PC模塊靜電放電出現(xiàn)宕機黑屏現(xiàn)象問題分析與調(diào)試

問題現(xiàn)象描述：

PC模塊在進行靜電放電測試時，發(fā)現(xiàn)對雙層USB端子、RJ45端子的金屬外殼進行±6KV接觸放電測試時出現(xiàn)顯示黑屏、畫異，拔插HDMI信號后無法正常顯示，系統(tǒng)出現(xiàn)宕機、死機現(xiàn)象。

對耳機端子進行±15KV空氣放電測試時，也會出現(xiàn)顯示黑屏、畫異，拔插HDMI信號后無法正常顯示，系統(tǒng)出現(xiàn)宕機、死機現(xiàn)象。更換不同的測試樣品，測試結(jié)果相同，排除個案問題；更換不同的測試場地測試結(jié)果相同，排除測試場地的影響。

圖1：PC模塊實物圖

問題現(xiàn)象分析：

根據(jù)出現(xiàn)的黑屏、畫異后系統(tǒng)宕機、死機現(xiàn)象判斷是系統(tǒng)奔潰導(dǎo)致，而對于PC產(chǎn)品來說引起系統(tǒng)奔潰的原因如下：

1、CPU受到靜電放電干擾，導(dǎo)致其工作狀態(tài)異常，系統(tǒng)奔潰后出現(xiàn)宕機、死機現(xiàn)象。

2、DDR模塊電路受到靜電放電干擾，導(dǎo)致與CPU之間數(shù)據(jù)交換錯誤，引發(fā)系統(tǒng)奔潰后出現(xiàn)宕機、死機現(xiàn)象。

3、靜電放電干擾引發(fā)系統(tǒng)供電電源電壓波動，波動范圍超過系統(tǒng)供電電壓容限范圍時，系統(tǒng)工作異常出現(xiàn)宕機、死機現(xiàn)象。    

4、系統(tǒng)存儲模塊如SATA硬盤、固態(tài)硬盤等模塊受到靜電放電干擾，出現(xiàn)數(shù)據(jù)交換錯誤，從而導(dǎo)致系統(tǒng)奔潰，宕機。

 圖2：端子金屬外殼貼導(dǎo)電布于屏蔽盒體上

該產(chǎn)品的設(shè)計工程師反饋已經(jīng)嘗試過的如下改善試驗：

1、將RJ45端子的金屬外殼用導(dǎo)電膠布貼附于屏蔽盒上，將靜電放電干擾直接泄放到金屬屏蔽盒體上，降低流過板卡上的靜電電流，減小對板卡上敏感信號的沖擊。

2、將雙層USB端子的金屬外殼用導(dǎo)電膠布貼附于屏蔽盒上，將靜電放電干擾直接泄放到金屬屏蔽盒體上，降低流過板卡上的靜電電流，減小對板卡上敏感信號的沖擊。

3、將HDMI端子的金屬外殼用導(dǎo)電膠布貼附于屏蔽盒上，將靜電放電干擾直接泄放到金屬屏蔽盒體上，降低流過板卡上的靜電電流，減小對板卡上敏感信號的沖擊。

4、HDMI端子接地引腳底層增加焊錫，加大接觸面后使用導(dǎo)電泡棉到金屬屏蔽盒，企圖使流入板卡的靜電電流再次分流到屏蔽金屬盒。    

5、雙層USB端子接地引腳底層增加焊錫，加大接觸面后使用導(dǎo)電泡棉到金屬屏蔽盒，企圖使流入板卡的靜電電流再次分流到屏蔽金屬盒。

6、RJ45端子接地引腳底層增加焊錫，加大接觸面后使用導(dǎo)電泡棉到金屬屏蔽盒，企圖使流入板卡的靜電電流再次分流到屏蔽金屬盒。

嘗試對策驗證結(jié)果：靜電放電測試結(jié)果，改善效果不明顯，證明對策無效。

圖3：產(chǎn)品PCB Layout圖

根據(jù)產(chǎn)品電子工程師提供的排查試驗，基本排除板卡接地狀態(tài)的影響，根據(jù)問題現(xiàn)象進行USB、RJ45、HDMI、耳機端子 PCB Layout的排查：

1、查閱PCB Layout 圖，未發(fā)現(xiàn)有CPU、DDR芯片的控制信號、供電電源布線靠近USB端子附近，不存在敏感信號靠近USB端子被靜電放電干擾的可能性。

2、查閱PCB Layout 圖，未發(fā)現(xiàn)有CPU、DDR芯片的控制信號、供電電源布線靠近RJ45端子附近，不存在敏感信號靠近USB端子被靜電放電干擾的可能性。    

3、查閱PCB Layout 圖，未發(fā)現(xiàn)有CPU、DDR芯片的控制信號、供電電源布線靠近HDMI端子附近，不存在敏感信號靠近USB端子被靜電放電干擾的可能性。

4、拆機分析過程中，注意到DDR模塊靠近金屬外殼非常近，初步懷疑可能是DDR電路模塊受到金屬屏蔽殼體上靜電放電噪聲干擾，與電子工程師溝通確認到如下信息：

5、此PC模塊支持雙DDR插槽，可以同時使用雙DDR模塊，當(dāng)單獨使用左側(cè)DDR插槽的時候，靜電放電測試結(jié)果是符合標(biāo)準(zhǔn)要求的，結(jié)論判定PASS。

6、當(dāng)單獨使用正上方DDR插槽的時候，靜電放電測試結(jié)果是不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的，結(jié)論判定Fail；同時使用兩顆DDR插槽的時候，靜電放電測試結(jié)果是不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的，結(jié)論判定Fail。

圖4：更換DDR插槽試驗圖示

問題根因分析：

不同DDR插槽使用相同DDR顆粒靜電放電測試結(jié)果差異巨大，分析判斷問題產(chǎn)生的原因有如下可能性：

1、左側(cè)DDR插槽在插入DDR顆粒后，DDR顆粒距離金屬屏蔽殼體比正上方DDR插槽在插入DDR顆粒后距離金屬屏蔽殼體的距離大很多，靜電放電時屏蔽金屬殼體對DDR顆粒的干擾要小。    

2、左側(cè)DDR插槽PCB Layout布線信號參考的完整性相比于正上方DDR插槽PCB Layout布線信號參考的完整性要更優(yōu)，對靜電放電干擾免疫力更強。

不同DDR插槽PCB Layout對比分析情況如下：

1、左側(cè)DDR插槽信號布線在1、3層，其中頂層信號參考第2層完整的地平面，3層信號布線參考底層完整的地平面。

2、正上方DDR插槽信號布線在1、3層，其中頂層與第3層的數(shù)據(jù)信號、DQS、關(guān)鍵控制信號布線分別參考第2層和底層完整的地平面；頂層與第3層的地址信號布線參考第2層和底層完整的DDR供電電源平面。

3、地址信號線參考DDR本身的供電電源平面有過很多成功案例，暫且不懷疑地址信號線與數(shù)據(jù)信號線參考不同平面的影響。

在正上方DDR插槽中分別使用不同品牌DDR顆粒，進行靜電放電測試驗證，結(jié)果如下：

1、正上方DDR插槽使用金士頓內(nèi)存條，進行靜電放電測試時，測試結(jié)果不符合內(nèi)部管控標(biāo)準(zhǔn)要求，判定結(jié)果Fail。

2、正上方DDR插槽使用合肥長鑫內(nèi)存條，進行靜電放電測試時，測試結(jié)果符合內(nèi)部的管控標(biāo)準(zhǔn)要求，判定結(jié)果PASS。

3、使用合肥長鑫DDR內(nèi)存條驗證兩臺機器，反復(fù)測試多次結(jié)果均符合內(nèi)部管控標(biāo)準(zhǔn)要求，判定結(jié)果PASS。    

圖5：不同品牌內(nèi)存顆粒靜電放電測試結(jié)果對比

問題根因分析：

靜電放電干擾對DDR顆粒耦合路徑分析如下：

1、對金屬端子的外殼進行進行靜電放電測試時，由于金屬端子外殼與屏蔽金屬殼體直接連接，或者靜電放電直接耦合到金屬屏蔽殼體上，由于金屬殼體本身未接地，金屬殼體則很容易積累電荷，存在電場干擾。

2、由于結(jié)構(gòu)設(shè)計、PCB Layout布局設(shè)計原因，正上方DDR插槽插上DDR顆粒后使得DDR顆粒本體靠近金屬屏蔽殼體，金屬殼體上的靜電放電干擾通過空間耦合到DDR顆粒上面，加之DDR顆粒本身抗靜電能力差異，導(dǎo)致DDR顆粒工作異常，數(shù)據(jù)交換錯誤，引起系統(tǒng)奔潰，出現(xiàn)黑屏、畫異后系統(tǒng)宕機、死機現(xiàn)象。

3、通過觀察、分析合肥長鑫與金士頓的內(nèi)存顆粒PCB Layout圖，判斷差異來自DDR布線與PCB邊緣距離差異導(dǎo)致；具體就是金士頓內(nèi)存顆粒PCB布線更靠近PCB邊緣，而合肥長鑫的內(nèi)存顆粒PCB Layout布線距離板邊較遠。    

圖6：DDR顆粒靜電放電干擾耦合路徑圖解

問題解決方案

問題解決方案（一）：

修改PCB Layout設(shè)計，將正上方DDR插槽內(nèi)移，使其遠離金屬屏蔽殼體，降低兩者之間的空間耦合。

問題解決方案（二）：

使用單顆DDR內(nèi)存時，優(yōu)先使用左側(cè)DDR插槽，避免使用正上方的DDR插槽，避免DDR顆粒被金屬屏蔽殼體上的靜電噪聲干擾。

問題解決方案（三）：

當(dāng)使用兩顆DDR內(nèi)存時，優(yōu)先使用合肥長鑫生產(chǎn)制造的DDR顆粒，增強DDR顆粒本身的抗靜電放電干擾的能力。

【案例總結(jié)】：

PCB Layout設(shè)計過程中，在PCB布局評審時應(yīng)重點關(guān)注DDR模塊電路等敏感信號、電路、元件遠離PCB板邊緣，或者遠離靜電放電測試點，避免靜電放電測試或者其它抗騷度時干擾敏感信號。

對于內(nèi)存條這類敏感器件更換時不僅僅需要測試輻射發(fā)射，還需要進行抗騷度性能的測試，同時需要關(guān)注應(yīng)用場景的影響。    

不同廠商、不同品牌的關(guān)鍵器件導(dǎo)入時，需要進行相關(guān)的EMC性能測試，并做好充分的性能評估，否則可能導(dǎo)致嚴(yán)重的EMI問題或嚴(yán)重的抗騷度問題。