Mục đích của bảo vệ đầu vào trên USB (hoặc hoàn toàn) là gì?

Tôi đã thấy khá nhiều nơi mà điốt phân cực ngược được sử dụng để kẹp điện áp đầu vào khi xảy ra đột biến.

• Điện áp đánh thủng ngược điển hình cho một diode được sử dụng trong loại ứng dụng này là gì?

Dường như các điốt bảo vệ này không được sử dụng để bảo vệ chống lại điện áp lớn của người dùng, mà là để đặt các xung điện áp có thể phát sinh từ sự phóng tĩnh.

• Tại sao có thể xảy ra phóng tĩnh điện, nơi mà điện tích dư thừa này đến từ mạch điện (trên PCB, không phải là bánh mì nơi một người có thể đưa ra phóng điện), và cường độ điện áp điển hình là gì?

• Tại sao người ta cũng không xem xét khả năng của một điện áp âm có khả năng lớn và cũng đặt các điốt ngược từ dòng đầu vào sang Vcc?

Tôi đang thiết kế một bảng đột phá đơn giản cho một bộ điều khiển sẽ xuất dữ liệu thông qua giao diện USB. Thông qua nghiên cứu của tôi, tôi thấy rằng nhiều thiết kế kết hợp các điốt bảo vệ sai lệch ngược này trên Vusb, D + và D-, tuy nhiên không phải tất cả đều làm được.

Một lần nữa, nếu tất cả những thứ này được gắn trên PCB, tại sao có thể xảy ra phóng tĩnh đột ngột và nó có thể bắt nguồn từ đâu?

• Mức độ thường xuyên của loại sự kiện này và không có các điốt này có khả năng làm hỏng mạch không?

• Có phải là cách tốt nhất để luôn luôn bao gồm các điốt bảo vệ này hoặc đôi khi chúng không cần thiết? Nếu sau này, trường hợp đặc biệt nào cho là không cần thiết?

• Bất kỳ diode nào sẽ làm việc hoặc nên sử dụng một với một điện áp sự cố cụ thể?

BIÊN TẬP:

Nhìn qua các ghi chú ứng dụng, một chương trình

Trong khi cái kia cho thấy một cái gì đó tương tự nhưng không có nút "trên cùng" được kết nối với bất cứ điều gì. Đây có phải là một sai lầm hoặc nó được ngụ ý để kết nối với Vbus?

Hãy quên USB đi một lúc, bởi vì những thiết bị này hữu ích trong nhiều ứng dụng hơn là chỉ USB. Đầu tiên, các điốt trong hai ví dụ đầu tiên của bạn thường không phải là điốt tín hiệu chung hoặc điốt zener. Chúng thường được thiết kế nhằm mục đích điốt ức chế điện áp thoáng qua (TVS).

Điốt TVS có tất cả các hương vị khác nhau, nhưng có ba thông số chính. Đầu tiên, điện áp dự phòng ngược tối đa. Đây là điện áp làm việc. Đối với USB, bạn sẽ muốn rất gần với 5V. Điều tiếp theo bạn sẽ muốn xem xét là điện áp kẹp. Một lần nữa, khoảng 5V cho USB. Thông thường, dòng rò tăng đáng kể khi điện áp kẹp tiếp cận với điện áp dự phòng ngược. Hãy nhận biết điều đó trong trường hợp nó quan trọng trong ứng dụng của bạn. Tham số chính cuối cùng là dòng ngược cực đại. Hãy chắc chắn rằng nó có thể xử lý tiêu chuẩn mà bạn sẽ kiểm tra.

Có một điều nữa cần lưu tâm khi đặt điốt TVS trên các đường tín hiệu tốc độ cao (ví dụ: USB, HDMI, Ethernet, v.v.). Hãy chắc chắn rằng diode TVS có điện dung thấp. Có nhiều điốt và mảng phù hợp cho mục đích này và sẽ có điện dung trong vùng lân cận 0,2pF.

Tôi sẽ bỏ qua ví dụ thứ hai của bạn vì chúng ta đang nói về USB ở đây. Sơ đồ hiển thị sẽ phù hợp nếu các điốt được hiển thị kẹp quanh 5V và đang thử điốt TVS. Điốt zener thông thường không đủ nhanh để bảo vệ ESD.

Trong ví dụ cuối cùng của bạn, bạn đặt câu hỏi liệu nút trên cùng có được kết nối với Vbus hay không và theo biểu dữ liệu của thiết bị , có phải vậy không. Nếu một sự kiện ESD tích cực xảy ra trên bất kỳ đường tín hiệu nào, TVS đó sẽ kẹp nó. Vbus TVS có điện áp kẹp cao hơn cho đường ray điện.

Bạn đã hỏi,

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

Vấn đề tiềm ẩn là ESD (Xả tĩnh điện) có nguồn gốc từ bên ngoài PCB, đến từ đầu nối USB. Người dùng có thể mang sản phẩm qua thảm hoặc máy tạo ESD khác và chạm ngón tay vào đầu nối USB. Ngay cả khi có cáp cắm vào đầu nối USB, chúng vẫn có thể chạm vào đầu nối ở đầu kia của cáp và truyền qua USB.

Điều này đúng không chỉ với các đầu nối USB, mà bất kỳ đầu nối nào ra khỏi sản phẩm - ngay cả giắc cắm nguồn.

Khi chúng tôi thiết kế một sản phẩm để bán và đã thử nghiệm EMI / EMC (Giao thoa và tương thích điện từ), nhà thử nghiệm sẽ tiêm các dòng điện thấp 8.000V (8kV) vào từng đầu nối và sau đó kiểm tra thiết bị đó vẫn hoạt động chính xác. Các thiết bị hiển thị trong sơ đồ của bạn được thiết kế để bảo vệ chống lại sự phóng điện ở cấp độ này hoặc cao hơn. Nếu không có sự bảo vệ của ESD, có khả năng thiết bị sẽ thất bại trong bài kiểm tra này.

Tại sao có được chứng nhận UL, có thể tốn hàng ngàn đô la tại phòng thí nghiệm thử nghiệm? Nó có phải là một yêu cầu pháp lý? Không, nhưng rất nhiều nhà bán lẻ như Walmart sẽ không mang theo các sản phẩm điện tử trừ khi họ có nhãn UL. Ở châu Âu, tương đương là dấu CE.