Khiên USB. Tiếp đất hay không tiếp đất?

Tôi đã được cung cấp một thiết bị tại nơi làm việc để thực hiện một số thử nghiệm trên. Về cơ bản một IC đang trở nên lỗi thời vì vậy tôi cần kiểm tra một bộ phận thay thế. Sau khi làm lại các kiểm tra ESD, thiết bị đã thất bại.

Tôi đã kiểm tra lịch sử của thiết bị và đã có sự cố khi truyền qua ESD. Có một lưu ý từ cơ sở thử nghiệm rằng thiết bị này hoàn toàn bằng kim loại (Vỏ bằng thép không gỉ) chỉ cần phóng điện tiếp xúc lên đến 4kV (tôi đang ở Anh). Rõ ràng nó đã thất bại một vài lần cho đến khi một tụ điện / điện trở được thêm vào giữa tấm chắn USB và mặt đất, và một tab kim loại nhỏ được giới thiệu để thêm liên hệ tốt hơn giữa mặt đất PCB và vỏ kim loại. Điều này sau đó rõ ràng cho phép nó vượt qua.

Di chuyển trên 5 năm và tôi đang làm lại các bài kiểm tra. Mỗi lần tôi thực hiện kiểm tra xả tiếp xúc ở mức + 4kV, thiết bị sẽ mất bộ nhớ (đây là thiết bị ghi dữ liệu) và nó cần khôi phục cài đặt gốc và khởi động lại đăng nhập để hoạt động trở lại. Tôi đã kiểm tra lại một số cái cũ bằng cách sử dụng IC trước đó và thấy rằng điều này cũng thất bại. Có vẻ như đó là một vấn đề không liên tục (một số thiết bị đã vượt qua 3 trong 10 bài kiểm tra, một số khác đã thất bại cả 10, v.v.) nên có vẻ như tôi đã vượt qua bài kiểm tra ESD trước đây có khả năng là một con sán.

Tôi đã thử một số thứ, tôi đặt các tụ điện bổ sung song song với tụ điện hiện tại kết nối tấm chắn USB với mặt đất (các giá trị khác nhau, cao / thấp), tôi thay đổi điện trở thành các giá trị khác nhau (điện trở cao hơn / thấp hơn) và thử các hạt ferrite song song và các hạt ferrite thay vì Điện trở / tụ điện như tôi đã thấy một số nơi khuyến nghị, nhưng vẫn thất bại. Cách duy nhất tôi có thể vượt qua là tiếp đất trực tiếp với tấm chắn USB .

Nhìn trực tuyến tôi dường như không thể tìm thấy bất cứ nơi nào nói rõ ràng rằng bạn nên hay không nên nối đất cho tấm chắn USB. Cuộc thảo luận này TẠI ĐÂY có quan điểm khác nhau, điều này TẠI ĐÂY cũng có một cuộc thảo luận về nó. NÀY liên kết đề cập đến lá chắn chỉ nên được kết nối với mặt đất tại máy chủ, nhưng không có thiết bị nên kết nối khiên xuống đất .... NÀY tài liệu nói rằng lá chắn phải được kết nối với khung xe. Tuy nhiên, trong hình 12, dường như hiển thị lá chắn USB nên được gắn với mặt phẳng GND.

Dường như có rất nhiều quan điểm khác nhau về vấn đề này nên tôi không chắc phải làm gì tiếp theo. Việc nối đất cho tấm khiên cho phép nó vượt qua ESD, nhưng đây có phải là điều nên làm không? Hay tôi nên tiếp tục tìm kiếm một giải pháp tốt hơn? Nếu vậy, một giải pháp tốt là gì.

THÊM THÔNG TIN:

• PCB rất không đều và chặt chẽ trên không gian, làm cho mặt phẳng mặt đất gần đầu nối USB rất nhỏ.
• Tôi không được phép thay đổi bất kỳ thiết kế cơ học nào về điều này. Tôi chỉ tìm một giải pháp có thể dễ dàng thực hiện và không yêu cầu thiết kế lại PCB hoặc sản phẩm để những đề xuất đó là vô nghĩa.
• Đây là một thiết bị làm việc và như vậy, tôi không được phép hiển thị sơ đồ, vì vậy xin đừng hỏi. Mạch đầu vào USB dựa trên thiết kế này:
• Các chế độ chung choke, ferrite và bảo vệ diode TVS đều có trong thiết kế.
• Tôi không phải là kỹ sư thiết kế ban đầu. Họ không làm việc cho công ty nữa nên tôi không thể tìm thấy lý do của họ cho các lựa chọn thiết kế mà họ đã thực hiện
• Thiết bị là USB 2.0
• Đơn vị vượt qua bài kiểm tra ở -4kV, nó chỉ là + 4kV khi thất bại

THÊM THÔNG TIN

Và thêm thông tin cần thiết trong các ý kiến ​​sẽ được thêm vào đây.

• Andy aka: Tôi có thể cho bạn thấy điều này nhiều:

  

Tất cả những gì tôi có thể chỉ ra về PCB thực tế là đây:

Bạn có thể thấy rằng thiết bị mặt đất dừng thiếu ổ cắm USB. Lỗ lớn là nơi các tab để lá chắn USB có kết nối cơ học với PCB. Sau đó, R1 đang kết nối tấm chắn với GND và tụ điện C3 cũng hoạt động tương tự trên kết nối khác. Tấm khiên được nối với mặt đất thông qua nắp 100k res / 100nF. Có một tab kim loại được trang bị cho PCB nằm trên khung kim loại. Theo báo cáo cũ của ESD, điều này là cần thiết hoặc thiết bị thất bại. Theo như tôi có thể thấy, đây là những thứ duy nhất được thêm vào mạch ví dụ đó để bảo vệ khỏi ESD.

Để trả lời các câu hỏi trong các ý kiến:

• Lỗi xảy ra khi thực hiện kiểm tra phóng điện tiếp xúc trên tấm chắn USB (tất cả các khu vực khác đều ổn, chỉ cần lá chắn USB bị hỏng)
• Các thử nghiệm xảy ra trong khi các đơn vị đang đăng nhập. Nó không được kết nối với bất kỳ thiết bị thông qua USB.
• Tôi đã thử một liên kết 0R đến GND thay vì giải pháp điện trở / tụ điện, nhưng điều này vẫn thất bại. Khi tôi thêm một liên kết dây trực tiếp từ tấm chắn USB vào khung máy (được kết nối với PCB GND) thì vấn đề được giải quyết. Tôi tin rằng điều này là do thiết kế PCB. Mặt phẳng tiếp đất gần mặt USB rất nhỏ (khoảng 12 mm x 15mm). Tuy nhiên, khung gầm là lớn. Đây là điều tôi không thể thay đổi.
• Vị trí của tab Khung gầm đến PCB GND nằm trên một PCB phụ, với dấu vết 30 đến thẻ. (vâng, tôi biết nghe có vẻ lạ, nhưng những hạn chế về không gian thật lố bịch và đây không phải là thiết kế của tôi!)

Thực hành tốt nhất

Thứ nhất (như một chút của một cảnh sát) cá nhân, trong các thiết kế tôi luôn luôn thông qua một điện trở 0R để quyết định có thể được thay đổi. Điều này phù hợp với hầu hết mọi lá chắn (Ethernet, USB, v.v.)

Vấn đề chính có thể phát sinh là khi tấm khiên được nối đất ở hai đầu và hai đầu không đồng ý về 0V là gì. Điều này có thể gây ra thiệt hại cho cả hai đầu, bởi dòng điện chảy ở nơi chúng không nên (nếu đường dẫn của khiên là 0,2ohms và chênh lệch điện áp 1V, đó là 5A đi nơi không nên)

Bạn có thể nghĩ tại sao điều này sẽ xảy ra ? Nhưng hãy nghĩ đến tình huống một máy tính xách tay được kết nối với một phần của thiết bị được cấp nguồn qua USB. Máy tính xách tay có thể chỉ sử dụng pin (không có tham chiếu trái đất thật), nhưng thiết bị được kết nối với nguồn điện và do đó có thể có tham chiếu trái đất 0V thực sự.

Vì vậy, giải pháp là chỉ kết nối ở một đầu, nhưng có một số thỏa thuận về đầu nào.

Nói chung, một thiết bị lưu trữ USB sẽ được cung cấp năng lượng và thiết bị nô lệ thường hoàn toàn được cung cấp năng lượng bằng bus và không có kết nối với bất kỳ thứ gì khác ở thế giới bên ngoài (nghĩ thẻ nhớ USB, WiFi dongle, v.v.). Nói chung, máy chủ USB nên kết nối tấm chắn với mặt đất (và đất, nếu có thể). Đây là lý do tại sao phía chủ nhà thường được dự kiến ​​sẽ buộc tấm khiên xuống đất hoặc trái đất.

Thực tế là có rất nhiều ý kiến ​​trái ngược từ mọi người và các trải nghiệm khác nhau cho thấy rõ ràng rằng sẽ không an toàn khi cho rằng điều này luôn được tuân thủ, vì vậy như tôi đã đề cập trước tiên - hãy thêm tùy chọn để thay đổi dễ dàng.

Trong tình huống này

Sau khi thảo luận về điều này trong một cuộc trò chuyện, giải pháp đề xuất là khác nhau. Vì đây là một câu hỏi về ESD, nó lộn xộn và phức tạp và liên quan đến nhiều khía cạnh của thiết kế (điện, cơ khí, hệ thống). Trò chuyện có sẵn cho tất cả mọi người xem, nhưng có các bit quan trọng:

• Bộ ghi dữ liệu này không có kết nối nào khác, ngoài kết nối USB với PC / laptop
• Bộ ghi dữ liệu có khung kim loại, được liên kết với mặt đất bảng PCB.
• Khi tấm chắn USB không được kết nối trực tiếp với mặt đất bảng PCB (ví dụ: được kết nối bởi R || C hoặc HiZ), bộ ghi dữ liệu bị lỗi (mất nội dung bộ nhớ).
• Trong thử nghiệm ESD, cáp USB không được gắn (hoặc nổi ở đầu kia).
• OP không phải là tác giả thiết kế và có phạm vi rất hạn chế để thực hiện thay đổi thiết kế để giải quyết vấn đề này.

Tôi phỏng đoán vấn đề rất có thể là bố trí PCB liên quan. Sự đột biến của ESD đang đi theo con đường từ tấm khiên, qua các thiết bị điện tử nhạy cảm và cuối cùng đến khung xe. Bằng cách kết nối trực tiếp tấm chắn với khung máy bằng một sợi dây, đường dẫn tăng áp của PCB đến khung máy mà không cần đến gần PCB để tránh sự cố.

Trong tình huống này, vì bộ ghi dữ liệu không có kết nối nào khác với bất kỳ thiết bị nào khác; các vấn đề tiềm ẩn (ý định chơi chữ) không thể xảy ra. Vì vậy, tôi sẽ đề nghị kết nối lá chắn với khung xe. Hoặc bằng một sợi dây, hoặc một cách tiếp cận thân thiện với sản xuất hơn là một miếng đệm ESD xung quanh đầu nối là vật liệu dẫn điện xốp cho kết nối mà không cần hàn thủ công và không gắn khung máy vào bảng.

Trong một thế giới lý tưởng hơn, tôi sẽ hô biến tấm ván để khung máy được cách ly với mặt đất bảng PCB và khung máy được kết nối với tấm chắn. Điều đó có nghĩa là không thể có sự đột biến của ESD để tiếp cận với các thiết bị điện tử nhạy cảm. Ngoại trừ nếu bạn chọc các datapins trên đầu nối USB cho vui - trong trường hợp đó, điốt ESD trên các datalines đưa đường dẫn đến mặt đất khung gầm, không phải mặt đất bảng PCB.

Bạn cần kiểm tra đường dẫn dòng điện cao qua thiết kế của mình và thiết kế phải cung cấp một lưới che chắn riêng biệt để tránh phóng điện đi qua mặt đất tín hiệu, điều này sẽ tạo ra "phản xạ mặt đất" và phá vỡ chức năng. Đây không phải là một vấn đề dễ dàng. Bằng cách tạo một kết nối đơn giản giữa mặt đất tín hiệu và tấm chắn, bạn có thể gặp phải các sự cố EMI và không đạt được chứng nhận EMI. Để biết thêm chi tiết, bạn có thể muốn xem lại chủ đề này về cách cân bằng hai yêu cầu mâu thuẫn đối với tấm chắn USB.

Xem xét những gì bạn đã nói với chúng tôi về thiết bị:

• Chạy bằng pin
• Không thường kết nối với USB
• Không có kết nối với các cảm biến hoặc thiết bị bên ngoài trong khi đo
• Không có bất kỳ bộ phận kim loại có thể truy cập ngoài khung gầm và
  lá chắn USB .

Chỉ cần kết nối khung với khiên USB và được thực hiện với nó.

Câu trả lời trước đã chỉ ra các vấn đề với dòng điện vòng lặp (hai đường dẫn GND khác nhau trong mạch tới nguồn điện chính) nhưng vì bạn có thiết bị chạy bằng pin nổi nên đây không phải là vấn đề.

Nếu bạn muốn thử nghiệm, bạn có thể thử loại bỏ điện trở / tụ điện giữa tấm chắn và GND. Ngoài ra, bạn có thể muốn sử dụng tụ điện NP0 C0G nhỏ hơn, tụ 100nF có chất điện môi X7R không phù hợp với loại nhiệm vụ này.

Kết nối GND-Shield có vẻ khá yếu và không ở gần đầu nối USB. Vì vậy, lá chắn ngắn để GND làm cho việc di chuyển thoáng qua PCB của bạn cho đến khi nó chạm vào tab khung.

Tôi nghĩ vấn đề ở đây là nhà thiết kế ban đầu đặt khiên USB dưới dấu vết tín hiệu. Việc vặn súng ESD làm cho chiếc khiên "nhảy", cặp đôi này có khả năng kết hợp với dấu vết và các thành phần gần đó. Bây giờ dấu vết tín hiệu và VBUS được chuyển sang GND để chúng được bảo vệ. Tuy nhiên, những dấu vết này sau đó sẽ có CMC và ferrite trong khi GND được ghép trực tiếp - Vì vậy, có lẽ chúng sẽ triệt tiêu tạm thời trong các dây đó trong khi thoáng qua GND tiếp tục không suy giảm.

NB đây chỉ là suy đoán.

Tôi có hai giải pháp:

Giải pháp A
Thay thế C3 bằng tụ điện lớn nhất có thể (micro, không phải nano farads).
Nếu điều này không làm việc, thì

Giải pháp B
1) Tháo điện trở và tụ điện đã được thêm vào (R1 & C3),
2) ngắt kết nối đất khỏi đầu nối này,
3) hàn một dây từ tab lá chắn (nút R1 C3) vào đầu nối này và đầu kia hàn đến tab nối đất PCB của đầu nối đối diện.

Kết quả cuối cùng của các hướng dẫn này là cách ly mặt phẳng đất PCB khỏi tấm chắn USB. Bằng cách này, khi lá chắn USB được kích hoạt, ESD sẽ bỏ qua PSB và đi xuống đất.