khi cấp nguồn, hệ thống có thể sử dụng phương pháp nguồn dòng để đo trở kháng, từ đó phát hiện nguy cơ ngắn mạch giữa các đường nguồn và GND. Sau khi bo mạch đạt yêu cầu, hệ thống tiến hành cấp nguồn và sử dụng ADC để đo điện áp tại các rail nguồn và Test Point quan trọng.

Để thiết kế một Jig Test hiệu quả, kỹ sư không chỉ cần quan tâm đến độ chính xác của phép đo mà còn phải tính đến dải điện áp, tỷ lệ cầu phân áp, giới hạn ADC và các phương án bảo vệ. Việc hiểu rõ đặc tính của bo mạch và lựa chọn đúng phương pháp đo chính là yếu tố then chốt để xây dựng một hệ thống Jig Test chính xác, an toàn, ổn định và tối ưu chi phí.