¿Para qué sirve la protección de entrada en el USB (o en absoluto)?

Question

He visto bastantes casos en los que se utilizan diodos de polarización inversa para sujetar las tensiones de entrada cuando se producen picos.

• ¿Cuál es la tensión de ruptura inversa típica de un diodo utilizado en este tipo de aplicación?

Al parecer, estos diodos de protección no están en su lugar para proteger contra una gran tensión aplicada por el usuario, sino que están en su lugar para amortiguar los picos de tensión que puedan surgir de las descargas estáticas.

• ¿Por qué podría producirse una descarga estática, de dónde procedería este exceso de carga en el circuito (en una placa de circuito impreso, no en el protoboard, donde una persona podría introducir la descarga), y cuál es la magnitud típica de la tensión?

• ¿Por qué no considerar también la posibilidad de una tensión negativa potencialmente grande y colocar también diodos inversos desde la línea de entrada a Vcc?

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Estoy diseñando una simple placa breakout para un controlador que emitirá datos a través de una interfaz USB. A través de mi investigación encontré que muchos diseños incorporan estos diodos de protección de polarización inversa en Vusb, D +, y D-, sin embargo no todos lo hacen.

De nuevo, si todo esto está montado en una placa de circuito impreso, ¿por qué podría producirse una descarga estática repentina y dónde podría originarse?

• ¿Qué tan frecuente es este tipo de evento y sin estos diodos es probable que dañe los circuitos?

• ¿Es una buena práctica incluir siempre estos diodos de protección o no son necesarios a veces? Si es esto último, ¿qué casos especiales los hacen innecesarios?

• ¿Funciona cualquier diodo o hay que utilizar uno con una tensión de ruptura específica?

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EDITAR:

Revisando esas notas de la App, una muestra

Mientras que el otro muestra algo similar pero sin el nodo "superior" conectado a nada. ¿Se trata de un error de imprenta o está implícito que está conectado a Vbus?

Answer 1

Olvídate del USB por un momento, porque estos dispositivos son útiles en muchas más aplicaciones que el USB. En primer lugar, los diodos de los dos primeros ejemplos no suelen ser diodos genéricos de señal o zener. Suelen ser diodos supresores de voltaje transitorio (TVS) diseñados a propósito.

Hay diodos TVS de todos los tipos, pero hay tres parámetros clave. En primer lugar, la tensión máxima de separación inversa. Esta es la tensión de trabajo. Para el USB, querrá estar muy cerca de los 5V. Lo siguiente que hay que tener en cuenta es la tensión de apriete. De nuevo, alrededor de 5V para el USB. Por lo general, la corriente de fuga aumenta significativamente a medida que la tensión de sujeción se acerca a la tensión de separación inversa. Tenlo en cuenta en caso de que sea importante para tu aplicación. El último parámetro clave es la corriente inversa máxima. Asegúrate de que puede soportar el estándar que vas a probar.

Hay una cosa más a tener en cuenta cuando se colocan diodos TVS en líneas de señal de alta velocidad (es decir, USB, HDMI, Ethernet, etc). Asegúrese de que el diodo TVS es de baja capacitancia. Hay muchos diodos y conjuntos adecuados para este propósito y tendrán capacitancias en el barrio de 0,2pF.

Voy a pasar directamente a tu segundo ejemplo ya que estamos hablando de USB. El esquema mostrado sería apropiado si los diodos mostrados sujetan alrededor de 5V, y están probando diodos TVS. Los diodos zener normales no son lo suficientemente rápidos para la protección ESD.

En tu último ejemplo, te preguntas si el nodo superior está conectado a Vbus y según el dispositivo hoja de datos No lo es. Si un evento de ESD positivo ocurriera en cualquiera de las líneas de señal, ese TVS lo bloquearía. El Vbus TVS tiene un voltaje de sujeción más alto para la línea de potencia.

Answer 2

Tú lo has preguntado,

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

El problema potencial es la descarga electrostática (ESD) que se origina en el exterior de la placa de circuito impreso y que entra por el conector USB. Un usuario podría estar llevando un producto a través de una alfombra u otro generador de ESD, y tocar el conector USB con su dedo. Incluso si hay un cable enchufado al conector USB, podría tocar el conector en el otro extremo del cable y pasar por el USB.

Esto es válido no sólo para los conectores USB, sino para cualquier conector que salga de un producto, incluso la toma de corriente.

Cuando diseñamos un producto para su venta, y lo sometemos a pruebas de EMI/EMC (Interferencia y Compatibilidad Electromagnética), la casa de pruebas inyecta breves picos de 8.000V (8kV) de baja corriente en cada uno de los conectores, y después comprueba que el dispositivo sigue funcionando correctamente. Los dispositivos que aparecen en sus esquemas están diseñados para proteger contra descargas de este nivel o superior. Sin la protección ESD, es probable que el dispositivo no supere esta prueba.

¿Por qué obtener la certificación UL, que puede costar miles de dólares en un laboratorio de pruebas? ¿Es un requisito legal? No, pero muchos minoristas, como Walmart, no venden productos electrónicos a menos que lleven la etiqueta UL. En Europa, el equivalente es la marca CE.