Escudo USB. ¿Conectar o no conectar a tierra?

Question

Me han dado un dispositivo en el trabajo para hacer algunas pruebas. Básicamente, un circuito integrado se está quedando obsoleto, por lo que tengo que probar una pieza de sustitución. Al volver a realizar las comprobaciones de ESD, el dispositivo ha fallado.

He comprobado el historial del dispositivo y ya hubo problemas al pasar la ESD. Había una nota del centro de pruebas que decía que como el dispositivo era completamente metálico (carcasa de acero inoxidable) sólo se necesitaba una descarga de contacto de hasta 4kV para pasar (estoy en el Reino Unido). Al parecer, falló varias veces hasta que se añadió un condensador/resistencia entre la pantalla USB y la tierra, y se introdujo una pequeña lengüeta metálica para mejorar el contacto entre la tierra de la PCB y la carcasa metálica. Al parecer, esto permitió que pasara.

Pasan 5 años y vuelvo a hacer las pruebas. Cada vez que hago la prueba de descarga de contactos a +4kV, el aparato pierde la memoria (es un aparato de registro de datos) y necesita un restablecimiento de fábrica y reiniciar el registro para volver a funcionar. Volví a comprobar algunos antiguos utilizando el anterior CI y comprobé que también falla. Parecía que era un problema intermitente (algunos dispositivos pasaron 3 de 10 pruebas, otros fallaron todos los 10, etc) por lo que me parece que el pase en la prueba de ESD anteriormente fue probablemente una casualidad.

Probé varias cosas, puse condensadores extra en paralelo con el actual que conecta el escudo USB a tierra (diferentes valores, alta/baja), cambié la resistencia a diferentes valores (mayor/menor resistencia) y probé con perlas de ferrita en paralelo, y perlas de ferrita en lugar de la resistencia/capacitor como había visto que recomendaban en algunos sitios, pero aún así falló. La única manera Conseguí que pasara fue conectando a tierra la pantalla del USB directamente .

Buscando en internet no encuentro ningún sitio que diga explícitamente si se debe o no conectar a tierra la pantalla del USB. Esta discusión AQUÍ tiene diferentes puntos de vista, este AQUÍ también tiene una discusión al respecto. ESTE El enlace menciona que la pantalla sólo debe conectarse a tierra en el host, pero ningún dispositivo debe conectar la pantalla a tierra.... ESTE El documento dice que la pantalla debe estar conectada al chasis. Sin embargo, en la figura 12 parece mostrar que la pantalla USB debe estar conectada al plano GND.

Parece que hay muchos puntos de vista diferentes sobre esto, así que no estoy seguro de qué hacer a continuación. Conectar a tierra la pantalla permite pasar la ESD, pero ¿es algo que se debe hacer? ¿O debería seguir buscando una solución mejor? Si es así, ¿cuál es una buena solución?

MÁS INFORMACIÓN:

• La placa de circuito impreso es muy irregular y tiene poco espacio, por lo que el suelo plano de tierra cerca del conector USB sea muy pequeño.
• No se me permite cambiar ningún diseño mecánico en esto. Sólo tengo que encontrar una solución que pueda ser fácilmente implementada y que no requiere un rediseño de la placa de circuito impreso o el producto por lo que esas sugerencias son no tiene sentido hacerlas.
• Este es un dispositivo de trabajo y como tal, no se me permite mostrar el esquema, así que por favor no pregunte. El circuito de entrada USB se basó en este diseño:
• La reactancia en modo común, la ferrita y la protección del diodo TVS ya están en el diseño.
• No soy el ingeniero de diseño original. Ya no trabajan para la empresa, por lo que no puedo encontrar su razonamiento para las opciones de diseño que hicieron
• El dispositivo es USB 2.0
• La unidad pasa la prueba a -4kV, es sólo a los +4kV donde falla

MÁS INFORMACIÓN

Y se añadirá aquí más información requerida en los comentarios.

• Andy aka: Puedo mostrarte esto:

  

Todo lo que puedo mostrar del PCB real es esto:

Se puede ver que la lanza de tierra se detiene antes de la toma USB. El agujero grande es donde las pestañas para el escudo USB para tener una conexión mecánica a la PCB. R1 está conectando el escudo a GND, y el condensador C3 está haciendo lo mismo en la otra conexión. El escudo se conecta a tierra a través de la tapa de 100k res/100nF. Hay una lengüeta metálica instalada en la PCB que se apoya en el chasis metálico. Según el antiguo informe de ESD, esto era necesario o el dispositivo fallaba. Por lo que puedo ver, estas fueron las únicas cosas añadidas además de ese circuito de ejemplo para proteger de la ESD.

En respuesta a las preguntas de los comentarios:

• El fallo se produce al hacer una prueba de descarga de contacto ESD en el escudo USB (todas las demás áreas está bien, sólo el escudo USB falla)
• La prueba se produce mientras la unidad está registrando. No está conectada a ningún dispositivo vía USB.
• He probado un enlace 0R a GND en lugar de la solución de la resistencia/capacitor, pero esto sigue fallando. Cuando añado un cable de enlace directo desde el escudo USB al chasis (que está conectado a la GND de la PCB) entonces el problema se resuelve. Creo que esto se debe al diseño de la PCB. El plano de tierra cerca del lado del USB es muy pequeño (unos 12mm x 15mm). Sin embargo, el chasis es grande. Esto es algo que no puedo cambiar.
• La ubicación de la lengüeta de GND del chasis a la PCB está en una sub-PCB, con una traza de 30ou a la lengüeta. (sí, sé que suena extraño, pero las limitaciones de espacio eran ridículas y este no era mi diseño).

Answer 1

Mejores prácticas

En primer lugar (como un poco de cop-out), personalmente, en los diseños que siempre tierra a través de una resistencia 0R para que la decisión puede ser cambiado. Esto va para casi cualquier escudo (Ethernet, USB, etc)

El principal problema que puede surgir es cuando la pantalla está conectada a tierra en cualquiera de los extremos, y los dos extremos no están de acuerdo en lo que es 0V. Esto puede causar daños en cualquiera de los extremos, por las corrientes que fluyen donde no deberían (si el camino de la pantalla es de 0,2 ohmios, y la diferencia de voltaje de 1V, que es 5A va donde no debería)

Puedes pensar que ¿por qué iba a ocurrir esto? ? Pero piensa en la situación en la que un portátil está conectado a un equipo alimentado por la red eléctrica a través de USB. El portátil podría estar sólo con la batería (sin una verdadera referencia de tierra), pero el equipo está conectado a la red eléctrica y por lo tanto puede tener una verdadera referencia de tierra de 0V.

Así que la solución es conectarse en un solo extremo, pero ponerse de acuerdo en cuál.

Por lo general, se espera que un host USB proporcione la energía y el dispositivo suele estar alimentado por el bus y no tiene conexiones con nada más en el mundo exterior (piense en una memoria USB, un dongle WiFi, etc.). En general, el host USB debería conectar la pantalla a tierra (y a la tierra, si es posible). Por eso se espera que el lado del host conecte la pantalla a tierra.

El hecho de que haya tantos comentarios contradictorios de la gente y diferentes experiencias muestra claramente que está lejos de ser seguro asumir que esto se cumple siempre, así que como he mencionado en primer lugar - añadir la opción de cambiarlo fácilmente.

En esta situación

Después de discutir esto en un chat, la solución propuesta es diferente. Dado que se trata de una pregunta sobre ESD, es un asunto complicado y que implica muchos aspectos del diseño (eléctrico, mecánico, del sistema). El chat está disponible para que todos lo vean, pero hay partes importantes:

• Este datalogger no tiene ninguna otra conexión, aparte de la conexión USB a un PC/portátil
• El datalogger tiene un chasis metálico, que está unido a la tierra de la placa de circuito impreso.
• Cuando el escudo USB no está conectado directamente a la tierra de la placa PCB (por ejemplo, conectado por R||C o HiZ), el datalogger falla (pierde el contenido de la memoria).
• En la prueba ESD, el cable USB no está conectado (o está flotando en el otro extremo).
• El OP no es el autor del diseño, y tiene un margen muy limitado para hacer cambios en el diseño para resolver este problema.

Supongo que el problema está relacionado con el diseño de la placa de circuito impreso. La sobretensión ESD está tomando un camino desde la pantalla, pasando por la electrónica sensible y finalmente alcanzando el chasis. Conectando directamente la pantalla al chasis con un cable, la trayectoria de la sobretensión ESD llega al chasis sin pasar cerca de la PCB, por lo que se evita el problema.

En esta situación, como el datalogger no tiene otras conexiones con ningún otro dispositivo, los problemas potenciales (juego de palabras) no pueden ocurrir. Así que yo sugeriría conectar la pantalla al chasis. Ya sea por un cable, o un enfoque más amigable para la producción es una junta ESD alrededor del conector que es un material conductor esponjoso que da una conexión sin soldadura manual y no permeabiliza el chasis a la placa.

En un mundo más ideal, yo volvería a unir la placa para que el chasis esté aislado de la tierra de la placa de circuito impreso y el chasis esté conectado a la pantalla. T

Answer 2

Un buen apantallamiento significa simplemente una buena continuidad del apantallamiento. La placa de circuito impreso normalmente no tiene nada que ver con esto - para la continuidad del apantallamiento, debería reemplazar mentalmente la placa con un aislante. A efectos de análisis, sustituya la placa por un trozo de FR4 desnudo, sin cobre, sólo los agujeros y el epoxi utilizado para sujetar los conectores . El apantallamiento entre todos los cables apantallados y la caja debe seguirán siendo continuas cuando lo haces.

Esto implica que debe haber una conexión eléctrica directa entre el metal del conector (¡todos y cada uno de los conectores!) y la carcasa metálica, y debe haber una conexión directa entre el blindaje del cable y el metal de la clavija que va al conector, y dicha conexión debe hacerse en 360 grados para rodear el aperturas que está siendo protegido. Literalmente, estás trabajando para cubrir todos los agujeros/esquemas tan bien como puedas. El hecho de que las líneas de señal pasen por esos huecos es secundario :)

En los enchufes de los cables, el apantallamiento debe ser capturado en una jaula que se extiende para formar el propio apantallamiento del enchufe, y luego el enchufe y el conector deben interoperar para proporcionar múltiples puntos de contacto alrededor de la circunferencia para mantener este requisito de 360 grados en todo momento.

Cualquier tipo de coleta en la conexión de la pantalla introduce tanta impedancia que es un fallo de calificación instantáneo . Si utiliza algún cable de señalización de alta frecuencia que tenga pigtails de apantallamiento visibles, deséchelo y utilice material de calidad. Este se fallar a EMC, y tiene un buen potencial para fallar a sus clientes en sus aplicaciones, incluso si de alguna manera se exprime. Hay cables HDMI vendidos por distribuidores de confianza (no estoy hablando de Walmart) que tienen pigtails en ellos. Es usted quien debe calificar el cable para su aplicación, incluyendo el desmontaje (carnicería) de cualquier enchufe sobremoldeado para inspeccionar su construcción . Si no lo hace, acabará pagándolo en forma de pruebas fallidas o de "misteriosas" quejas de los clientes, y cualquier ahorro que haya podido acumular a lo largo de los años por ignorar esta buena práctica básica de ingeniería se esfumará en un instante.

En los receptáculos de los dispositivos, la continuidad del apantallamiento de 360 grados suele estar garantizada mediante lengüetas de resorte EMI o mediante conectores de metal fundido que pueden fijarse directamente a la carcasa asegurando un buen contacto de 360 grados alrededor del apantallamiento exterior del enchufe.

No importa lo que hagas, el blindaje externo es no el trabajo del PCB, por lo que cualquier análisis de este tipo debe empezar por olvidar que el PCB está ahí. Nada de lo que hagas en la propia placa de circuito impreso puede igualar ni remotamente el rendimiento de un blindaje externo continuo. Como has aprendido, por las malas.

Esto también apunta a un malentendido común: el diseño mecánico y eléctrico son ambos una parte integral del diseño para la CEM - y, por lo tanto, una parte integral del proceso de diseño general, ya que la CEM no es un "accesorio", sino que es realmente fundamental, y son realmente inseparables la una de la otra. Siempre que se diseña algo eléctrico, no hay una "caja" separada en la que se coloca. La carcasa forma parte del proceso de diseño eléctrico y sus propiedades son tan importantes como las de los componentes de la propia placa.

Con bastante frecuencia se dan situaciones de readaptación como la que usted afronta, en las que se pone de manifiesto la inadecuación del proceso de diseño original, y debe nunca suponer que el dispositivo que tienes tiene realmente "ha funcionado bien" o "ha superado las pruebas", ya que no se puede saber lo cerca que estuvo de fallar, y a veces los apilamientos de tolerancia acaban funcionando a favor de uno ventaja atroz . ¿Por qué es atroz la ventaja? Porque es una mentira, una mentira que se sabe que ha hecho perder miles de horas de ingeniería y millones de dólares. Se "pasan" las pruebas mientras que en realidad se tiene un dispositivo marginal que puede no volver a pasar esas mismas pruebas una vez que entre en producción. Ahí está la mentira. Su prototipo tenía una ventaja atroz. Una vez. Ahora ha desaparecido. Olvídalo. La dirección te presenta "este dispositivo que siempre ha funcionado bien y ha pasado las pruebas" y tienes que "hacerlo pasar de nuevo". Unh-unh, queridos gerentes. No se puede ganar una discusión con la naturaleza. La mala ingeniería siempre vendrá a morderte en el trasero, sin peros. Nunca se trata de "mantener la caja igual". Si la carcasa era el origen del problema para empezar, no puedes usar tu voluntad para convencer a la naturaleza de que, retroactivamente, no hablemos más de la carcasa. Si la caja es el problema, tienes que aceptarlo y solucionarlo, normalmente modificando la caja, eligiendo mejores conectores, etc.

Answer 3

Es necesario examinar la ruta de alta corriente a través de su diseño, y el diseño debe proporcionar una red de blindaje separada para evitar que la descarga ESD pase por encima de la tierra de la señal, lo que creará un "rebote de tierra" e interrumpirá la funcionalidad. Esto no es fácil. Si se hace una simple conexión sólida entre la tierra de la señal y el blindaje, se pueden tener problemas de EMI y no se pueden obtener las certificaciones de EMI. Para más detalles, es posible que desee revisar este tema sobre cómo equilibrar dos requisitos contradictorios para los escudos USB.

Answer 4

Teniendo en cuenta lo que nos ha dicho sobre el dispositivo:

• Con pilas
• Normalmente no se conecta al USB
• No tiene conexiones con sensores o dispositivos externos durante mediciones
• No tiene partes metálicas accesibles aparte del chasis y el USB
  escudo.

Sólo hay que conectar el chasis al escudo USB y listo.

En la respuesta anterior se señalaron problemas con las corrientes de bucle (dos caminos diferentes de GND en el circuito a la red), pero como tienes un dispositivo alimentado por batería flotante, esto no es un problema.

Si quieres experimentar, puedes probar a quitar la resistencia/capacitor entre la pantalla y el GND. También es posible que desee utilizar más pequeño NP0 C0G condensador ESD, 100nF condensador tiene X7R dieléctrico que no es muy adecuado para este tipo de tarea.

La conexión de GND a escudo es aparentemente bastante débil y no está cerca del conector USB. Así que el cortocircuito del escudo a GND hace que el transitorio viaje a través de su PCB hasta que golpea la pestaña del chasis.

Creo que el problema aquí es que el diseñador original puso la pantalla USB debajo de las trazas de señal. El disparo de la pistola ESD hace que la pantalla "salte" y se acople capacitivamente con las trazas y los componentes cercanos. Ahora las trazas de señal y VBUS están conectadas a GND, por lo que están protegidas. Sin embargo, estas trazas van a tener CMC y ferrita mientras que el GND está directamente acoplado - Así que probablemente estos suprimen el transitorio en esos cables mientras que el transitorio de GND continúa sin disminuir.

NB esto es sólo una especulación.

Answer 5

Por la descripción y los esquemas básicos proporcionados. Parece que están usando el circuito TVS equivocado. Porque los datos +/- son de línea de transmisión balanceada, y el circuito TVS en el esquema es para líneas de transmisión desbalanceadas. El apantallamiento es poco importante comparado con este circuito y lo bien que funciona para proteger, y sólo necesita realmente estar conectado a tierra en un extremo para su función básica del circuito. Aquí hay una buena guía de aplicación de ON semiconductor para futuras referencias. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8231-D.PDF