USB Shield. Заземлить или не заземлить?

Мне дали устройство на работе, чтобы провести некоторое тестирование. В основном IC становится устаревшим, поэтому мне нужно проверить запасную часть. После повторной проверки ESD устройство вышло из строя.

Я проверил историю устройства, и раньше были проблемы с прохождением ESD. Из испытательного центра было замечено, что, поскольку устройство было полностью металлическим (корпус из нержавеющей стали), для прохождения требовался только контактный разряд до 4 кВ (я в Великобритании). По-видимому, он несколько раз выходил из строя, пока между экраном USB и заземлением не был установлен конденсатор / резистор, и была введена небольшая металлическая вкладка для улучшения контакта между заземлением печатной платы и металлическим корпусом. Это тогда, видимо, позволило ему пройти.

Двигайся на 5 лет и я переделываю тесты. Каждый раз, когда я выполняю тест разрядки контакта при + 4 кВ, устройство теряет свою память (это устройство регистрации данных), и ему требуется сброс к заводским настройкам и перезапуск регистрации, чтобы снова работать. Я перепроверил некоторые старые, используя предыдущую микросхему, и обнаружил, что это тоже не помогает. Казалось, что это была непостоянная проблема (некоторые устройства прошли 3 из 10 тестов, другие не прошли все 10 и т. Д.), Поэтому мне кажется, что проход теста ESD ранее был, скорее всего, случайностью.

Я попробовал несколько вещей, я положил дополнительные конденсаторы параллельно текущему, соединяющему экран USB с землей (разные значения, высокое / низкое), я изменил резистор на другие значения (высокое / низкое сопротивление) и попробовал ферритовые шарики в параллельно, и ферритовые шарики вместо резистора / конденсатора, как я видел в некоторых местах, рекомендую, но все же это не удалось. Единственный способ получить это - напрямую заземлить USB-экран .

Заглядывая в интернет, я не могу найти нигде, где было бы ясно сказано, следует ли вам заземлять USB-экран. Это обсуждение ЗДЕСЬ имеет разные взгляды, это ЗДЕСЬ также имеет обсуждение этого. В этой ссылке упоминается, что экран должен быть подключен только к заземлению на хосте, но никакое устройство не должно подключать экран к земле ... В этом документе говорится, что экран должен быть подключен к шасси. Тем не менее, на рисунке 12 видно, что экран USB должен быть привязан к плоскости GND.

Похоже, что по этому поводу существует множество разных мнений, поэтому я не совсем уверен, что делать дальше. Заземление экрана позволяет ему пройти ESD, но это то, что должно быть сделано? Или я должен продолжать искать лучшее решение? Если это так, что является хорошим решением.

БОЛЬШЕ ИНФОРМАЦИИ:

• Печатная плата очень нерегулярна и компактна, что делает плоскость заземления вблизи разъема USB очень маленькой.
• Мне не разрешено изменять какие-либо механические конструкции на этом. Я просто хочу найти решение, которое может быть легко реализовано и не требует переделки печатной платы или продукта, поэтому эти предложения бессмысленны.
• Это рабочее устройство, и поэтому мне не разрешено показывать схему, поэтому, пожалуйста, не спрашивайте. Схема входа USB была основана на этой конструкции:
• Синфазный дроссель, ферритовая защита и защита диода TVS - все в дизайне уже.
• Я не оригинальный инженер-конструктор. Они больше не работают на компанию, поэтому я не могу найти их обоснование выбора дизайна, который они сделали
• Устройство USB 2.0
• Устройство проходит тестирование при -4 кВ, это просто +4 кВ, где он выходит из строя

БОЛЬШЕ ИНФОРМАЦИИ

И дополнительная информация, необходимая в комментариях, будет добавлена ​​здесь.

• Энди ака: Я могу показать вам это очень много:

  

Все, что я могу показать о реальной печатной плате, это:

Вы можете видеть, что заземление останавливается близко к разъему USB. Большое отверстие - это место, где выступы для экрана USB имеют механическое соединение с печатной платой. Затем R1 подключает экран к GND, а конденсатор C3 делает то же самое для другого соединения. Экран соединен с землей через крышку 100 кОм / 100 нФ. На плате установлен металлический язычок, который опирается на металлическое шасси. Согласно старому отчету ESD, это было необходимо, или устройство вышло из строя. Насколько я вижу, это были единственные вещи, добавленные в дополнение к этому примеру схемы для защиты от электростатического разряда.

В ответ на вопросы в комментариях:

• Ошибка возникает при выполнении теста ESD на разрядку контактов на экране USB (во всех остальных областях все нормально, только на экране USB он выходит из строя)
• Тест выполняется во время регистрации устройства. Он не подключен к любому устройству через USB.
• Я пробовал 0R ссылку на GND вместо решения резистор / конденсатор, но это все равно не удается. Когда я добавляю проводную связь непосредственно от экрана USB к корпусу (который подключен к GND печатной платы), тогда проблема решается. Я считаю, что это из-за дизайна печатной платы. Плоскость заземления рядом со стороной USB очень мала (около 12 мм х 15 мм). Все же шасси большое. Это то, что я не могу изменить.
• Расположение вкладки «От шасси к плате GND» находится на вспомогательной печатной плате с 30-тым ходом до вкладки. (да, я знаю, это звучит странно, но ограничения по пространству были нелепыми, и это не было моим замыслом!)

Лучшая практика

Во-первых (немного отстраненно) лично, в проектах я всегда заземлялся через резистор 0R, чтобы решение могло быть изменено. Это касается практически любого щита (Ethernet, USB и т. Д.)

Основная проблема, которая может возникнуть, заключается в том, что экран заземлен с обоих концов, и два конца не согласуются с тем, что такое 0В. Это может привести к повреждению любого конца током, протекающим там, где он не должен (если путь экранирования составляет 0,2 Ом, а разница напряжений 1 В, то есть 5 А, куда не следует)

Вы можете подумать, почему это когда-нибудь произойдет ? Но подумайте о ситуации, когда ноутбук подключается к оборудованию с питанием от сети через USB. Ноутбук может работать только от батареи (без точного задания заземления), но оборудование подключено к сети и, следовательно, может иметь истинное задание на 0В.

Таким образом, решение состоит в том, чтобы соединиться только на одном конце, но есть какое-то соглашение о том, с какой стороны.

Как правило, ожидается, что хост-устройство USB будет обеспечивать питание, а ведомое устройство довольно часто полностью питается от шины и не имеет никаких подключений к чему-либо еще во внешнем мире (например, USB-накопитель, WiFi-адаптер и т. Д.). Как правило, USB-хост должен подключать экран к земле (и к земле, если это возможно). Вот почему обычно требуется, чтобы сторона хоста привязывала экран к земле или земле.

Тот факт, что есть много противоречивых комментариев от людей и различного опыта, ясно показывает, что далеко не безопасно предполагать, что это всегда соблюдается, поэтому, как я уже упоминал в первую очередь, добавьте возможность легко изменить его.

В этой ситуации

После обсуждения этого в чате предлагаемое решение отличается. Поскольку речь идет об ОУР, он запутанный и сложный и включает в себя многие аспекты конструкции (электрические, механические, системные). Чат доступен для всех, но есть важные моменты:

• Этот регистратор данных не имеет других подключений, кроме USB-подключения к ПК / ноутбуку
• Регистратор данных имеет металлическое шасси, которое связано с землей платы PCB.
• Когда экран USB не подключен напрямую к заземлению платы PCB (например, подключен через R || C или HiZ), происходит сбой регистратора данных (теряется содержимое памяти).
• В тесте ESD USB-кабель не подключен (или находится на другом конце).
• ОП не является автором проекта и имеет очень ограниченные возможности для внесения изменений в проект для решения этой проблемы.

Я предполагаю, что проблема, скорее всего, связана с компоновкой печатной платы. Волна ESD берет путь от экрана, мимо чувствительной электроники и, наконец, достигает шасси. При непосредственном подключении экрана к шасси проводом линия защиты от электростатического разряда достигает шасси, не приближаясь к печатной плате, что позволяет избежать проблемы.

В этой ситуации, поскольку регистратор данных не имеет других подключений к каким-либо другим устройствам; потенциальные проблемы (каламбур) не могут возникнуть. Поэтому я бы предложил подключить экран к корпусу. Либо с помощью провода, либо с более дружественным подходом к производству - это прокладка ESD вокруг разъема, который представляет собой губчатый проводящий материал, который обеспечивает соединение без ручной пайки и не прикрепляет корпус к плате.

В более идеальном мире я бы выстроил плату так, чтобы корпус был изолирован от земли платы PCB, а корпус был подключен к экрану. Это означает, что для электростатического разряда невозможно достичь чувствительной электроники вообще. За исключением случаев, если вы интересуетесь разъемами данных на разъеме USB - в этом случае, ESD-диоды на линиях данных, которые дают путь к заземлению корпуса, а не заземлению платы PCB.

Вам необходимо изучить путь сильного тока в вашем проекте, и проект должен предусматривать отдельную защитную сеть, чтобы избежать разряда ESD через сигнальную землю, что создаст «отскок от земли» и нарушит функционирование. Это не легкий вопрос. Установив простое надежное соединение между сигнальной землей и экраном, вы можете столкнуться с проблемами электромагнитных помех и не пройти сертификацию электромагнитных помех. Для получения более подробной информации, возможно, вы захотите просмотреть эту тему о том, как сбалансировать два противоречивых требования к экранам USB.

Учитывая то, что вы рассказали нам об устройстве:

• Батарея заряжена
• Обычно не подключен к USB
• Не имеет подключения к внешним датчикам или устройствам во время измерений
• Не имеет доступных металлических деталей, кроме шасси и
  экрана USB .

Просто подключите корпус к USB-экрану и покончите с этим.

В предыдущем ответе были отмечены проблемы с токовой петлей (два разных пути заземления в цепи к сети), но поскольку у вас есть устройство с питанием от батареи, это не проблема.

Если вы хотите поэкспериментировать, вы можете попробовать удалить резистор / конденсатор между экраном и заземлением. Также вы можете использовать меньший конденсатор NP0 C0G ESD, конденсатор емкостью 100 нФ имеет диэлектрик X7R, который не очень подходит для такого рода задач.

Соединение GND-to-Shield, по-видимому, довольно слабое и не находится рядом с разъемом USB. Таким образом, короткое замыкание экрана на GND заставляет переходный процесс проходить через вашу печатную плату, пока он не достигнет вкладки шасси.

Я думаю, что проблема здесь в том, что оригинальный дизайнер поместил USB-щит под следы сигнала. Зарядка ESD-пистолета заставляет щит "прыгать", который емкостно соединяется со следами и компонентами поблизости. Теперь сигнальные и VBUS-трассы разбиты на GND, поэтому они защищены. Тем не менее, эти следы затем идут с CMC и ферритом, в то время как GND напрямую связан - так что, вероятно, они подавляют переходные процессы в этих проводах, в то время как переходные процессы GND остаются неизменными.

NB это просто предположение.

У меня есть два решения:

Решение A
Замените C3 на максимально возможный конденсатор (микро, а не нанофарад).
Если это не работает, то

Решение B
1) Снимите резистор и конденсатор, которые были добавлены (R1 и C3),
2) отсоедините заземление от этого разъема,
3) припаяйте провод от щитка (узел R1 C3) к заземлению этого разъема, а другой конец припаяйте его на закладку заземления печатной платы противоположного разъема.

Итоговым результатом этих инструкций является изоляция заземляющей поверхности печатной платы от экрана USB. Таким образом, когда USB-экран подключен, ESD будет обходить PSB и переходить на землю.