擔憂「電磁幹擾」成隱形殺手? 寧暢工程師一招守護伺服器穩定

提起電磁波,總讓人聯想到電視機的雪花屏以及廣播的沙沙聲。原本強度、頻率整齊的電磁波,因各種幹擾變得不穩定導致視聽不暢。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202006/413928.htm

在電子設備中,這種不穩定電磁波形成的高能波峰,便成為EMI(電磁幹擾)對周邊設備造成耗損。EMI一直被視為電子設備的隱形殺手,相比一般使用環境及產品結構。放置在數據中心的伺服器內部空間小、敏感器件多、功率密度高、配電複雜,加之成千上萬臺伺服器一起運轉,龐大數量的電子設備使EMI問題更加突出。

近日,新銳伺服器廠商寧暢工程師,便就產品預研過程中如何解決伺服器EMI問題公布了一種解決方案,寧暢工程師用各種辦法,才將不穩定的電磁波變為「整齊」的「寧暢波」。

寧暢信息產業(北京)有限公司(簡稱「寧暢」)是集研發、生產、部署、運維一體的伺服器廠商,及IT系統解決方案提供商。寧暢可結合用戶需求,提供全方位深入定製化服務。

解決案例:

問題:電磁幹擾達250mV

寧暢硬體工程師測試某主板系統100M CLK信號有疊加570kHz左右的周期性脈衝,信號上下疊加幹擾峰值高達250mV,導致信號質量不符合SI Spec要求。圖片如下:

查找原因

一、查看原理圖,此信號是由100MHz CLK發生器經過Buffer輸出至各PCIe Slave設備,測試發現CLK3有周期性幹擾。測試Buffer輸出其他信號,發現CLK1也有幹擾,但是其他通道CLK信號此幹擾很小,排除此Buffer晶片本身問題或晶片供電影響。

二、查看PCB對比CLK信號走線差異,CLK2走線布在BOT層,CLK3走線布在BOT和內層。兩組信號在BOT層走線沒有太大差異,初步排除BOT層幹擾。經過仔細檢查,CLK3內層走線的上下兩層是完整的GND參考層,走線間距滿足手冊要求,層內其他信號幹擾也可排除。單獨測試GND信號,發現有560kHz周期性幹擾,初步定位幹擾源。

三、這種低頻率噪聲首先懷疑來源是開關電源的PWM信號。

採用如下幾種替代實驗,來驗證源頭:

實驗 方法	幹擾 是否 存在
用直流電源直接 供給系統12V	否
用直流電源供給DC/DC 轉換器輸入電壓	否
用直流電源供給合路緩起 晶片INPUT電壓	是

通過以上實驗可初步判斷是合路緩起晶片工作中產生的幹擾通過GND層耦合到了CLK信號。

原因分析

根據合路晶片規格書,查看其內結構框圖,發現其有兩路輸出,OUT1輸出鏈路沒有經過PWM開關鏈路,中間只是經過一些MOSFET,其功能主要是均流作用,不是原因所在。而OUT2部分沒有詳細框圖,從其Spec可以得到其開關頻率典型值有兩個:510kHz和480kHz。懷疑此部分電路為幹擾源。

尋找解決方案

找到源頭了,接下來就要解決問題。將此問題定位為EMI問題,通常解決辦法有3種:

1.抑制幹擾源;2.切斷耦合路徑;3.保護被幹擾源;

實際分析、解決及驗證過程:

為降低噪聲和幹擾,增加濾波電容是一個可選的解決途徑,嘗試在輸入和輸出增加濾波電容實驗結果如下:

實驗 方法	幅值 變化
在INPUT電壓之間增加濾波電容 (不同容值)	無改善
在12V和GND之間加電容
INPUT電壓和12V輸出之間 增加電容
增大GND 接地面積	很大 改善

恢復問題板卡初始狀態,將板卡安裝至機殼,並通過多根粗線將板卡GND信號連到地。測試幹擾大幅度減少,且接地線越多,幹擾幅值越小,CLK信號幹擾減小到50mV左右,在Spec要求範圍內,問題解決。

經驗及反思

1.在使用隔離電源的板卡中需要格外關注EMI問題。

2.EMI問題解決手段有些是矛盾的,需要靈活合理利用。比如切斷耦合路徑需要去掉隔離電源兩端的EMI電容,而抑制幹擾源需要將EMI電容加上。

3.因為測試環境與實際運行環境有些差距,導致測試結果不一定是實際運行結果,所以對部分測試結果要持懷疑態度。

4. EMI幹擾是共模幹擾,單純電容濾波難以解決。

綜上所述:在面對板卡調試的各種疑難雜症時,要學會多加思考和各種嘗試,窮盡所有手段,在看似各種相互矛盾的解決辦法中尋找合適的方案。

圖說:寧暢2U雙路機架伺服器R620,歷經上千項測試與優化

5000項測試模型助降20%網建成本

寧暢工程師介紹,在產品設計與研發階段階段,寧暢伺服器內的每一塊硬體板卡均經過嚴格的板級測試流程,包括:硬體PowerOn測試、PI測試、SI測試等,每個測試環節的監測項超過300個,覆蓋並驗證所有底層設計,為產品質量保駕護航。

此外,為高效、高質量地完成客戶需求的定製化伺服器項目。寧暢整機測試部門,積累了5000項測試模型,並實現了「自動化」測試、自動在線數據採集分析等技術,全自動化測試程序將3至5日的工作縮短至20小時內,幫助客戶降低網絡建設成本20%,提高運維效率30%以上。

除以上測試外,為保障定製伺服器產品的穩定性,寧暢產品還需經過抗振動測試、抗幹擾測試、碰撞測試、溫溼度測試、耐腐蝕等近百項穩定性測試與優化。