Was ist der Zweck des Eingangsschutzes auf USB (oder überhaupt)?

Vergessen Sie USB für einen Moment, denn diese Geräte sind in viel mehr Anwendungen als nur USB nützlich. Erstens sind die Dioden in Ihren ersten beiden Beispielen normalerweise keine generischen Signal- oder Zenerdioden. Sie sind normalerweise speziell entwickelte Transient Voltage Suppressor (TVS)-Dioden.

TVS-Dioden gibt es in allen möglichen Geschmacksrichtungen, aber es gibt drei Schlüsselparameter. Erstens die maximale Rückwärtsabstandsspannung. Das ist die Betriebsspannung. Für USB sollten Sie sehr nahe an 5 V liegen. Als nächstes sollten Sie sich die Klemmspannung ansehen. Wieder etwa 5 V für USB. Üblicherweise steigt der Leckstrom deutlich an, wenn sich die Klemmspannung der Rückwärts-Abstandsspannung nähert. Beachten Sie dies, falls es in Ihrer Bewerbung darauf ankommt. Der letzte Schlüsselparameter ist der Spitzenrückstrom. Stellen Sie sicher, dass es mit dem Standard umgehen kann, gegen den Sie testen möchten.

Beim Platzieren von TVS-Dioden auf Hochgeschwindigkeitssignalleitungen (z. B. USB, HDMI, Ethernet usw.) ist noch etwas zu beachten. Stellen Sie sicher, dass die TVS-Diode eine niedrige Kapazität hat. Es gibt viele Dioden und Arrays, die für diesen Zweck geeignet sind und Kapazitäten in der Nähe von 0,2 pF haben.

Ich werde direkt zu Ihrem zweiten Beispiel springen, da wir hier über USB sprechen. Das gezeigte Schema wäre angemessen, wenn die gezeigten Dioden um 5 V klemmen und TVS-Dioden versuchen. Normale Zenerdioden sind für den ESD-Schutz nicht schnell genug.

In Ihrem letzten Beispiel stellen Sie in Frage, ob der oberste Knoten mit Vbus verbunden ist, und laut Gerätedatenblatt ist dies nicht der Fall. Wenn ein positives ESD-Ereignis auf einer der Signalleitungen auftritt, würde dieses TVS es klemmen. Der Vbus TVS hat eine höhere Klemmspannung für die Stromschiene.

Du hast gefragt,

Again, if all of this is mounted on a PCB, why might a sudden static discharge occur
and where might it originate?

Das potenzielle Problem ist ESD (Elektrostatische Entladung), die von außerhalb der Leiterplatte stammt und vom USB-Anschluss eindringt. Ein Benutzer könnte ein Produkt über einen Teppich oder einen anderen ESD-Generator tragen und den USB-Anschluss mit seinem Finger berühren. Selbst wenn ein Kabel an den USB-Anschluss angeschlossen ist, könnten sie den Anschluss am anderen Ende des Kabels berühren und durch USB passieren.

Dies gilt nicht nur für USB-Anschlüsse, sondern für alle Anschlüsse, die aus einem Produkt kommen – sogar die Strombuchse.

Wenn wir ein Produkt für den Verkauf entwerfen und es auf EMI/EMC (elektromagnetische Interferenz und Kompatibilität) testen lassen, injiziert das Testhaus kurze 8.000 V (8 kV) Schwachstromspitzen in jeden der Anschlüsse und testet anschließend das Gerät funktioniert noch einwandfrei. Die in Ihren Schaltplänen gezeigten Geräte sind so ausgelegt, dass sie vor Entladungen dieses Niveaus oder höher schützen. Ohne den ESD-Schutz würde das Gerät diesen Test wahrscheinlich nicht bestehen.

Warum eine UL-Zertifizierung erhalten, die in einem Testlabor Tausende von Dollar kosten kann? Ist es gesetzlich vorgeschrieben? Nein, aber viele Einzelhändler wie Walmart führen keine elektronischen Produkte, es sei denn, sie haben ein UL-Label. In Europa ist das Äquivalent das CE-Zeichen.