ESD-Schlag auf den Erdungsstift des freiliegenden Stromkreises

Ich habe eine Schaltung für ein batteriebetriebenes Gerät entworfen, dessen USB-Anschluss zum Laden und zur Datenübertragung extern freigelegt ist. Es handelt sich um einen nicht standardmäßigen, andockbaren USB-Anschluss ohne verfügbaren Schirmanschluss. Der gesamte Stromkreis befindet sich in einem Kunststoffgehäuse ohne Gehäuse- / Schutzerdungsmöglichkeit (siehe Abbildung unten):

Für den ESD-Schutz habe ich fast die genaue Designempfehlung befolgt, die hier angegeben ist: http://www.semtech.com/images/promo/Protecting_USB_Ports_from_ESD_Damage.pdf

Ich kann den Strompfad visualisieren, wenn Vbus, D + oder D- von einem positiven oder negativen ESD-Impuls getroffen werden, dh Lenkdioden für einen negativen Impuls vorwärts leiten oder für einen positiven Impuls zum zentralen TVS umleiten. Bitte korrigieren Sie, wenn mein Verständnis nicht stimmt.

Ich bin mir jedoch nicht sicher, was passieren würde, wenn der freiliegende GND-Pin selbst den Zap erhält.

Fragen:

1. Wird ein negativer ESD-Schlag auf den GND-Pin den gleichen Effekt haben wie ein positiver Impuls auf Vbus, dh ein Ausfall des zentralen Lawinen-TVS, der zur Klemmung führt?

2. Im Falle eines positiven ESD-Anschlags auf GND leiten die Lenkdioden und / oder das zentrale TVS vorwärts und leiten die gesamte Energie (minus 1 Diode Vf-Abfall, falls dies überhaupt wichtig ist) an den Rest der Schaltung weiter, wodurch das Chaos zerstört wird !? Ich habe versucht, die folgende Situation darzustellen:

(Bild geändert von dem oben zitierten Link)

Lösungen, die ich in Betracht ziehe:

1. Trennen Sie Vbus vom zentralen TVS und führen Sie ein eigenständiges bidirektionales TVS zwischen Vbus und GND mit anschließendem Sperrspannungsschutz für den Rest des Stromkreises ein (um die V-Klemme des bidirektionalen TVS zu tolerieren). Es kann immer noch nicht verhindern, dass die Lenkdioden leiten, und es gibt andere unidirektionale TVS-Dioden, die an anderen freiliegenden E / A-Pins nach GND rangieren, was ebenfalls das Verhalten vorwärts leiten kann.

2. Führen Sie eine Ferritperle zwischen dem freiliegenden USB-GND und dem Schaltungs-GND ein, um die magere Impedanz zu ermitteln!

Anregungen / Einblicke sind willkommen, danke!

PS:

• Da die Schaltung Strom von Vbus beziehen kann, können der Vbus-GND-Schleife keine Vorwiderstände hinzugefügt werden

• Geplanter Test gemäß IEC 61000-4-2 , Stufe 4 (8/15-kV-Kontakt / Luftaustritt). Das Gerät wird während des Tests ohne angeschlossenes USB-Kabel mit Batteriestrom betrieben, daher sind alle Pins für ESD-Schläge leicht zugänglich.

Das erste, was mir in den Sinn kommt, ist, dass ESD-Tests an Punkten durchgeführt werden sollten, die normalerweise während des normalen Betriebs zugänglich sind. Da Sie nicht beschrieben haben, was Sie bauen, macht dies in Ihrer Frage eine vage Antwort wieder wett. Der Test wird auch in Ihrer Frage nicht beschrieben, und das Wichtigste ist, an welche Punkte die ESD-Pistole angeschlossen ist. Das menschliche Körpermodell bezieht sich auf den Erdboden.

Wenn Sie positiven Schlag sagen, meinen Sie positiv in Bezug auf Erdboden? Positiv in Bezug auf was? Der Strom nimmt den Pfad mit der niedrigsten Impedanz zurück zur Quelle. Sie müssen die Minus- oder Erdungsseite der ESD-Pistole an etwas anschließen. Normalerweise ist es mit Erdung oder Gehäusemasse verbunden. Der Strom muss zurück zur Quelle fließen. Wenn Sie also mit der an Masse angeschlossenen ESD-Pistole auf die Platine schlagen, hat sie mehrere potenzielle Pfade, die sie zurücknehmen könnte. Es gibt die USB-Abschirmung, die USB-Masse, die D + - und D- -Drähte, Vbus und die Luft. Die Luft ist wie ein 10 ^ 6 bis 10 ^ 9 Widerstand mit einigen pF Kapazität. Die D + - und D- -Drähte haben mindestens den Widerstand von Rt plus dem, was sich am Treiberende des Kabels befindet. Vbus hätte wahrscheinlich einen Spannungsregler, so dass er kleiner als der von Rt wäre.

Die Antwort lautet also: Es wird die Erdung zurück zur Quelle bringen (wenn Sie die ESD-Kanone mit der Erde verbunden haben und alle Pfade sie bis zu einem gewissen Grad sehen, nimmt die Erde den größten Teil des Stroms auf).

Zurück zum Design: Der ganze Grund für eine Abschirmung um USB besteht darin, Rauschen und elektrostatische Entladung vom Erdungskabel wegzuleiten, das sich neben den V + - und V- -Kabeln befindet. Aufgrund der gegenseitigen induktiven Kopplung können einige Transienten auftreten, die zu den Datenleitungen übergehen und zumindest ein Rauschen erzeugen, das das gesendete Paket ausschaltet.

Am besten verwenden Sie die Abschirmung, um Rauschen und elektrostatische Entladung von den Datenleitungen und dem USB-Boden fernzuhalten. Das nächstbeste (und nicht empfohlene) ist, den ESD über das Erdungskabel des USB-Kabels zu leiten.

Wenn die Platine von Menschen gehandhabt wird, versuchen Sie, die Platine so zu gestalten, dass der Boden das erste ist, was ein ESD-Ereignis sieht. Die ideale Situation wäre, ein Metallgehäuse, das Ihr Gerät umschließt, an der USB-Abschirmung zu befestigen. Wenn Sie das Gehäuse nicht an der Abschirmung befestigen können (nicht empfohlen), binden Sie es an Masse. Wenn Sie kein Gehäuse haben können, versuchen Sie, Schutzringe und eine schöne gesunde Grundplatte zu verwenden.

Bei batteriebetriebenen Geräten wird es möglicherweise nicht entladen, da es nicht geerdet ist. Welches ist ein vorübergehendes Szenario für ESD. Es sei denn, der Techniker hilft Ihnen, sich nach jedem Zap auf den Boden zu entladen.

Fügen Sie eine 10uF-Kappe zwischen Vbus und Gnd hinzu, damit sich die ESD schneller neutralisieren kann. Am nächsten zum USB-Anschluss. Wenn zap + 8kV auf Gnd, wird die Kappe ein wenig entladen, um etwas ESD-Energie aufzunehmen. Was ich nicht möchte, ist, den Entladungsweg von meinem Boden zu finden, zu einem Erdungsstift in einer Komponente zu gehen und dann den Versorgungsstift der Komponente zu verlassen.

Keramik-Basis-TVS kommen und ihre Reaktionszeit ist viel schneller als bei herkömmlichen Dioden-Basis-TVS.