PC模塊靜電放電出現宕機黑屏現象問題分析與調試

問題現象描述：

PC模塊在進行靜電放電測試時，發現對雙層USB端子、RJ45端子的金屬外殼進行±6KV接觸放電測試時出現顯示黑屏、畫異，拔插HDMI信號后無法正常顯示，系統出現宕機、死機現象。

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

圖1：PC模塊實物圖

問題現象分析：

根據出現的黑屏、畫異后系統宕機、死機現象判斷是系統奔潰導致，而對于PC產品來說引起系統奔潰的原因如下：

1、CPU受到靜電放電干擾，導致其工作狀態異常，系統奔潰后出現宕機、死機現象。

2、DDR模塊電路受到靜電放電干擾，導致與CPU之間數據交換錯誤，引發系統奔潰后出現宕機、死機現象。

3、靜電放電干擾引發系統供電電源電壓波動，波動范圍超過系統供電電壓容限范圍時，系統工作異常出現宕機、死機現象。    

4、系統存儲模塊如SATA硬盤、固態硬盤等模塊受到靜電放電干擾，出現數據交換錯誤，從而導致系統奔潰，宕機。

 圖2：端子金屬外殼貼導電布于屏蔽盒體上

該產品的設計工程師反饋已經嘗試過的如下改善試驗：

1、將RJ45端子的金屬外殼用導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。

嘗試對策驗證結果：靜電放電測試結果，改善效果不明顯，證明對策無效。

圖3：產品PCB Layout圖

根據產品電子工程師提供的排查試驗，基本排除板卡接地狀態的影響，根據問題現象進行USB、RJ45、HDMI、耳機端子 PCB Layout的排查：

1、查閱PCB Layout 圖，未發現有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，未發現有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，未發現有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，當單獨使用左側DDR插槽的時候，靜電放電測試結果是符合標準要求的，結論判定PASS。

6、當單獨使用正上方DDR插槽的時候，靜電放電測試結果是不符合標準要求的，結論判定Fail；同時使用兩顆DDR插槽的時候，靜電放電測試結果是不符合標準要求的，結論判定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果差異巨大，分析判斷問題產生的原因有如下可能性：

1、左側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，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層的數據信號、DQS、關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據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，結果如下：

1、正上方DDR插槽使用金士頓內存條，進行靜電放電測試時，測試結果不符合內部管控標準要求，判定結果Fail。

2、正上方DDR插槽使用合肥長鑫內存條，進行靜電放電測試時，測試結果符合內部的管控標準要求，判定結果PASS。

3、使用合肥長鑫DDR內存條驗證兩臺機器，反復測試多次結果均符合內部管控標準要求，判定結果PASS。    

圖5：不同品牌內存顆粒靜電放電測試結果對比

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、由于結構設計、PCB Layout布局設計原因，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，導致DDR顆粒工作異常，數據交換錯誤，引起系統奔潰，出現黑屏、畫異后系統宕機、死機現象。

3、通過觀察、分析合肥長鑫與金士頓的內存顆粒PCB Layout圖，判斷差異來自DDR布線與PCB邊緣距離差異導致；具體就是金士頓內存顆粒PCB布線更靠近PCB邊緣，而合肥長鑫的內存顆粒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設計，將正上方DDR插槽內移，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內存時，優先使用左側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）：

當使用兩顆DDR內存時，優先使用合肥長鑫生產制造的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】：

PCB Layout設計過程中，在PCB布局評審時應重點關注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。

對于內存條這類敏感器件更換時不僅僅需要測試輻射發射，還需要進行抗騷度性能的測試，同時需要關注應用場景的影響。    

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