Perisai USB. Ke tanah atau tidak ke tanah?

Saya telah diberi perangkat di tempat kerja untuk melakukan beberapa pengujian. Pada dasarnya IC menjadi usang sehingga saya perlu menguji bagian pengganti. Setelah mengulangi pemeriksaan ESD, perangkat gagal.

Saya memeriksa riwayat perangkat, dan ada masalah melewati ESD sebelumnya. Ada catatan dari fasilitas pengujian bahwa karena perangkat itu seluruhnya terbuat dari logam (rumah baja tahan karat), hanya pelepasan kontak hingga 4kV yang diperlukan untuk lulus (saya di Inggris). Rupanya gagal beberapa kali sampai kapasitor / resistor ditambahkan antara perisai USB dan arde, dan sebuah tab logam kecil diperkenalkan untuk menambah kontak yang lebih baik antara arde PCB dan wadah logam. Ini kemudian tampaknya membiarkannya lewat.

Pindah 5 tahun dan saya mengulangi tes. Setiap kali saya melakukan tes pelepasan kontak di + 4kV, perangkat kehilangan ingatannya (ini adalah perangkat datalogging) dan perlu reset pabrik dan memulai kembali logging untuk bekerja lagi. Saya memeriksa kembali beberapa yang lama menggunakan IC sebelumnya dan menemukan bahwa ini juga gagal. Tampaknya itu adalah masalah yang terputus-putus (beberapa perangkat lulus 3 dari 10 tes, yang lain gagal semua 10 dll) sehingga bagi saya sepertinya lulus pada tes ESD sebelumnya mungkin kebetulan.

Saya mencoba beberapa hal, saya meletakkan kapasitor tambahan secara paralel dengan yang sekarang menghubungkan perisai USB ke ground (nilai berbeda, tinggi / rendah), saya mengubah resistor ke nilai yang berbeda (resistansi lebih tinggi / lebih rendah) dan mencoba ferit di sejajar, dan ferit bukan pengganti Resistor / kapasitor karena saya telah melihat beberapa tempat merekomendasikan, tetapi masih gagal. Satu-satunya cara saya mendapatkannya adalah dengan menghubungkan perisai USB secara langsung .

Mencari online sepertinya saya tidak dapat menemukan tempat yang mengatakan secara eksplisit apakah Anda harus atau tidak harus memasang USB shield. Diskusi ini DI SINI memiliki pandangan yang berbeda, ini DI SINI juga memiliki diskusi tentang itu. INI Link menyebutkan perisai hanya harus terhubung ke tanah di tuan rumah, namun tidak ada perangkat harus menghubungkan perisai ke tanah .... INI dokumen mengatakan perisai harus dihubungkan ke sasis. Namun, dalam gambar 12 tampaknya menunjukkan perisai USB harus diikat ke pesawat GND.

Sepertinya ada banyak pandangan berbeda tentang ini, jadi saya sedikit tidak yakin apa yang harus saya lakukan selanjutnya. Membumikan perisai memungkinkannya melewati ESD, tetapi apakah ini sesuatu yang harus dilakukan? Atau haruskah saya terus mencari solusi yang lebih baik? Jika demikian, apa solusi yang baik.

INFO LEBIH LANJUT:

• PCB sangat tidak teratur, dan sempit di ruang, membuat bidang tanah di dekat konektor USB sangat kecil.
• Saya tidak diizinkan mengubah desain mekanik apa pun untuk ini. Saya hanya mencari solusi yang dapat dengan mudah diimplementasikan dan tidak memerlukan desain ulang dari PCB atau produk sehingga saran-saran itu tidak ada gunanya untuk dibuat.
• Ini adalah perangkat kerja dan karenanya, saya tidak diizinkan untuk menunjukkan skematiknya, jadi tolong jangan tanya. Sirkuit input USB didasarkan pada desain ini:
• Common-mode choke, ferrite dan TVS diode protection sudah ada dalam desain.
• Saya bukan insinyur desain asli. Mereka tidak lagi bekerja untuk perusahaan sehingga saya tidak dapat menemukan alasan mereka untuk pilihan desain yang mereka buat
• Perangkat ini USB 2.0
• Unit lulus tes pada -4kV, itu hanya + 4kV di mana ia gagal

INFO LEBIH LANJUT

Dan lebih banyak info yang diperlukan dalam komentar akan ditambahkan di sini.

• Andy aka: Saya bisa menunjukkan ini kepada Anda:

  

Yang bisa saya tunjukkan dari PCB sebenarnya adalah ini:

Anda dapat melihat bahwa ground ground berhenti pendek dari soket USB. Lubang besar adalah tempat tab untuk pelindung USB memiliki koneksi mekanis ke PCB. R1 kemudian menghubungkan perisai ke GND, dan kapasitor C3 melakukan hal yang sama pada koneksi lainnya. Pelindung terhubung ke ground melalui tutup 100k res / 100nF. Ada tab logam yang dipasang ke PCB yang terletak di sasis logam. Menurut laporan ESD lama, ini diperlukan atau perangkat gagal. Sejauh yang saya bisa lihat, ini adalah satu-satunya hal yang ditambahkan di samping contoh sirkuit untuk melindungi dari ESD.

Menanggapi pertanyaan dalam komentar:

• Kegagalan terjadi ketika melakukan tes ESD discharge kontak pada pelindung USB (semua area lain baik-baik saja, hanya pelindung USB yang gagal)
• Tes terjadi saat unit sedang logging. Itu tidak terhubung ke perangkat apa pun melalui USB.
• Saya telah mencoba tautan 0R ke GND alih-alih solusi resistor / kapasitor, tetapi ini masih gagal. Ketika saya menambahkan tautan kawat langsung dari perisai USB ke sasis (yang terhubung ke PCB GND) maka masalah teratasi. Saya percaya ini karena desain PCB. Pesawat ground di dekat sisi USB sangat kecil (sekitar 12mm x 15mm). Namun sasisnya besar. Ini adalah sesuatu yang tidak bisa saya ubah.
• Lokasi tab Chassis ke PCB GND ada di sub-PCB, dengan jejak 30 ke tab. (Ya, saya tahu ini kedengarannya aneh, tetapi batasan ruangnya konyol dan ini bukan desain saya!)

Praktek terbaik

Pertama (sebagai sedikit cop keluar) secara pribadi, dalam desain saya selalu ground melalui resistor 0R sehingga keputusan dapat diubah. Ini berlaku untuk hampir semua perisai (Ethernet, USB dll)

Masalah utama yang dapat muncul adalah ketika perisai di-ground-kan di kedua ujungnya, dan kedua ujungnya tidak sepakat tentang apa 0V itu. Hal ini dapat menyebabkan kerusakan pada kedua ujungnya, oleh arus yang mengalir di tempat yang seharusnya tidak ada (jika jalur pelindung adalah 0,2ohms, dan perbedaan tegangan 1V, itu 5A pergi ke tempat yang seharusnya tidak)

Anda mungkin berpikir mengapa ini bisa terjadi ? Tetapi pikirkan situasi di mana laptop terhubung ke peralatan listrik utama melalui USB. Laptop dapat menggunakan baterai saja (tidak ada referensi pembumian sebenarnya), tetapi peralatan terhubung ke sumber listrik dan karenanya mungkin memiliki referensi pembumian 0V yang benar.

Jadi solusinya adalah dengan menghubungkan hanya pada satu ujung, tetapi memiliki beberapa perjanjian di mana ujungnya.

Secara umum, perangkat host USB akan diharapkan untuk memberikan daya dan perangkat budak cukup sering sepenuhnya bertenaga bus dan tidak memiliki koneksi ke hal lain di dunia luar (pikirkan memory stick USB, dongle WiFi dll). Secara umum, host USB harus menghubungkan pelindung ke ground (dan arde, jika memungkinkan). Inilah sebabnya mengapa tuan rumah biasanya diharapkan untuk mengikat perisai ke tanah atau bumi.

Fakta bahwa ada begitu banyak komentar yang saling bertentangan dari orang-orang dan pengalaman yang berbeda menunjukkan dengan jelas bahwa jauh dari aman untuk menganggap ini selalu dipatuhi, jadi seperti yang saya sebutkan pertama - tambahkan opsi untuk mengubahnya dengan mudah.

Dalam situasi ini

Setelah membahas hal ini dalam obrolan, solusi yang diajukan berbeda. Karena ini adalah pertanyaan tentang ESD, ini berantakan dan rumit dan melibatkan banyak aspek desain (listrik, mekanik, sistem). Obrolan tersedia untuk dilihat semua orang, tetapi ada bit-bit penting:

• Datalogger ini tidak memiliki koneksi lain, selain dari koneksi USB ke PC / laptop
• Datalogger memiliki sasis logam, yang terikat ke tanah papan PCB.
• Ketika pelindung USB tidak secara langsung terhubung ke ground papan PCB (misalnya terhubung oleh R || C atau HiZ), datalogger gagal (kehilangan konten memori).
• Dalam tes ESD, kabel USB tidak terpasang (atau mengambang di ujung yang lain).
• OP bukan pembuat desain, dan memiliki ruang lingkup yang sangat terbatas untuk membuat perubahan desain untuk menyelesaikan masalah ini.

Saya menduga masalahnya kemungkinan besar terkait tata letak PCB. Lonjakan ESD mengambil jalur dari perisai, melewati elektronik sensitif dan akhirnya mencapai sasis. Dengan menghubungkan perisai ke sasis secara langsung dengan kawat, jalur lonjakan ESD mencapai sasis tanpa mendekati PCB sehingga menghindari masalah.

Dalam situasi ini, karena datalogger tidak memiliki koneksi lain ke perangkat lain; potensi masalah (pun intended) tidak dapat terjadi. Jadi saya sarankan menghubungkan pelindung ke sasis. Baik melalui kawat, atau pendekatan yang lebih ramah produksi adalah paking ESD di sekitar konektor yang merupakan bahan konduktif sepon yang memberikan koneksi tanpa penyolderan manual dan tidak melekatkan sasis ke papan.

Dalam dunia yang lebih ideal, saya akan merespek papan sehingga sasis diisolasi dari tanah papan PCB dan sasis terhubung ke perisai. Itu berarti bahwa ESD tidak mungkin mencapai elektronik yang sensitif sama sekali. Kecuali jika Anda menyodok datapins pada konektor USB untuk bersenang-senang - dalam hal ini, ESD dioda pada dataline yang memberikan jalur ke ground chassis, bukan ground board PCB.

Anda perlu memeriksa jalur arus tinggi di seluruh desain Anda, dan desain tersebut harus menyediakan jaring pelindung terpisah untuk menghindari pelepasan ESD untuk melewati ground sinyal, yang akan membuat "pentalan tanah" dan mengganggu fungsionalitas. Ini bukan masalah yang mudah. Dengan membuat koneksi solid sederhana antara ground sinyal dan perisai, Anda mungkin mengalami masalah EMI dan gagal sertifikasi EMI. Untuk detail lebih lanjut, Anda mungkin ingin meninjau topik ini tentang cara menyeimbangkan dua persyaratan yang saling bertentangan untuk perisai USB.

Mempertimbangkan apa yang telah Anda katakan kepada kami tentang perangkat:

• Bertenaga baterai
• Biasanya tidak terhubung ke USB
• Tidak memiliki koneksi ke sensor atau perangkat eksternal selama pengukuran
• Tidak memiliki bagian logam yang dapat diakses selain dari sasis dan
  pelindung USB .

Cukup sambungkan sasis ke pelindung USB dan lakukan saja.

Jawaban sebelumnya menunjukkan masalah dengan arus loop (dua jalur GND berbeda di sirkuit ke listrik) tetapi karena Anda memiliki perangkat bertenaga baterai mengambang, ini bukan masalah.

Jika Anda ingin bereksperimen, Anda dapat mencoba melepaskan resistor / kapasitor antara perisai dan GND. Anda juga mungkin ingin menggunakan kapasitor NP0 C0G ESD yang lebih kecil, kapasitor 100nF memiliki dielektrik X7R yang tidak cocok untuk tugas semacam ini.

Koneksi GND-to-Shield tampaknya agak lemah dan tidak dekat dengan konektor USB. Jadi korsleting pelindung ke GND membuat perjalanan sementara melalui PCB Anda hingga menyentuh tab sasis.

Saya pikir masalahnya di sini adalah bahwa perancang asli meletakkan perisai USB di bawah jejak sinyal. Menembakkan pistol ESD membuat perisai "melompat" yang berpasangan dengan kapasitif dengan jejak dan komponen di dekatnya. Sekarang sinyal dan jejak VBUS dilewatkan ke GND sehingga dilindungi. Namun, jejak-jejak ini kemudian memiliki CMC dan ferit sementara GND secara langsung digabungkan - Jadi mungkin ini menekan transien pada kabel tersebut sementara transien GND terus berlanjut.

NB ini hanya spekulasi.

Saya punya dua solusi:

Solusi A
Ganti C3 dengan kapasitor terbesar yang mungkin (mikro, bukan nano farad).
Jika ini tidak berhasil, maka

Solusi B
1) Lepaskan resistor dan kapasitor yang ditambahkan (R1 & C3),
2) lepaskan ground dari konektor ini,
3) solder kawat dari tab pelindung (simpul R1 C3) ke ground konektor ini dan ujung lainnya menyoldernya ke tab ground PCB dari konektor yang berlawanan.

Hasil bersih dari instruksi ini, adalah untuk mengisolasi bidang tanah PCB dari pelindung USB. Dengan cara ini, ketika perisai USB terseret, ESD akan mem-bypass PSB dan pergi ke ground.