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:
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:
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?
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:
(Bild modifiziert aus dem oben zitierten Link)
Lösungen, die ich in Betracht ziehe:
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.
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.
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.
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.
Großer Josch
sbp9674