Was ist der Zweck des Eingangsschutzes auf USB (oder überhaupt)?

Ich habe ziemlich viel gesehen, wo in Sperrrichtung vorgespannte Dioden verwendet werden, um Eingangsspannungen zu klemmen, wenn Spitzen auftreten.

• Was ist die typische Durchbruchspannung für eine Diode, die in dieser Art von Anwendung verwendet wird?

Es scheint, dass diese Schutzdioden nicht zum Schutz vor einer großen angelegten Spannung durch den Benutzer vorhanden sind, sondern vielmehr, um Spannungsspitzen zu unterdrücken, die durch statische Entladungen entstehen können.

• Warum kann es zu einer statischen Entladung kommen, wo würde diese überschüssige Ladung vom Stromkreis kommen (auf einer Leiterplatte, nicht auf einem Steckbrett, wo eine Person eine Entladung einführen kann), und wie groß ist die typische Spannungsgröße?

• Warum sollte man nicht auch die Möglichkeit einer möglicherweise großen negativen Spannung in Betracht ziehen und auch Sperrdioden von der Eingangsleitung zu Vcc platzieren?

Ich entwerfe ein einfaches Breakout-Board für einen Controller, der Daten über eine USB-Schnittstelle ausgibt. Durch meine Forschung fand ich heraus, dass viele Designs diese in Sperrrichtung vorgespannten Schutzdioden auf Vusb, D + und D- enthalten, jedoch nicht alle.

Wenn all dies auf einer Leiterplatte montiert ist, warum kann es dann zu einer plötzlichen statischen Entladung kommen und woher kann sie stammen?

• Wie häufig ist diese Art von Ereignis und ohne diese Dioden ist es wahrscheinlich, dass die Schaltung beschädigt wird?

• Ist es empfehlenswert, diese Schutzdioden immer einzuschließen, oder sind sie manchmal nicht erforderlich? Wenn letztere, welche Sonderfälle halten sie für unnötig?

• Funktioniert eine Diode oder sollte eine mit einer bestimmten Durchbruchspannung verwendet werden?

BEARBEITEN:

Wenn man sich diese App-Notizen ansieht, zeigt man

Während der andere etwas Ähnliches zeigt, aber ohne dass der "obere" Knoten mit irgendetwas verbunden ist. Ist dies ein Druckfehler oder ist es impliziert, mit Vbus verbunden zu sein?

Vergessen Sie USB für einen Moment, denn diese Geräte sind in viel mehr Anwendungen als nur USB nützlich. Erstens sind die Dioden in Ihren ersten beiden Beispielen normalerweise keine generischen Signal- oder Zenerdioden. Es handelt sich normalerweise um speziell entwickelte TVS-Dioden (Transient Voltage Suppressor).

TVS-Dioden gibt es in verschiedenen Geschmacksrichtungen, es gibt jedoch drei Schlüsselparameter. Erstens die maximale Sperrspannung. Dies ist die Arbeitsspannung. Für USB möchten Sie sehr nahe an 5V sein. Das nächste, was Sie sich ansehen möchten, ist die Klemmspannung. Wieder ca. 5V für USB. Normalerweise steigt der Leckstrom erheblich an, wenn sich die Klemmspannung der Sperrspannung nähert. Beachten Sie dies, falls es in Ihrer Bewerbung darauf ankommt. Der letzte Schlüsselparameter ist der Spitzenrückstrom. Stellen Sie sicher, dass es den Standard unterstützt, gegen den Sie testen möchten.

Beachten Sie noch etwas, wenn Sie TVS-Dioden auf Hochgeschwindigkeitssignalleitungen (z. B. USB, HDMI, Ethernet usw.) platzieren. Stellen Sie sicher, dass die TVS-Diode eine niedrige Kapazität hat. Es gibt viele Dioden und Arrays, die für diesen Zweck geeignet sind und Kapazitäten in der Nähe von 0,2 pF haben.

Ich gehe gleich zu Ihrem zweiten Beispiel über, da wir hier über USB sprechen. Das gezeigte Schema wäre angemessen, wenn die gezeigten Dioden um 5 V klemmen und TVS-Dioden versuchen. Normale Zenerdioden sind für den ESD-Schutz nicht schnell genug.

In Ihrem letzten Beispiel der Frage, ob der oberste Knoten auf Vbus verbunden ist und nach dem Gerät Datenblatt , ist es nicht. Wenn ein positives ESD-Ereignis auf einer der Signalleitungen auftritt, wird es von diesem TVS geklemmt. Der Vbus TVS hat eine höhere Klemmspannung für die Stromschiene.

Du hast gefragt,

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

Das potenzielle Problem ist ESD (Electrostatic Discharge), die von außerhalb der Leiterplatte stammt und über den USB-Anschluss eingeht. Ein Benutzer trägt möglicherweise ein Produkt über einen Teppich oder einen anderen ESD-Generator und berührt den USB-Anschluss mit dem Finger. Selbst wenn ein Kabel an den USB-Anschluss angeschlossen ist, berühren sie möglicherweise den Anschluss am anderen Ende des Kabels und werden über USB geführt.

Dies gilt nicht nur für USB-Anschlüsse, sondern auch für alle Anschlüsse, die aus einem Produkt stammen - sogar für die Netzbuchse.

Wenn wir ein Produkt zum Verkauf entwerfen und es auf EMI / EMV (Elektromagnetische Interferenz und Kompatibilität) testen lassen, injiziert das Testhaus kurze 8.000 V (8 kV) Niedrigstromspitzen in jeden der Steckverbinder und testet anschließend das Gerät funktioniert immer noch richtig. Die in Ihren Schaltplänen gezeigten Geräte schützen vor Entladungen dieser Stufe oder höher. Ohne den ESD-Schutz würde das Gerät diesen Test wahrscheinlich nicht bestehen.

Warum eine UL-Zertifizierung erhalten, die in einem Testlabor Tausende von Dollar kosten kann? Ist es eine gesetzliche Anforderung? Nein, aber viele Einzelhändler wie Walmart führen keine elektronischen Produkte, es sei denn, sie haben ein UL-Label. In Europa entspricht dies der CE-Kennzeichnung.