ESD-Schlag auf freiliegendem Erdungsstift des Schaltkreises

Ich habe eine Schaltung für ein batteriebetriebenes Gerät entworfen, bei dem ein USB-Anschluss zum Aufladen und zur Datenübertragung extern freigelegt ist. Es handelt sich um einen nicht standardmäßigen, andockbaren USB-Anschluss ohne verfügbaren Schirmanschluss, und die gesamte Schaltung ist in einem Kunststoffgehäuse ohne Gehäuse- / Schutzerdungsmöglichkeit untergebracht, etwa wie in der Abbildung unten:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Für den ESD-Schutz habe ich fast genau die hier bereitgestellte Designempfehlung befolgt: http://www.semtech.com/images/promo/Protecting_USB_Ports_from_ESD_Damage.pdf

Ich kann den Strompfad visualisieren, wenn Vbus, D + oder D- von einem positiven oder negativen ESD-Impuls getroffen werden, dh die Lenkdioden leiten für einen negativen Impuls weiter oder leiten für einen positiven Impuls zum zentralen TVS um. Bitte korrigieren Sie, wenn mein Verständnis nicht stimmt.

Ich bin mir jedoch nicht sicher, was passieren würde, wenn der freigelegte GND-Pin selbst den Zap erhält.

Fragen:

  1. Wird ein negativer ESD-Anschlag auf den GND-Pin die gleiche Wirkung haben wie ein positiver Impuls auf Vbus, dh ein Zusammenbruch des zentralen Lawinen-TVS, der zum Klemmen führt?

  2. Im Falle eines positiven ESD-Schlags auf GND leiten die Steuerdioden und/oder das zentrale TVS weiter und leiten die gesamte Energie (minus 1 Dioden-Vf-Abfall, falls das überhaupt eine Rolle spielt) an den Rest der Schaltung, wodurch Chaos angerichtet wird !? Ich habe versucht, die folgende Situation darzustellen:

Passiert das, wenn ein positiver ESD-Schlag auf eine freiliegende GND-Schaltung trifft?(Bild modifiziert aus dem oben zitierten Link)

Lösungen, die ich in Betracht ziehe:

  1. Trennen Sie Vbus vom zentralen TVS und führen Sie ein eigenständiges bidirektionales TVS zwischen Vbus und GND mit anschließendem Verpolungsschutz für den Rest der Schaltung ein (um -Vclamp des Bi-Dir-TVS zu tolerieren). Es kann immer noch nicht verhindern, dass die Steuerdioden leiten, und es gibt andere unidirektionale TVS-Dioden, die auf anderen freiliegenden IO-Pins zu GND überbrückt werden, die ebenfalls nach vorne leiten können.

  2. Führen Sie eine Ferritperle zwischen dem freigelegten USB-GND und dem Schaltungs-GND ein, um die magere Impedanz zu berücksichtigen, die sie bieten kann!

Anregungen / Einblicke sind willkommen, danke!

PS:

  • Da die Schaltung Strom von Vbus beziehen kann, können in der Vbus-GND-Schleife keine Vorwiderstände hinzugefügt werden

  • Geplanter Test gemäß IEC 61000-4-2 , Level 4 (8/15kV Kontakt/Luftentladung). Das Gerät wird während des Tests mit Batteriestrom betrieben, ohne dass ein USB-Kabel angeschlossen ist, daher wären alle Pins für ESD-Stöße leicht zugänglich.

Ich habe genau die gleiche Frage. Ich sehe nicht, wie diese Schaltungen das Gerät vor einer vorübergehenden Unterspannung schützen, wenn ein positiver Schlag gegen Masse vorliegt. Hast du jemals eine gute Antwort gefunden?
@bigjosh: nein, suche immer noch. In der Zwischenzeit benutzte Gummiklappen, um die freiliegenden Stifte zu verdecken. Keine elegante Lösung, aber die erste Verteidigungslinie ist, es überhaupt nicht funken zu lassen!

Antworten (2)

Bei einem batteriebetriebenen Gerät werden Sie feststellen, dass es sich nicht entlädt , da es nicht geerdet ist. Was als vorübergehendes Szenario für ESD angesehen wird. Es sei denn, der Techniker hilft Ihnen, sich nach jedem Zappen auf den Boden zu entladen.

Damit sich die ESD schneller neutralisieren kann, fügen Sie eine 10uF-Kappe zwischen Vbus und Gnd hinzu. Am nächsten zum USB-Anschluss. Wenn +8 kV auf Gnd gezapft werden, entlädt sich die Kappe ein wenig, um etwas ESD-Energie aufzunehmen. Was ich nicht möchte, ist, den Entladungsweg von meinem Boden zu finden, zu einem Erdungsstift in einer Komponente zu gehen und dann den Versorgungsstift der Komponente zu verlassen.

TVS auf Keramikbasis kommen und ihre Reaktionszeit ist viel schneller als herkömmliche TVS auf Diodenbasis.

Als erstes fällt mir ein, dass ESD-Tests an Stellen durchgeführt werden sollten, die normalerweise während des normalen Betriebs zugänglich sind. Da Sie nicht beschrieben haben, was Sie bauen, gleicht dies in Ihrer Frage eine Art vage Antwort aus. Die Prüfung ist in Ihrer Frage auch nicht beschrieben, und das Wichtigste ist, an welchen Punkten die ESD-Pistole angeschlossen ist. Das Modell des menschlichen Körpers bezieht sich auf Erde.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wenn Sie positiven Schlag sagen, meinen Sie positiv in Bezug auf die Erdung? Positiv in Bezug auf was? Der Strom nimmt den Weg mit der niedrigsten Impedanz zurück zur Quelle. Sie müssen die negative oder Masseseite der ESD-Pistole mit etwas verbinden. Normalerweise ist es mit Masse oder Gehäusemasse verbunden. Der Strom muss zurück zur Quelle fließen. Wenn Sie also mit der an Masse angeschlossenen ESD-Pistole auf die Platine schlagen, hat sie mehrere "potenzielle" Pfade, die sie zurücknehmen könnte. Es gibt die USB-Abschirmung, die USB-Masse, die D + und D- Drähte, Vbus und die Luft. Die Luft ist wie ein 10 ^ 6 bis 10 ^ 9-Widerstand mit einer Kapazität von einigen pF. Die Drähte D+ und D- haben mindestens den Widerstand von Rt plus dem, was sich am Antriebsende des Kabels befindet. Vbus hätte wahrscheinlich einen Spannungsregler, also wäre er kleiner als der von Rt.

Die Antwort lautet also, dass die Erdung zurück zur Quelle geführt wird (wenn Sie die ESD-Pistole mit der Erde verbunden haben und alle Pfade sie bis zu einem gewissen Grad sehen, nimmt die Erde den größten Teil des Stroms auf).

Zurück zum Design: Der einzige Grund für eine Abschirmung um USB ist, Rauschen und ESD vom Erdungskabel wegzuleiten, das sich neben den V+- und V-Kabeln befindet. Aufgrund der gegenseitigen induktiven Kopplung könnten einige Transienten auf die Datenleitungen übergehen und zumindest Rauschen erzeugen, das das gesendete Paket ausschaltet.

Das Beste wäre, die Abschirmung zu verwenden, um Rauschen und ESD von den Datenleitungen und der USB-Masse abzuleiten. Das Nächstbeste (und nicht empfohlen) wäre, die ESD über das Erdungskabel des USB-Kabels zu leiten.

Wenn die Leiterplatte von Menschen gehandhabt wird, versuchen Sie, die Leiterplatte so zu konstruieren, dass Masse das erste ist, was von einem ESD-Ereignis gesehen wird. Die ideale Situation wäre, ein Metallgehäuse zu haben, das Ihr Gerät umschließt, das an den USB-Schild gebunden ist. Wenn Sie das Gehäuse nicht an die Abschirmung binden können (nicht empfohlen), binden Sie es an Masse. Wenn Sie kein Gehäuse haben können, versuchen Sie, Schutzringe und eine schöne, gesunde Grundplatte zu verwenden.

vielen Dank, dass Sie sich die Zeit genommen haben, um zu antworten. Ich gebe hier weitere Details an und werde den Beitrag später aktualisieren. * "Da Sie nicht beschrieben haben, was Sie bauen": Ein batteriebetriebenes, wiederaufladbares USB-Gerät mit freiliegendem andockbarem Anschluss (Bild aktualisiert). Während des Tests wird das Gerät ohne angeschlossenes Ladegerät mit Batterie betrieben. * "Die Prüfung ist in Ihrer Frage auch nicht beschrieben": Gemäß IEC61000-4-2, Level 4. * "meinen Sie positiv in Bezug auf Erdung": Natürlich wird es an der Erde der ESD-Pistole liegen, das Problem ist Wie kann man das mit der schwebenden Batteriemasse des Geräts in Verbindung bringen?
Wenn das Kabel eingesteckt ist, ist die ESD-Pistole auf Masse bezogen. Wenn die Kabel nicht eingesteckt sind, können ESD-Tests durchgeführt werden, indem einer der Anschlüsse mit dem Gehäuse des Geräts verbunden wird (das in der Lage sein sollte, Ströme weg und um die Elektronik herum abzuleiten). Alle Anschlüsse oder Schaltkreise, die Kontakt mit Menschen haben, sollten geschützt und getestet werden. Eine Sache, die Sie tun können, ist die Option, Passive an Ports anzubringen, die ESD-Ströme sehen könnten (mit 0-Ohm-Widerständen und NL-Komponenten), und wenn Sie eine Induktivität einbauen müssen, können Sie dies während des Testens tun.
Da dieses Dokument nur eine Beschreibung/Empfehlung von IEC6100-4-2 ist und nicht die eigentliche IEC6100-4-2 (es kostet viel Geld). Wenn Sie behördliche Tests durchlaufen, möchten Sie es wahrscheinlich kaufen oder jemanden hinzuziehen, der es gut versteht, um sicherzustellen, dass die Tests korrekt durchgeführt werden. Regulatorische Tests werden normalerweise mit an Masse angeschlossenen Kabeln und Gehäusetests durchgeführt.
In der Tat plane ich behördliche Tests. Ich habe das IEC61000-Dokument und gehe es derzeit durch, um Einzelheiten zu den Testbedingungen zu erfahren. Ich denke, das Hauptproblem beim Design scheint genau das zu sein, was Sie gesagt haben, das Fehlen eines leitfähigen Chassis, das weggeleitet werden kann der Zap, da alles aus Kunststoff ist. Jetzt denke ich darüber nach, eine leitfähige Farbe auf den gesamten Innenwänden des Kunststoffs zu verwenden, in der Hoffnung, dass sie über parasitäre Kapazitäten durch den Kunststoff an die Erdungsebene des Prüfstands koppelt und den Impuls überbrückt. Planung dazu Verbinden Sie das Chassis über eine Reiheninduktivität / FB mit der Schaltung GND. Ihre Gedanken?
Außerdem enthält das Design bereits Vorkehrungen zum Hinzufügen von Serienpassiven an den Ports, wie Sie vorgeschlagen haben