嘉峪检测网 2024-07-24 08:30
导读：PC模块在进行静电放电测试时，发现对双层USB端子、RJ45端子的金属外壳进行±6KV接触放电测试时出现显示黑屏、画异，拔插HDMI信号后无法正常显示，系统出现宕机、死机现象。
问题现象描述：
PC模块在进行静电放电测试时，发现对双层USB端子、RJ45端子的金属外壳进行±6KV接触放电测试时出现显示黑屏、画异，拔插HDMI信号后无法正常显示，系统出现宕机、死机现象。
对耳机端子进行±15KV空气放电测试时，也会出现显示黑屏、画异，拔插HDMI信号后无法正常显示，系统出现宕机、死机现象。更换不同的测试样品，测试结果相同，排除个案问题；更换不同的测试场地测试结果相同，排除测试场地的影响。
图1：PC模块实物图
问题现象分析：
根据出现的黑屏、画异后系统宕机、死机现象判断是系统奔溃导致，而对于PC产品来说引起系统奔溃的原因如下：
1、CPU受到静电放电干扰，导致其工作状态异常，系统奔溃后出现宕机、死机现象。
2、DDR模块电路受到静电放电干扰，导致与CPU之间数据交换错误，引发系统奔溃后出现宕机、死机现象。
3、静电放电干扰引发系统供电电源电压波动，波动范围超过系统供电电压容限范围时，系统工作异常出现宕机、死机现象。
4、系统存储模块如SATA硬盘、固态硬盘等模块受到静电放电干扰，出现数据交换错误，从而导致系统奔溃，宕机。
图2：端子金属外壳贴导电布于屏蔽盒体上
该产品的设计工程师反馈已经尝试过的如下改善试验：
1、将RJ45端子的金属外壳用导电胶布贴附于屏蔽盒上，将静电放电干扰直接泄放到金属屏蔽盒体上，降低流过板卡上的静电电流，减小对板卡上敏感信号的冲击。
2、将双层USB端子的金属外壳用导电胶布贴附于屏蔽盒上，将静电放电干扰直接泄放到金属屏蔽盒体上，降低流过板卡上的静电电流，减小对板卡上敏感信号的冲击。
3、将HDMI端子的金属外壳用导电胶布贴附于屏蔽盒上，将静电放电干扰直接泄放到金属屏蔽盒体上，降低流过板卡上的静电电流，减小对板卡上敏感信号的冲击。
4、HDMI端子接地引脚底层增加焊锡，加大接触面后使用导电泡棉到金属屏蔽盒，企图使流入板卡的静电电流再次分流到屏蔽金属盒。
5、双层USB端子接地引脚底层增加焊锡，加大接触面后使用导电泡棉到金属屏蔽盒，企图使流入板卡的静电电流再次分流到屏蔽金属盒。
6、RJ45端子接地引脚底层增加焊锡，加大接触面后使用导电泡棉到金属屏蔽盒，企图使流入板卡的静电电流再次分流到屏蔽金属盒。
尝试对策验证结果：静电放电测试结果，改善效果不明显，证明对策无效。
图3：产品PCB Layout图
根据产品电子工程师提供的排查试验，基本排除板卡接地状态的影响，根据问题现象进行USB、RJ45、HDMI、耳机端子 PCB Layout的排查：
1、查阅PCB Layout 图，未发现有CPU、DDR芯片的控制信号、供电电源布线靠近USB端子附近，不存在敏感信号靠近USB端子被静电放电干扰的可能性。
2、查阅PCB Layout 图，未发现有CPU、DDR芯片的控制信号、供电电源布线靠近RJ45端子附近，不存在敏感信号靠近USB端子被静电放电干扰的可能性。
3、查阅PCB Layout 图，未发现有CPU、DDR芯片的控制信号、供电电源布线靠近HDMI端子附近，不存在敏感信号靠近USB端子被静电放电干扰的可能性。
4、拆机分析过程中，注意到DDR模块靠近金属外壳非常近，初步怀疑可能是DDR电路模块受到金属屏蔽壳体上静电放电噪声干扰，与电子工程师沟通确认到如下信息：
5、此PC模块支持双DDR插槽，可以同时使用双DDR模块，当单独使用左侧DDR插槽的时候，静电放电测试结果是符合标准要求的，结论判定PASS。
6、当单独使用正上方DDR插槽的时候，静电放电测试结果是不符合标准要求的，结论判定Fail；同时使用两颗DDR插槽的时候，静电放电测试结果是不符合标准要求的，结论判定Fail。
图4：更换DDR插槽试验图示
问题根因分析：
不同DDR插槽使用相同DDR颗粒静电放电测试结果差异巨大，分析判断问题产生的原因有如下可能性：
1、左侧DDR插槽在插入DDR颗粒后，DDR颗粒距离金属屏蔽壳体比正上方DDR插槽在插入DDR颗粒后距离金属屏蔽壳体的距离大很多，静电放电时屏蔽金属壳体对DDR颗粒的干扰要小。
2、左侧DDR插槽PCB Layout布线信号参考的完整性相比于正上方DDR插槽PCB Layout布线信号参考的完整性要更优，对静电放电干扰免疫力更强。
不同DDR插槽PCB Layout对比分析情况如下：
1、左侧DDR插槽信号布线在1、3层，其中顶层信号参考第2层完整的地平面，3层信号布线参考底层完整的地平面。
2、正上方DDR插槽信号布线在1、3层，其中顶层与第3层的数据信号、DQS、关键控制信号布线分别参考第2层和底层完整的地平面；顶层与第3层的地址信号布线参考第2层和底层完整的DDR供电电源平面。
3、地址信号线参考DDR本身的供电电源平面有过很多成功案例，暂且不怀疑地址信号线与数据信号线参考不同平面的影响。
在正上方DDR插槽中分别使用不同品牌DDR颗粒，进行静电放电测试验证，结果如下：
1、正上方DDR插槽使用金士顿内存条，进行静电放电测试时，测试结果不符合内部管控标准要求，判定结果Fail。
2、正上方DDR插槽使用合肥长鑫内存条，进行静电放电测试时，测试结果符合内部的管控标准要求，判定结果PASS。
3、使用合肥长鑫DDR内存条验证两台机器，反复测试多次结果均符合内部管控标准要求，判定结果PASS。
图5：不同品牌内存颗粒静电放电测试结果对比
问题根因分析：
静电放电干扰对DDR颗粒耦合路径分析如下：
1、对金属端子的外壳进行进行静电放电测试时，由于金属端子外壳与屏蔽金属壳体直接连接，或者静电放电直接耦合到金属屏蔽壳体上，由于金属壳体本身未接地，金属壳体则很容易积累电荷，存在电场干扰。
2、由于结构设计、PCB Layout布局设计原因，正上方DDR插槽插上DDR颗粒后使得DDR颗粒本体靠近金属屏蔽壳体，金属壳体上的静电放电干扰通过空间耦合到DDR颗粒上面，加之DDR颗粒本身抗静电能力差异，导致DDR颗粒工作异常，数据交换错误，引起系统奔溃，出现黑屏、画异后系统宕机、死机现象。
3、通过观察、分析合肥长鑫与金士顿的内存颗粒PCB Layout图，判断差异来自DDR布线与PCB边缘距离差异导致；具体就是金士顿内存颗粒PCB布线更靠近PCB边缘，而合肥长鑫的内存颗粒PCB Layout布线距离板边较远。
图6：DDR颗粒静电放电干扰耦合路径图解
问题解决方案
问题解决方案（一）：
修改PCB Layout设计，将正上方DDR插槽内移，使其远离金属屏蔽壳体，降低两者之间的空间耦合。
问题解决方案（二）：
使用单颗DDR内存时，优先使用左侧DDR插槽，避免使用正上方的DDR插槽，避免DDR颗粒被金属屏蔽壳体上的静电噪声干扰。
问题解决方案（三）：
当使用两颗DDR内存时，优先使用合肥长鑫生产制造的DDR颗粒，增强DDR颗粒本身的抗静电放电干扰的能力。
【案例总结】：
PCB Layout设计过程中，在PCB布局评审时应重点关注DDR模块电路等敏感信号、电路、元件远离PCB板边缘，或者远离静电放电测试点，避免静电放电测试或者其它抗骚度时干扰敏感信号。
对于内存条这类敏感器件更换时不仅仅需要测试辐射发射，还需要进行抗骚度性能的测试，同时需要关注应用场景的影响。
不同厂商、不同品牌的关键器件导入时，需要进行相关的EMC性能测试，并做好充分的性能评估，否则可能导致严重的EMI问题或严重的抗骚度问题。
来源：风陵渡口话EMC
