Recebi um dispositivo no trabalho para fazer alguns testes. Basicamente, um IC está se tornando obsoleto, por isso preciso testar uma peça de reposição. Ao refazer as verificações de ESD, o dispositivo falhou.
Eu verifiquei o histórico do dispositivo e houve problemas para passar a ESD antes. Havia uma nota da instalação de testes de que, como o dispositivo era inteiramente de metal (carcaça de aço inoxidável), apenas era necessária a descarga de contato de até 4kV (eu estou no Reino Unido). Aparentemente, ele falhou algumas vezes até que um capacitor / resistor foi adicionado entre a blindagem USB e o terra, e uma pequena aba de metal foi introduzida para adicionar melhor contato entre o terra da PCB e a caixa de metal. Aparentemente, isso permitiu que passasse.
Passem 5 anos e estou refazendo os testes. Cada vez que realizo o teste de descarga de contato em + 4kV, o dispositivo perde sua memória (este é um dispositivo de registro de dados) e precisa ser redefinido de fábrica e reiniciar o registro para funcionar novamente. Voltei a verificar alguns antigos usando o IC anterior e descobri que isso também falha. Parecia que era um problema intermitente (alguns dispositivos passaram em 3 em 10 testes, outros falharam em todos os 10 etc.), então parece-me que a aprovação no teste ESD anteriormente era provavelmente um golpe de sorte.
Tentei várias coisas, coloquei capacitores extras em paralelo com o atual conectando a blindagem USB ao terra (valores diferentes, alto / baixo), mudei o resistor para valores diferentes (resistência mais alta / mais baixa) e tentei esferas de ferrite contas paralelas e ferrite em vez do resistor / capacitor, como eu já havia visto em alguns lugares, mas ainda assim falhou. A única maneira de conseguir isso foi aterrando o escudo USB diretamente .
Procurando online, não consigo encontrar nenhum lugar que indique explicitamente se você deve ou não aterrar o escudo USB. Esta discussão AQUI tem visões diferentes, este AQUI também tem uma discussão sobre isso. ESTE link menciona que a blindagem deve ser conectada apenas à terra no host, mas nenhum dispositivo deve conectar a blindagem à terra .... ESTE documento diz que a blindagem deve ser conectada ao chassi. No entanto, na figura 12, parece mostrar que a blindagem USB deve estar ligada ao plano GND.
Parece haver muitas visões diferentes sobre isso, então estou um pouco inseguro sobre o que fazer a seguir. Aterramento do escudo permite que ele passe ESD, mas isso é algo que deve ser feito? Ou devo continuar procurando uma solução melhor? Se sim, qual é uma boa solução.
MAIS INFORMAÇÕES:
- A PCB é muito irregular e com pouco espaço, tornando o plano de aterramento próximo ao conector USB muito pequeno.
- Não tenho permissão para alterar nenhum projeto mecânico sobre isso. Estou apenas procurando uma solução que possa ser facilmente implementada e não exija uma reformulação do PCB ou do produto, de modo que essas sugestões não fazem sentido.
- Este é um dispositivo de trabalho e, como tal, não tenho permissão para mostrar o esquema, portanto, não pergunte. O circuito de entrada USB foi baseado neste design:
- A proteção de estrangulamento em modo comum, ferrite e diodo TVS já estão no projeto.
- Eu não sou o engenheiro de design original. Eles não trabalham mais para a empresa, por isso não sou capaz de encontrar o raciocínio para as escolhas de design que fizeram
- O dispositivo é USB 2.0
- A unidade passa no teste em -4kV, é apenas a + 4kV onde falha
MAIS INFORMAÇÕES
E mais informações necessárias nos comentários serão adicionadas aqui.
Tudo o que posso mostrar do PCB real é o seguinte:
Você pode ver que a posição de terra para antes da tomada USB. O orifício maior é o local onde as guias da blindagem USB têm uma conexão mecânica com a PCB. R1 está conectando a blindagem ao GND e o capacitor C3 está fazendo o mesmo na outra conexão. A blindagem é conectada ao terra através da tampa de 100k res / 100nF. Há uma aba de metal instalada na placa de circuito impresso que repousa sobre o chassi de metal. De acordo com o antigo relatório ESD, isso era necessário ou o dispositivo falhou. Tanto quanto posso ver, essas foram as únicas coisas adicionadas além desse circuito de exemplo para proteger contra ESD.
Em resposta às perguntas nos comentários:
- A falha ocorre ao fazer um teste ESD de descarga por contato na blindagem USB (em todas as outras áreas está correto, apenas a blindagem USB falha)
- O teste ocorre enquanto a unidade está registrando. Não está conectado a nenhum dispositivo via USB.
- Eu tentei um link 0R para GND em vez da solução resistor / capacitor, mas isso ainda falha. Quando adiciono um link de fio direto da blindagem USB ao chassi (que está conectado ao PCB GND), o problema é resolvido. Acredito que isso se deve ao design do PCB. O plano de aterramento próximo ao lado do USB é muito pequeno (cerca de 12 mm x 15 mm). No entanto, o chassi é grande. Isso é algo que não posso mudar.
- A localização da guia Chassis para PCB GND está em uma sub-PCB, com um rastreio de 30a até a guia. (sim, eu sei que parece estranho, mas as restrições de espaço eram ridículas e esse não era o meu design!)
Respostas:
Melhor pratica
Em primeiro lugar (como um pouco fora de controle), pessoalmente, nos projetos eu sempre aterro através de um resistor 0R para que a decisão possa ser alterada. Isso vale para praticamente qualquer blindagem (Ethernet, USB etc.)
O principal problema que pode surgir é quando o escudo é aterrado em uma das extremidades e as duas extremidades não concordam com o que é 0V. Isso pode causar danos a ambas as extremidades, por correntes fluindo para onde não deveriam (se o caminho da blindagem for 0,2ohms e a diferença de tensão 1V, isso significa 5A indo para onde não deveria)
Você pode pensar por que isso aconteceria ? Mas pense na situação em que um laptop está conectado a um equipamento alimentado por USB. O laptop pode estar apenas com bateria (nenhuma referência à terra verdadeira), mas o equipamento está conectado à rede elétrica e, portanto, pode ter uma referência à terra 0V verdadeira.
Portanto, a solução é conectar-se em apenas uma extremidade, mas ter algum acordo sobre qual extremidade.
Geralmente, espera-se que um dispositivo host USB forneça a energia, e o dispositivo escravo muitas vezes é totalmente alimentado por barramento e não tem conexões com mais nada no mundo exterior (pense em um dispositivo de memória USB, adaptador WiFi etc.). Em geral, o host USB deve conectar a blindagem ao terra (e terra, se possível). É por isso que se espera que o lado do host amarre o escudo ao chão ou à terra.
O fato de haver tantos comentários conflitantes de pessoas e experiências diferentes mostra claramente que está longe de ser seguro supor que isso sempre seja respeitado, assim como mencionei em primeiro lugar - adicione a opção de alterá-lo facilmente.
Nesta situação
Depois de discutir isso em um bate-papo, a solução proposta é diferente. Como essa é uma pergunta sobre ESD, ela é confusa e complicada e envolve muitos aspectos do projeto (elétrico, mecânico, sistema). O bate-papo está disponível para todos verem, mas há alguns pontos importantes:
Eu suponho que o problema provavelmente esteja relacionado ao layout de PCB. O surto de ESD está seguindo o caminho da blindagem, passando pelos eletrônicos sensíveis e finalmente alcançando o chassi. Ao conectar diretamente a blindagem ao chassi com um fio, o caminho de oscilação ESD atinge o chassi sem chegar perto da placa de circuito impresso, evitando o problema.
Nesta situação, como o registrador de dados não possui outras conexões com outros dispositivos; os possíveis problemas (trocadilhos) não podem ocorrer. Então, eu sugiro conectar a blindagem ao chassi. Por um fio ou por uma abordagem mais amigável à produção, há uma junta ESD ao redor do conector, que é um material condutor esponjoso que fornece uma conexão sem solda manual e não fixa o chassi à placa de forma permanente.
Em um mundo mais ideal, eu fixaria novamente a placa para que o chassi fique isolado do aterramento da placa de circuito impresso e o chassi esteja conectado à blindagem. Isso significa que não é possível que surtos de ESD atinjam os eletrônicos sensíveis. Exceto se você cutucar os datapins no conector USB por diversão - nesse caso, diodos ESD nos datalines que fornecem um caminho para o aterramento do chassi, não o aterramento da placa PCB.
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Você precisa examinar o caminho de alta corrente em todo o projeto, e o projeto deve fornecer uma rede de blindagem separada para evitar que a descarga ESD ultrapasse o solo do sinal, o que criará "ressalto no solo" e interromperá a funcionalidade. Este não é um assunto fácil. Ao estabelecer uma conexão simples e sólida entre o terra e a blindagem do sinal, você pode ter problemas com a EMI e falhar nas certificações da EMI. Para obter mais detalhes, revise este tópico sobre como equilibrar dois requisitos contraditórios para blindagens USB.
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Considerando o que você nos contou sobre o dispositivo:
blindagem USB .
Basta conectar o chassi à blindagem USB e pronto.
A resposta anterior apontou problemas com as correntes de loop (dois caminhos GND diferentes no circuito para a rede elétrica), mas como você possui um dispositivo flutuante alimentado por bateria, isso não é problema.
Se você quiser experimentar, tente remover o resistor / capacitor entre a blindagem e o GND. Além disso, você pode querer usar um capacitor menor NP0 C0G ESD, o capacitor de 100nF possui dielétrico X7R, que não é adequado para esse tipo de tarefa.
A conexão GND-to-Shield é aparentemente bastante fraca e não está próxima ao conector USB. Portanto, o curto-circuito no GND faz com que o transitório viaje através da sua PCB até atingir a guia do chassi.
Acho que o problema aqui é que o designer original colocou o escudo USB sob os traços de sinal. Tocar a arma ESD faz com que o escudo "salte", que combina capacitativamente com os traços e componentes próximos. Agora, os rastreamentos de sinal e VBUS são compartilhados com o GND, para que sejam protegidos. No entanto, esses rastreamentos passam a ter CMC e ferrita enquanto o GND está diretamente acoplado - portanto, provavelmente eles suprimem o transiente nesses fios enquanto o transitório do GND continua inabalável.
NB, isso é apenas especulação.
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Eu tenho duas soluções:
Solução A
Substitua C3 pelo maior capacitor possível (micro, não nano farads).
Se isso não funcionar, então
Solução B
1) Remova o resistor e o capacitor que foram adicionados (R1 e C3),
2) desconecte o terra deste conector,
3) solde um fio da guia da blindagem (nó R1 C3) a este terra do conector e a outra extremidade o solde à guia de aterramento da placa de circuito impresso do conector oposto.
O resultado líquido dessas instruções é isolar o plano de aterramento da placa de circuito impresso da blindagem USB. Dessa forma, quando a blindagem USB for zapped, o ESD desviará o PSB e aterrará.
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