Tarcza USB. Do uziemienia czy nie do uziemienia?

Dano mi w pracy urządzenie do przeprowadzenia testów. Zasadniczo układ scalony staje się przestarzały, więc muszę przetestować część zamienną. Po ponownym sprawdzeniu ESD urządzenie nie powiodło się.

Sprawdziłem historię urządzenia i wcześniej były problemy z przekazywaniem ESD. Z obiektu testowego była notatka, że ​​ponieważ urządzenie było całkowicie metalowe (obudowa ze stali nierdzewnej) do przejścia wystarczyło wyładowanie kontaktowe do 4 kV (jestem w Wielkiej Brytanii). Najwyraźniej zawiodło to kilka razy, dopóki kondensator / rezystor nie został dodany między ekranem USB a masą, a także wprowadzono małą metalową wypustkę, aby dodać lepszy kontakt między masą płytki drukowanej a metalową obudową. To najwyraźniej pozwoliło mu przejść.

Ruszaj się przez 5 lat, a ja powtarzam testy. Za każdym razem, gdy wykonuję test rozładowania styków przy + 4 kV, urządzenie traci pamięć (jest to urządzenie do rejestrowania danych) i wymaga przywrócenia ustawień fabrycznych i ponownego uruchomienia rejestrowania, aby znów działać. Ponownie sprawdziłem niektóre stare przy użyciu poprzedniego układu scalonego i stwierdziłem, że to również kończy się niepowodzeniem. Wydawało się, że był to sporadyczny problem (niektóre urządzenia przeszły 3 w 10 testach, inne nie zdały wszystkich 10 itd.), Więc wydaje mi się, że zaliczenie testu ESD wcześniej było prawdopodobnie przypadkiem.

Próbowałem wielu rzeczy, umieściłem dodatkowe kondensatory równolegle z obecnym podłączającym ekran USB do uziemienia (różne wartości, wysokie / niskie), zmieniłem rezystor na różne wartości (wyższy / niższy opór) i spróbowałem koralików ferrytowych w równoległe i koraliki ferrytowe zamiast Rezystora / kondensatora, jak widziałem niektóre miejsca zalecane, ale i tak się nie udało. Jedynym sposobem, w jaki udało mi się to przejść, było uziemienie tarczy USB bezpośrednio .

Patrząc online, nie mogę znaleźć nigdzie, co by wyraźnie mówiło, czy powinieneś uziemić tarczę USB. Ta dyskusja TUTAJ ma różne poglądy, ta TUTAJ również ma na ten temat dyskusję. TA Link wspomina ekran powinien być podłączony tylko do ziemi w przyjmującym, ale żadne urządzenie należy podłączyć ekran do ziemi .... TO dokument mówi, że tarcza powinna być podłączona do obudowy. Jednak na ryc. 12 wydaje się, że ekran USB powinien być przywiązany do płaszczyzny GND.

Wygląda na to, że jest wiele różnych poglądów na ten temat, więc nie jestem pewien, co robić dalej. Uziemienie tarczy pozwala mu przejść ESD, ale czy to coś, co należy zrobić? Czy powinienem nadal szukać lepszego rozwiązania? Jeśli tak, jakie jest dobre rozwiązanie.

WIĘCEJ INFORMACJI:

• Płytka drukowana jest bardzo nieregularna i ma mało miejsca, przez co płaszczyzna uziemienia w pobliżu złącza USB jest bardzo mała.
• Nie wolno mi zmieniać w tym zakresie żadnego projektu mechanicznego. Muszę tylko znaleźć rozwiązanie, które można łatwo wdrożyć i nie wymaga przeprojektowania płytki drukowanej lub produktu, więc te sugestie są bezcelowe.
• Jest to urządzenie robocze i jako takie nie wolno mi pokazywać schematu, więc proszę nie pytać. Obwody wejściowe USB zostały oparte na tej konstrukcji:
• Zabezpieczenia dławika, ferrytu i diody TVS są już w fazie projektowania.
• Nie jestem oryginalnym inżynierem. Nie działają już dla firmy, więc nie jestem w stanie znaleźć uzasadnienia dla dokonanych wyborów projektowych
• Urządzeniem jest USB 2.0
• Jednostka przechodzi test przy -4kV, to tylko + 4kV, gdzie się nie powiedzie

WIĘCEJ INFORMACJI

I więcej informacji wymaganych w komentarzach zostanie dodanych tutaj.

• Andy aka: Mogę ci tyle pokazać:

  

Jedyne, co mogę pokazać rzeczywistą płytkę drukowaną, to:

Widać, że pion uziemienia zatrzymuje się przed gniazdem USB. Duży otwór to miejsce, w którym wypustki osłony USB mają mechaniczne połączenie z płytką drukowaną. R1 następnie podłącza ekran do GND, a kondensator C3 robi to samo na drugim połączeniu. Tarcza jest połączona z ziemią za pomocą nasadki 100k res / 100nF. Na płytce drukowanej znajduje się metalowa zakładka, która spoczywa na metalowej obudowie. Według starego raportu ESD było to konieczne lub urządzenie uległo awarii. O ile widzę, były to jedyne rzeczy dodane oprócz tego przykładowego obwodu w celu ochrony przed ESD.

W odpowiedzi na pytania w komentarzach:

• Błąd występuje podczas wykonywania testu wyładowania stykowego na tarczy USB (wszystkie inne obszary są w porządku, tylko tarcza USB nie działa)
• Test ma miejsce podczas rejestrowania urządzenia. Nie jest podłączony do żadnego urządzenia przez USB.
• Próbowałem łącza 0R do GND zamiast rozwiązania rezystor / kondensator, ale to nadal nie działa. Gdy dodam łącze druciane bezpośrednio z osłony USB do obudowy (która jest podłączona do PCB GND), problem zostaje rozwiązany. Wierzę, że dzieje się tak z powodu konstrukcji PCB. Płaszczyzna uziemienia w pobliżu strony USB jest bardzo mała (około 12 mm x 15 mm). Ale podwozie jest duże. Tego nie mogę zmienić.
• Położenie karty Podwozie do płytki GND znajduje się na płycie podrzędnej, z 30 śladami do karty. (tak, wiem, że to brzmi dziwnie, ale ograniczenia przestrzeni były absurdalne i to nie był mój projekt!)

Najlepsze praktyki

Po pierwsze (trochę jak gliniarz) osobiście, w projektach zawsze uziemiam przez rezystor 0R, aby decyzja mogła zostać zmieniona. Dotyczy to praktycznie każdej tarczy (Ethernet, USB itp.)

Głównym problemem, który może się pojawić, jest uziemienie tarczy po obu stronach, a dwa końce nie zgadzają się co do tego, co wynosi 0 V. Może to spowodować uszkodzenie obu końców przez prądy płynące tam, gdzie nie powinny (jeśli ścieżka ekranu wynosi 0,2 oma, a różnica napięć 1 V, to 5 A idzie tam, gdzie nie powinna)

Możesz pomyśleć, dlaczego tak się stanie ? Ale pomyśl o sytuacji, w której laptop jest podłączony do urządzenia zasilanego z sieci przez USB. Laptop może być zasilany tylko z baterii (bez prawdziwego uziemienia), ale sprzęt jest podłączony do sieci, a zatem może mieć rzeczywiste zerowe uziemienie.

Tak więc rozwiązaniem jest połączenie tylko na jednym końcu, ale uzgodnienie, który koniec.

Zasadniczo oczekuje się, że urządzenie hosta USB zapewni zasilanie, a urządzenie podrzędne jest dość często całkowicie zasilane przez magistralę i nie ma połączeń z niczym innym na świecie (np. Pamięć USB, klucz WiFi itp.). Ogólnie rzecz biorąc, host USB powinien podłączyć ekran do uziemienia (i uziemienia, jeśli to możliwe). Dlatego zwykle oczekuje się, że strona hosta przywiąże tarczę do ziemi lub ziemi.

Fakt, że jest tak wiele sprzecznych komentarzy od ludzi i różnych doświadczeń, pokazuje wyraźnie, że nie jest wcale bezpieczne zakładać, że zawsze jest to przestrzegane, tak jak wspomniałem po pierwsze - dodaj opcję łatwej zmiany.

W tej sytuacji

Po omówieniu tego na czacie proponowane rozwiązanie jest inne. Ponieważ jest to pytanie dotyczące ESD, jest bałaganiarskie i skomplikowane i obejmuje wiele aspektów projektu (elektryczne, mechaniczne, systemowe). Czat jest dostępny dla wszystkich, ale są ważne elementy:

• Ten rejestrator danych nie ma żadnych innych połączeń oprócz połączenia USB z komputerem PC / laptopem
• Rejestrator ma metalową obudowę, która jest przymocowana do uziemienia płytki drukowanej.
• Gdy osłona USB nie jest bezpośrednio podłączona do uziemienia płytki drukowanej (na przykład podłączonego przez R || C lub HiZ), rejestrator nie działa (traci zawartość pamięci).
• W teście ESD kabel USB nie jest podłączony (lub unosi się na drugim końcu).
• OP nie jest autorem projektu i ma bardzo ograniczony zakres wprowadzania zmian w projekcie w celu rozwiązania tego problemu.

Podejrzewam, że problem dotyczy najprawdopodobniej układu PCB. Skok ESD idzie ścieżką z tarczy, obok wrażliwej elektroniki i wreszcie dociera do podwozia. Poprzez bezpośrednie połączenie ekranu z obudową za pomocą drutu, ścieżka udarowa ESD dociera do obudowy bez zbliżania się do płytki drukowanej, dzięki czemu unika się problemu.

W tej sytuacji, ponieważ rejestrator danych nie ma innych połączeń z innymi urządzeniami; potencjalne problemy (zamierzona gra słów) nie mogą wystąpić. Sugerowałbym więc podłączenie tarczy do podwozia. Albo drutem, albo bardziej przyjazne dla produkcji podejście jest uszczelką ESD wokół złącza, która jest gąbczastym materiałem przewodzącym, który zapewnia połączenie bez ręcznego lutowania i nie przymocowuje na stałe obudowy do płyty.

W bardziej idealnym świecie szanowałbym płytę, aby obudowa była odizolowana od masy płytki drukowanej, a obudowa była podłączona do ekranu. Oznacza to, że przepięcia ESD nie mogą w ogóle dotrzeć do wrażliwej elektroniki. Z wyjątkiem sytuacji, gdy dla zabawy włożono piny danych na złączu USB - w takim przypadku diody ESD na liniach danych, które podają ścieżkę do uziemienia obudowy, a nie uziemienia płytki drukowanej.

Musisz zbadać ścieżkę wysokoprądową w całym projekcie, a projekt musi zapewniać oddzielną siatkę ekranującą, aby uniknąć wyładowania ESD przechodzącego przez masę sygnałową, co spowoduje „odbicie od ziemi” i zakłóci funkcjonalność. To nie jest łatwa sprawa. Wykonując proste, solidne połączenie między masą sygnałową a osłoną, możesz napotkać problemy z zakłóceniami elektromagnetycznymi i zawieść ich certyfikaty. Aby uzyskać więcej informacji, możesz przejrzeć ten temat, jak zrównoważyć dwa sprzeczne wymagania dotyczące osłon USB.

Biorąc pod uwagę to, co powiedziałeś nam o urządzeniu:

• Zasilanie bateryjne
• Zwykle nie jest podłączony do USB
• Nie ma połączeń z zewnętrznymi czujnikami lub urządzeniami podczas pomiarów
• Nie ma żadnych dostępnych metalowych części oprócz obudowy i
  osłony USB .

Po prostu podłącz obudowę do tarczy USB i gotowe.

Poprzednia odpowiedź wskazywała na problemy z prądami pętli (dwie różne ścieżki GND w obwodzie do sieci), ale ponieważ masz pływające urządzenie zasilane z baterii, nie stanowi to problemu.

Jeśli chcesz eksperymentować, możesz spróbować usunąć rezystor / kondensator między ekranem a GND. Możesz także użyć mniejszego kondensatora NP0 C0G ESD, kondensator 100nF ma dielektryk X7R, który nie jest dobrze przystosowany do tego rodzaju zadań.

Połączenie GND-to-Shield jest najwyraźniej słabe i nie znajduje się w pobliżu złącza USB. Tak więc zwarcie tarczy do GND powoduje, że przemijający ruch przechodzi przez płytkę drukowaną, dopóki nie dotknie zakładki podwozia.

Myślę, że problemem jest to, że oryginalny projektant umieścił tarczę USB pod śladami sygnału. Zerowanie działa ESD powoduje, że tarcza „przeskakuje”, łącząc się pojemnościowo ze śladami i elementami w pobliżu. Teraz ślady sygnałów i VBUS są wtłoczone do GND, więc są chronione. Jednak te ślady następnie przechodzą w CMC i ferryt, podczas gdy GND jest bezpośrednio sprzężony - więc prawdopodobnie tłumią one stan przejściowy w tych drutach, podczas gdy stan nieustalony GND trwa nadal.

NB to tylko spekulacja.

Mam dwa rozwiązania:

Rozwiązanie A
Zamień C3 na największy możliwy kondensator (mikro, nie nano farady).
Jeśli to nie zadziała, to

Rozwiązanie B
1) Usuń rezystor i kondensator, które zostały dodane (R1 i C3),
2) odłącz uziemienie od tego złącza,
3) przylutuj drut z zakładki ekranu (węzeł R1 C3) do tego uziemienia złącza, a drugi koniec przylutuj do zakładki uziemienia płytki drukowanej przeciwnego złącza.

Ostatecznym rezultatem tych instrukcji jest izolacja płaszczyzny uziemienia PCB od tarczy USB. W ten sposób, gdy tarcza USB zostanie zablokowana, ESD obejdzie PSB i przejdzie na ziemię.