โล่ USB ลงดินหรือไม่ลงดิน

ฉันได้รับอุปกรณ์ในที่ทำงานเพื่อทำการทดสอบ โดยทั่วไป IC กำลังล้าสมัยดังนั้นฉันต้องทดสอบชิ้นส่วนทดแทน เมื่อทำการตรวจสอบ ESD ซ้ำอุปกรณ์จะล้มเหลว

ฉันตรวจสอบประวัติของอุปกรณ์และมีปัญหาในการส่ง ESD มาก่อน มีข้อความจากสถานที่ทดสอบว่าอุปกรณ์ดังกล่าวเป็นโลหะทั้งหมด (ตัวเรือนสแตนเลสสตีล) เท่านั้นที่ต้องมีการสัมผัสกับดิสชาร์จถึง 4kV (ฉันอยู่ในสหราชอาณาจักร) เห็นได้ชัดว่ามันล้มเหลวสองสามครั้งจนกระทั่งตัวเก็บประจุ / ตัวต้านทานถูกเพิ่มระหว่างตัวป้องกัน USB และกราวด์และมีการแนะนำแท็บโลหะขนาดเล็กเพื่อเพิ่มการสัมผัสที่ดีขึ้นระหว่างกราวด์ PCB และตัวโลหะ เห็นได้ชัดว่าเรื่องนี้ทำให้มันผ่าน

ย้ายไป 5 ปีและฉันทำการทดสอบซ้ำ ทุกครั้งที่ฉันทำการทดสอบการปลดปล่อยผู้ติดต่อที่ +4kV อุปกรณ์จะสูญเสียหน่วยความจำ (นี่คืออุปกรณ์บันทึกข้อมูล) และต้องมีการรีเซ็ตเป็นค่าเริ่มต้นจากโรงงานและเริ่มการบันทึกใหม่เพื่อให้ทำงานได้อีกครั้ง ฉันตรวจสอบเก่าบางรายการโดยใช้ IC ก่อนหน้านี้และพบว่าสิ่งนี้ก็ล้มเหลวเช่นกัน ดูเหมือนว่ามันเป็นปัญหาที่เกิดขึ้นเป็นระยะ ๆ (อุปกรณ์บางตัวผ่านการทดสอบ 3 ใน 10 ครั้ง, อื่น ๆ ล้มเหลวทั้งหมด 10 ฯลฯ ) ดังนั้นสำหรับฉันที่ดูเหมือนว่าผ่านการทดสอบ ESD ดูเหมือนว่าจะมีความบังเอิญ

ฉันลองสิ่งต่าง ๆ ฉันใส่ตัวเก็บประจุเพิ่มเติมควบคู่กับกระแสที่เชื่อมต่อตัวป้องกัน USB เข้ากับกราวด์ (ค่าต่าง ๆ สูง / ต่ำ) ฉันเปลี่ยนตัวต้านทานเป็นค่าต่าง ๆ (ความต้านทานสูง / ต่ำ) และลองเฟอร์ไรท์บีดใน ขนานและเม็ดเฟอร์ไรต์แทนตัวต้านทาน / ตัวเก็บประจุตามที่ฉันเคยเห็นบางสถานที่แนะนำ แต่ก็ยังคงล้มเหลว วิธีเดียวที่ผมได้รับมันจะผ่านโดยดินโล่ USB โดยตรง

กำลังดูออนไลน์ฉันไม่พบที่ใดก็ได้ที่ระบุอย่างชัดเจนไม่ว่าคุณจะควรหรือไม่ควรติดตั้งแผงป้องกัน USB การสนทนาที่นี่มีมุมมองที่แตกต่างกันที่นี่ยังมีการอภิปรายเกี่ยวกับเรื่องนี้ ลิงค์นี้กล่าวถึงโล่ควรเชื่อมต่อกับกราวด์ที่โฮสต์เท่านั้น แต่ไม่ควรเชื่อมต่ออุปกรณ์ใด ๆ เข้ากับกราวด์ ... เอกสารนี้ระบุว่าโล่ควรเชื่อมต่อกับแชสซี ทว่าในรูปที่ 12 ดูเหมือนว่าการแสดงตัวบัง USB ควรเชื่อมโยงกับระนาบ GND

ดูเหมือนว่าจะมีมุมมองที่แตกต่างกันมากมายเกี่ยวกับเรื่องนี้ดังนั้นฉันจึงไม่แน่ใจว่าจะทำอย่างไรต่อไป การต่อสายดินให้มันผ่าน ESD ได้ แต่สิ่งนี้ควรทำหรือไม่? หรือฉันควรหาทางออกที่ดีกว่านี้ต่อไปหรือไม่ ถ้าเป็นเช่นนั้นทางออกที่ดีคืออะไร

ข้อมูลเพิ่มเติม:

• PCB นั้นผิดปกติมากและมีพื้นที่ จำกัด ทำให้ระนาบกราวด์ใกล้กับขั้วต่อ USB มีขนาดเล็กมาก
• ฉันไม่ได้รับอนุญาตให้เปลี่ยนการออกแบบเชิงกลใด ๆ เกี่ยวกับเรื่องนี้ ฉันแค่หาวิธีแก้ปัญหาที่สามารถนำไปใช้งานได้ง่ายและไม่ต้องการการออกแบบ PCB หรือผลิตภัณฑ์ใหม่ดังนั้นคำแนะนำเหล่านั้นจึงไร้ประโยชน์
• นี่เป็นอุปกรณ์ทำงานและเป็นเช่นนี้ฉันไม่ได้รับอนุญาตให้แสดงแผนผังดังนั้นโปรดอย่าถาม วงจรอินพุต USB ได้รับการออกแบบตามนี้:
• การป้องกันโช้คโหมดเฟอร์ไรต์และไดโอด TVS ทั่วไปนั้นได้รับการออกแบบมาเรียบร้อยแล้ว
• ฉันไม่ใช่วิศวกรออกแบบดั้งเดิม พวกเขาไม่ทำงานให้กับ บริษัท อีกต่อไปดังนั้นฉันจึงไม่สามารถหาเหตุผลในการเลือกการออกแบบที่พวกเขาทำ
• อุปกรณ์คือ USB 2.0
• หน่วยผ่านการทดสอบที่ -4kV เป็นเพียง + 4kV ที่ล้มเหลว

ข้อมูลเพิ่มเติม

และข้อมูลเพิ่มเติมที่จำเป็นในความคิดเห็นจะถูกเพิ่มที่นี่

• Andy aka: ฉันสามารถแสดงให้คุณเห็นสิ่งนี้มาก:

  

ทั้งหมดที่ฉันสามารถแสดง PCB ที่แท้จริงคือ:

คุณสามารถเห็นได้ว่ากราวนด์แบบกราวด์นั้นสั้นลงจากช่องเสียบ USB รูขนาดใหญ่เป็นที่แท็บสำหรับตัวบัง USB เพื่อเชื่อมต่อทางกลกับ PCB R1 เชื่อมต่อตัวป้องกันกับ GND แล้วและตัวเก็บประจุ C3 ก็ทำเช่นเดียวกันกับการเชื่อมต่ออื่น ๆ โล่เชื่อมต่อกับกราวด์ผ่านทาง 100k res / 100nF cap มีแถบโลหะที่ติดตั้งกับ PCB ซึ่งวางอยู่บนโครงเครื่องโลหะ ตามรายงาน ESD เก่าสิ่งนี้เป็นสิ่งจำเป็นหรืออุปกรณ์ล้มเหลว เท่าที่ฉันเห็นสิ่งเหล่านี้เป็นเพียงสิ่งเดียวที่เพิ่มเติมเข้ามานอกเหนือจากตัวอย่างวงจรเพื่อป้องกัน ESD

เพื่อตอบคำถามในความคิดเห็น:

• ความล้มเหลวเกิดขึ้นเมื่อทำการทดสอบการปลดปล่อย ESD ของผู้ติดต่อบนแผงป้องกัน USB (พื้นที่อื่น ๆ ทั้งหมดเป็นไปด้วยดีเพียงมีช่องเสียบ USB ป้องกันไม่สำเร็จ)
• การทดสอบเกิดขึ้นขณะที่เครื่องกำลังบันทึก ไม่ได้เชื่อมต่อกับอุปกรณ์ใด ๆ ผ่าน USB
• ฉันได้ลองลิงก์ 0R ไปยัง GND แทนตัวต้านทาน / ตัวเก็บประจุแล้ว แต่สิ่งนี้ยังคงล้มเหลว เมื่อฉันเพิ่มการเชื่อมโยงสายโดยตรงจากตัวป้องกัน USB เข้ากับตัวเครื่อง (ซึ่งเชื่อมต่อกับ PCB GND) ปัญหาจะได้รับการแก้ไข ฉันเชื่อว่าเป็นเพราะการออกแบบ PCB ระนาบกราวด์ใกล้กับด้าน USB มีขนาดเล็กมาก (ประมาณ 12 มม. x 15 มม.) แต่แชสซีนั้นมีขนาดใหญ่ นี่คือสิ่งที่ฉันไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้
• ตำแหน่งของแท็บ Chassis to PCB GND อยู่บน sub-PCB โดยมีการติดตาม 30 แท็บ (ใช่ฉันรู้ว่ามันฟังดูแปลก แต่ข้อ จำกัด ของพื้นที่นั้นไร้สาระและนี่ไม่ใช่การออกแบบของฉัน!)

ปฏิบัติที่ดีที่สุด

ประการแรก (เป็นบิตของตำรวจ) ส่วนตัวในการออกแบบฉันมักจะผ่านตัวต้านทาน 0R เพื่อให้การตัดสินใจสามารถเปลี่ยนแปลงได้ สิ่งนี้จะช่วยป้องกันได้มาก (Ethernet, USB ฯลฯ )

ปัญหาหลักที่เกิดขึ้นคือเมื่อโล่มีการต่อสายดินที่ปลายทั้งสองด้านและปลายทั้งสองไม่เห็นด้วยกับสิ่งที่ 0V คือ สิ่งนี้สามารถสร้างความเสียหายให้กับปลายทั้งสองข้างได้โดยกระแสที่ไหลไม่ควร (ถ้าทางโล่ 0.2ohms และแรงดันไฟฟ้าต่างกัน 1V นั่นคือ 5A ไปที่ที่มันไม่ควร)

คุณอาจคิดว่าทำไมจะนี้เคยเกิดขึ้น ? แต่ให้นึกถึงสถานการณ์ที่แล็ปท็อปเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ขับเคลื่อนหลักผ่าน USB แล็ปท็อปอาจใช้แบตเตอรี่เท่านั้น (ไม่มีการอ้างอิง Earth จริง) แต่อุปกรณ์เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟหลักและอาจมีการอ้างอิง Earth 0V จริง

ดังนั้นทางออกคือการเชื่อมต่อที่ปลายด้านเดียวเท่านั้น แต่มีข้อตกลงบางอย่างที่ปลายด้านหนึ่ง

โดยทั่วไปแล้วอุปกรณ์โฮสต์ USB จะถูกคาดหวังให้ใช้พลังงานและอุปกรณ์ทาสมักใช้พลังงานจากบัสทั้งหมดและไม่มีการเชื่อมต่อกับสิ่งอื่นใดในโลกภายนอก (คิดว่าหน่วยความจำ USB, ดองเกิล WiFi ฯลฯ ) โดยทั่วไปโฮสต์ USB ควรเชื่อมต่อเกราะกับพื้นดิน (และแผ่นดินถ้าเป็นไปได้) นี่คือสาเหตุที่ด้านโฮสต์มักคาดว่าจะผูกโล่กับพื้นดินหรือดิน

ความจริงที่ว่ามีความคิดเห็นที่ขัดแย้งกันมากมายจากผู้คนและประสบการณ์ที่แตกต่างกันแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่ามันปลอดภัยที่จะยอมรับว่านี่เป็นสิ่งที่ปฏิบัติตามเสมอดังนั้นอย่างที่ฉันได้กล่าวไว้ในตอนแรก - เพิ่มตัวเลือกในการเปลี่ยนแปลงได้อย่างง่ายดาย

ในสถานการณ์นี้

หลังจากพูดคุยเรื่องนี้ในการแชททางออกที่นำเสนอจะแตกต่างกัน เนื่องจากนี่เป็นคำถามเกี่ยวกับ ESD มันยุ่งและซับซ้อนและเกี่ยวข้องกับการออกแบบหลาย ๆ ด้าน (ไฟฟ้าเครื่องกลระบบ) การแชทมีให้ทุกคนเห็น แต่มีบิตสำคัญ:

• ตัวบันทึกข้อมูลนี้ไม่มีการเชื่อมต่ออื่นนอกเหนือจากการเชื่อมต่อ USB ไปยังพีซี / แล็ปท็อป
• เครื่องบันทึกข้อมูลมีโครงเครื่องโลหะที่ยึดติดกับพื้นบอร์ด PCB
• เมื่อ USB shield ไม่ได้เชื่อมต่อโดยตรงกับบอร์ด PCB (ตัวอย่างเช่นเชื่อมต่อโดย R | | C หรือ HiZ), ตัวบันทึกข้อมูลล้มเหลว (สูญเสียเนื้อหาของหน่วยความจำ)
• ในการทดสอบ ESD สาย USB ไม่ได้ต่ออยู่ (หรือลอยอยู่ที่ปลายอีกด้าน)
• OP ไม่ใช่ผู้ออกแบบและมีขอบเขตที่ จำกัด มากสำหรับการเปลี่ยนแปลงการออกแบบเพื่อแก้ไขปัญหานี้

ฉันคาดการณ์ว่าปัญหาน่าจะเกี่ยวข้องกับเค้าโครง PCB มากที่สุด กระแส ESD กำลังทะลุผ่านจากแผงป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อการสัมผัสและในที่สุดก็มาถึงตัวเครื่อง ด้วยการเชื่อมต่อตัวป้องกันโดยตรงเข้ากับตัวถังด้วยลวดทางเดินไฟกระชาก ESD จะไปถึงตัวเครื่องโดยไม่ต้องเข้าใกล้ PCB เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหา

ในสถานการณ์นี้เนื่องจากตัวบันทึกข้อมูลไม่มีการเชื่อมต่ออื่น ๆ กับอุปกรณ์อื่น ๆ ปัญหาที่อาจเกิดขึ้น (ปุนตั้งใจ) ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ ดังนั้นฉันขอแนะนำให้เชื่อมต่อตัวป้องกันกับแชสซี ไม่ว่าจะใช้ลวดหรือวิธีที่เป็นมิตรต่อการผลิตมากขึ้นก็คือปะเก็น ESD รอบ ๆ ตัวเชื่อมต่อซึ่งเป็นวัสดุตัวนำที่เป็นรูพรุนซึ่งให้การเชื่อมต่อโดยไม่มีการบัดกรีด้วยมือและไม่ได้ติดตั้งแชสซีเข้ากับบอร์ด

ในโลกอุดมคติมากขึ้นฉันจะเคารพบอร์ดดังนั้นแชสซีจะแยกออกจากพื้นบอร์ด PCB และแชสซีเชื่อมต่อกับโล่ นั่นหมายความว่าเป็นไปไม่ได้ที่ ESD จะสามารถเข้าถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญได้ ยกเว้นถ้าคุณใช้ดาต้าปินในตัวเชื่อมต่อ USB เพื่อความสนุก - ในกรณี ESD ไดโอดบนดาต้าไลน์ที่ให้เส้นทางไปยังแชสซีกราวด์ไม่ใช่ PCB Board ground

คุณต้องตรวจสอบเส้นทางที่มีกระแสสูงข้ามการออกแบบของคุณและการออกแบบจะต้องมีตาข่ายกั้นแยกเพื่อหลีกเลี่ยงการคายประจุ ESD เพื่อข้ามพื้นสัญญาณซึ่งจะสร้าง "กราวด์เด้ง" และรบกวนการทำงาน นี่ไม่ใช่เรื่องง่าย ด้วยการทำให้การเชื่อมต่อที่มั่นคงง่ายระหว่างกราวด์สัญญาณและตัวป้องกันคุณอาจพบปัญหา EMI และไม่ผ่านการรับรอง EMI สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมคุณอาจต้องการตรวจสอบหัวข้อนี้เกี่ยวกับวิธีสร้างสมดุลของข้อกำหนดที่ขัดแย้งสองประการสำหรับการป้องกัน USB

พิจารณาสิ่งที่คุณบอกเราเกี่ยวกับอุปกรณ์:

• ใช้พลังงานแบตเตอรี่
• ปกติไม่ได้เชื่อมต่อกับ USB
• ไม่มีการเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์หรืออุปกรณ์ภายนอกในระหว่างการวัด
• ไม่มีชิ้นส่วนโลหะที่เข้าถึงได้นอกเหนือจากแชสซีและตัว
  บังUSB

เพียงเชื่อมต่อแชสซีเข้ากับตัวป้องกัน USB และทำได้ด้วย

คำตอบก่อนหน้านี้ชี้ให้เห็นปัญหาเกี่ยวกับกระแสวน (สองเส้นทาง GND ที่แตกต่างกันในวงจรกับไฟเมน) แต่เนื่องจากคุณมีอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่แบบลอยตัวนี่เป็นปัญหาที่ไม่เป็นปัญหา

หากคุณต้องการทดลองคุณอาจลองลบตัวต้านทาน / ตัวเก็บประจุระหว่างชิลด์กับ GND นอกจากนี้คุณอาจต้องการใช้ตัวเก็บประจุ ESD ขนาดเล็กของ NP0 C0G ตัวเก็บประจุ 100nF มีไดอิเล็กตริก X7R ซึ่งไม่เหมาะกับงานประเภทนี้

เห็นได้ชัดว่าการเชื่อมต่อ GND-to-Shield ค่อนข้างอ่อนแอและไม่ใกล้กับช่องเสียบ USB ดังนั้น shorting shield to GND ทำให้การเดินทางชั่วคราวผ่าน PCB ของคุณจนกว่าจะถึงแท็บแชสซี

ฉันคิดว่าปัญหาที่นี่คือนักออกแบบดั้งเดิมใส่ USB shield ภายใต้ร่องรอยสัญญาณ Zapping ปืน ESD ทำให้เกราะ "กระโดด" ซึ่งคู่กับความจุกับร่องรอยและส่วนประกอบใกล้เคียง ตอนนี้การส่งสัญญาณและการติดตาม VBUS นั้นได้รับการสนับสนุนจาก GND เพื่อให้มีการป้องกัน อย่างไรก็ตามร่องรอยเหล่านี้จะมี CMC และเฟอร์ไรต์ในขณะที่ GND เชื่อมต่อโดยตรง - ดังนั้นบางทีสิ่งเหล่านี้อาจหยุดการทำงานชั่วคราวของสายไฟเหล่านั้นในขณะที่ GND transient ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง

NBนี่เป็นเพียงการเก็งกำไร

ฉันมีสองวิธี:

การแก้ไข A
แทนที่ C3 ด้วยตัวเก็บประจุที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ (ไมโคร, ไม่ใช่นาโนฟาร์ด)
หากไม่ได้ผลแล้ว

โซลูชัน B
1) ถอดตัวต้านทานและตัวเก็บประจุที่เพิ่ม (R1 & C3),
2) ตัดการเชื่อมต่อกราวด์ออกจากขั้วต่อนี้
3) บัดกรีสายไฟจากแท็บป้องกัน (โหนดโหนด R1 C3) ไปยังกราวด์ตัวเชื่อมต่อนี้ ไปที่แท็บพื้น PCB ของขั้วต่อตรงข้าม

ผลลัพธ์สุทธิของคำแนะนำเหล่านี้คือการแยกระนาบพื้น PCB ออกจากตัวป้องกัน USB วิธีนี้เมื่อ USB shield ถูก zapped ESD จะข้าม PSB และไปที่กราวด์