USB Shield. Erden oder nicht erden?

Ich habe ein Gerät bei der Arbeit bekommen, um es zu testen. Grundsätzlich ist ein IC veraltet, daher muss ich ein Ersatzteil testen. Beim erneuten Ausführen der ESD-Prüfungen ist das Gerät ausgefallen.

Ich habe den Verlauf des Geräts überprüft, und es gab zuvor Probleme beim Bestehen von ESD. Es gab eine Notiz von der Testeinrichtung, dass, da das Gerät vollständig aus Metall bestand (Edelstahlgehäuse), nur eine Kontaktentladung von bis zu 4 kV erforderlich war, um zu bestehen (ich bin in Großbritannien). Anscheinend ist es ein paar Mal fehlgeschlagen, bis ein Kondensator / Widerstand zwischen der USB-Abschirmung und Masse hinzugefügt wurde und eine kleine Metalllasche eingeführt wurde, um einen besseren Kontakt zwischen der PCB-Masse und dem Metallgehäuse herzustellen. Dies ließ es dann offenbar passieren.

Nach 5 Jahren wiederhole ich die Tests. Jedes Mal, wenn ich den Kontaktentladungstest bei +4 kV durchführe, verliert das Gerät seinen Speicher (dies ist ein Datenlogger) und muss auf die Werkseinstellungen zurückgesetzt und die Protokollierung neu gestartet werden, um wieder zu funktionieren. Ich habe einige alte mit dem vorherigen IC erneut überprüft und festgestellt, dass dies ebenfalls fehlschlägt. Es schien ein zeitweiliges Problem zu sein (einige Geräte haben 3 von 10 Tests bestanden, andere haben alle 10 usw. nicht bestanden), und so schien es mir, als ob das Bestehen des ESD-Tests zuvor wahrscheinlich ein Zufall war.

Ich habe eine Reihe von Dingen ausprobiert, ich habe zusätzliche Kondensatoren parallel zu den aktuellen geschaltet, die den USB-Schirm mit Masse verbinden (unterschiedliche Werte, hoch / niedrig), ich habe den Widerstand auf unterschiedliche Werte geändert (höherer / niedrigerer Widerstand) und Ferritperlen ausprobiert parallel, und Ferritperlen anstelle des Widerstands / Kondensators, wie ich einige Stellen empfohlen hatte, aber immer noch fehlgeschlagen. Die einzige Möglichkeit, die ich zum Bestehen brachte, bestand darin, den USB-Schirm direkt zu erden .

Wenn ich online schaue, kann ich anscheinend nirgendwo etwas finden, das ausdrücklich angibt, ob Sie den USB-Schirm erden sollen oder nicht. Diese Diskussion HIER hat unterschiedliche Ansichten, diese HIER hat auch eine Diskussion darüber. DIESER Link erwähnt, dass die Abschirmung nur am Host mit Masse verbunden werden sollte, aber kein Gerät sollte die Abschirmung mit Masse verbinden. In diesem Dokument heißt es, dass die Abschirmung mit dem Gehäuse verbunden werden sollte. In Abb. 12 scheint jedoch zu zeigen, dass die USB-Abschirmung mit der GND-Ebene verbunden sein sollte.

Es scheint einfach eine Menge unterschiedlicher Ansichten zu geben, daher bin ich mir nicht sicher, was ich als nächstes tun soll. Wenn Sie den Schirm erden, kann er elektrostatische Entladungen durchlassen. Ist dies etwas, das Sie tun sollten? Oder soll ich weiter nach einer besseren Lösung suchen? Wenn ja, was ist eine gute Lösung?

MEHR INFO:

• Die Platine ist sehr unregelmäßig und platzsparend, sodass die Massefläche in der Nähe des USB-Anschlusses sehr klein ist.
• Ich darf hier keine mechanischen Änderungen vornehmen. Ich möchte nur eine Lösung finden, die einfach zu implementieren ist und keine Neugestaltung der Leiterplatte oder des Produkts erfordert, sodass diese Vorschläge sinnlos sind.
• Dies ist ein Arbeitsgerät und als solches darf ich den Schaltplan nicht zeigen, also bitte nicht fragen. Die USB-Eingangsschaltung basierte auf diesem Design:
• Die Gleichtaktdrossel, der Ferrit- und der TVS-Diodenschutz sind bereits im Design.
• Ich bin nicht der ursprüngliche Konstrukteur. Sie arbeiten nicht mehr für das Unternehmen, daher kann ich ihre Gründe für die von ihnen getroffenen Designentscheidungen nicht finden
• Das Gerät ist USB 2.0
• Das Gerät besteht den Test bei -4 kV, es ist nur die + 4 kV, bei der es ausfällt

MEHR INFO

Weitere Informationen, die in den Kommentaren benötigt werden, werden hier hinzugefügt.

• Andy aka: Ich kann dir so viel zeigen:

  

Von der eigentlichen Leiterplatte kann ich nur Folgendes zeigen:

Sie sehen, dass die Erdung kurz vor der USB-Buchse stoppt. Das große Loch ist die Stelle, an der die Laschen für den USB-Schirm eine mechanische Verbindung zur Leiterplatte haben. R1 verbindet dann die Abschirmung mit GND und der Kondensator C3 macht dasselbe bei der anderen Verbindung. Der Schirm ist über die 100k Res / 100nF Kappe mit Masse verbunden. Auf der Leiterplatte befindet sich eine Metalllasche, die auf dem Metallgehäuse aufliegt. Laut dem alten ESD-Bericht wurde dies benötigt oder das Gerät ist ausgefallen. Soweit ich sehen kann, waren dies die einzigen Dinge, die zusätzlich zu dieser Beispielschaltung hinzugefügt wurden, um vor ESD zu schützen.

Als Antwort auf die Fragen in den Kommentaren:

• Der Fehler tritt auf, wenn ein Kontaktentladungs-ESD-Test an der USB-Abschirmung durchgeführt wird (alle anderen Bereiche sind in Ordnung, nur die USB-Abschirmung ist fehlerhaft).
• Der Test wird durchgeführt, während das Gerät protokolliert. Es ist nicht über USB mit einem Gerät verbunden.
• Ich habe versucht, eine 0R-Verbindung zu GND anstelle der Widerstands- / Kondensatorlösung herzustellen, aber dies schlägt immer noch fehl. Wenn ich eine Drahtverbindung direkt von der USB-Abschirmung zum Gehäuse (das mit PCB GND verbunden ist) hinzufüge, ist das Problem behoben. Ich glaube, das liegt am PCB-Design. Die Massefläche in der Nähe der USB-Seite ist sehr klein (ca. 12 mm x 15 mm). Trotzdem ist das Chassis groß. Das kann ich nicht ändern.
• Die Position der Registerkarte Chassis to PCB GND befindet sich auf einer Unterplatine, wobei eine Spur von 30 zu der Registerkarte verläuft. (Ja, ich weiß, es klingt seltsam, aber die Platzbeschränkungen waren lächerlich und das war nicht mein Entwurf!)

Beste Übung

Erstens (als ein bisschen Cop out) persönlich habe ich in Designs immer einen 0R-Widerstand durchgeschliffen, damit die Entscheidung geändert werden kann. Dies gilt für so ziemlich jede Abschirmung (Ethernet, USB usw.)

Das Hauptproblem, das auftreten kann, ist, wenn die Abschirmung an beiden Enden geerdet ist und die beiden Enden nicht übereinstimmen, was 0 V sind. Dies kann zu Schäden an beiden Enden führen, da Ströme dort fließen, wo sie nicht sollten (wenn der Abschirmungspfad 0,2 Ohm beträgt und die Spannungsdifferenz 1 V beträgt, gehen 5 A dahin, wo sie nicht sollten).

Sie könnten sich vorstellen, warum dies jemals passieren würde ? Denken Sie jedoch an die Situation, in der ein Laptop über USB an ein netzbetriebenes Gerät angeschlossen ist. Der Laptop kann nur mit Batterie betrieben werden (keine echte Erdungsreferenz), das Gerät ist jedoch an das Stromnetz angeschlossen und verfügt daher möglicherweise über eine echte 0-V-Erdungsreferenz.

Die Lösung besteht also darin, nur an einem Ende zu verbinden, sich jedoch einig zu sein, an welchem ​​Ende.

Im Allgemeinen wird von einem USB-Host-Gerät erwartet, dass es die Stromversorgung übernimmt, und das Slave-Gerät wird häufig ausschließlich über den Bus mit Strom versorgt und hat keine Verbindungen zu irgendetwas anderem in der Außenwelt (z. B. USB-Speicherstick, WLAN-Dongle usw.). Im Allgemeinen sollte der USB-Host die Abschirmung mit Masse (und, falls möglich, Erde) verbinden. Aus diesem Grund wird normalerweise von der Host-Seite erwartet, dass sie die Abschirmung mit Masse oder Erde verbindet.

Die Tatsache, dass es so viele widersprüchliche Kommentare von Menschen und unterschiedliche Erfahrungen gibt, zeigt deutlich, dass es alles andere als sicher ist anzunehmen, dass dies immer eingehalten wird.

In dieser Situation

Nachdem Sie dies in einem Chat besprochen haben, sieht die vorgeschlagene Lösung anders aus. Da es sich um eine ESD-Frage handelt, ist sie unübersichtlich und kompliziert und umfasst viele Aspekte des Designs (Elektrik, Mechanik, System). Der Chat ist für alle sichtbar, aber es gibt wichtige Punkte:

• Dieser Datenlogger hat außer der USB-Verbindung zu einem PC / Laptop keine weiteren Verbindungen
• Der Datenlogger hat ein Metallgehäuse, das mit der Masse der Leiterplatte verbunden ist.
• Wenn die USB-Abschirmung nicht direkt mit der Masse der Leiterplatte verbunden ist (z. B. durch R || C oder HiZ verbunden), fällt der Datenlogger aus (Speicherinhalt geht verloren).
• Im ESD-Test ist das USB-Kabel nicht angeschlossen (oder schwebt am anderen Ende).
• Das OP ist nicht der Autor des Entwurfs und hat nur sehr begrenzte Möglichkeiten, Entwurfsänderungen vorzunehmen, um dieses Problem zu lösen.

Ich gehe davon aus, dass das Problem höchstwahrscheinlich mit dem PCB-Layout zusammenhängt. Der ESD-Stoß nimmt einen Weg vom Schild, vorbei an empfindlicher Elektronik und erreicht schließlich das Chassis. Durch direktes Verbinden der Abschirmung mit dem Gehäuse über ein Kabel erreicht der ESD-Überspannungspfad das Gehäuse, ohne in die Nähe der Leiterplatte zu gelangen, wodurch das Problem vermieden wird.

In dieser Situation hat der Datenlogger keine weiteren Verbindungen zu anderen Geräten. Die potenziellen Probleme (Wortspiel beabsichtigt) können nicht auftreten. Daher würde ich vorschlagen, die Abschirmung mit dem Chassis zu verbinden. Entweder durch einen Draht oder einen produktionsfreundlicheren Ansatz ist eine ESD-Dichtung um den Steckverbinder, ein schwammiges leitfähiges Material, das eine Verbindung ohne manuelles Löten herstellt und das Gehäuse nicht dauerhaft an der Platine befestigt.

In einer idealeren Welt würde ich die Platine so umrüsten, dass das Chassis von der PCB-Platinenmasse isoliert ist und das Chassis mit der Abschirmung verbunden ist. Das bedeutet, dass ESD-Stöße überhaupt nicht in die empfindliche Elektronik gelangen können. Es sei denn, Sie stecken zum Spaß die Datenstifte in den USB-Anschluss. In diesem Fall weisen ESD-Dioden auf den Datenleitungen einen Pfad zur Gehäusemasse und nicht zur Leiterplattenmasse auf.

Sie müssen den Hochstrompfad in Ihrem Design untersuchen und das Design muss ein separates Abschirmungsnetz bereitstellen, um zu vermeiden, dass die ESD-Entladung über die Signalerde geht, was zu einem "Ground Bounce" führt und die Funktionalität stört. Dies ist keine leichte Sache. Wenn Sie eine einfache feste Verbindung zwischen Signalmasse und Abschirmung herstellen, können EMI-Probleme auftreten und die EMI-Zertifizierungen verfehlen. Weitere Informationen zum Ausgleichen zweier widersprüchlicher Anforderungen für USB-Abschirmungen finden Sie in diesem Thema .

In Anbetracht dessen, was Sie uns über das Gerät gesagt haben:

• Batteriebetrieben
• Normalerweise nicht an USB angeschlossen
• Hat während der Messung keine Verbindungen zu externen Sensoren oder Geräten
• Hat keine zugänglichen Metallteile außer Gehäuse und USB-
  Abschirmung.

Schließen Sie einfach das Gehäuse an den USB-Schirm an und fertig.

In der vorherigen Antwort wurde auf Probleme mit Schleifenströmen hingewiesen (zwei verschiedene GND-Pfade im Stromkreis zum Stromnetz). Da Sie jedoch ein schwimmendes, batteriebetriebenes Gerät haben, ist dies kein Problem.

Wenn Sie experimentieren möchten, können Sie versuchen, den Widerstand / Kondensator zwischen der Abschirmung und der Masse zu entfernen. Sie können auch einen kleineren NP0-C0G-ESD-Kondensator verwenden. Der 100-nF-Kondensator verfügt über ein X7R-Dielektrikum, das für diese Art von Aufgabe nicht gut geeignet ist.

Die GND-to-Shield-Verbindung ist anscheinend eher schwach und nicht in der Nähe des USB-Anschlusses. Wenn Sie also die Abschirmung mit GND kurzschließen, wird der Übergang durch die Leiterplatte ausgeführt, bis er die Gehäuselasche berührt.

Ich denke, das Problem hier ist, dass der ursprüngliche Designer USB-Abschirmung unter den Signalspuren hat. Durch das Zappen der ESD-Pistole springt der Schild, der sich kapazitiv mit den Spuren und Bauteilen in der Nähe verbindet. Jetzt sind Signal- und VBUS-Traces gegen GND geschützt. Diese Leiterbahnen weisen dann jedoch CMC und Ferrit auf, während die GND direkt gekoppelt ist. Diese unterdrücken also wahrscheinlich die Transienten in diesen Drähten, während die GND-Transienten unvermindert anhalten.

NB das ist nur Spekulation.

Ich habe zwei Lösungen:

Lösung A
Ersetzen Sie C3 durch den größtmöglichen Kondensator (Mikro-, nicht Nano-Farad).
Wenn das nicht funktioniert, dann

Lösung B
1) Entfernen Sie den Widerstand und den Kondensator, die hinzugefügt wurden (R1 & C3).
2) Trennen Sie die Erdung von diesem Anschluss.
3) Löten Sie einen Draht von der Abschirmungslasche (R1 C3-Knoten) auf diese Anschlusserde und löten Sie ihn am anderen Ende an die PCB-Erdungslasche des gegenüberliegenden Steckers.

Das Nettoergebnis dieser Anweisungen besteht darin, die Leiterplattenerdung von der USB-Abschirmung zu isolieren. Auf diese Weise umgeht die elektrostatische Entladung das PSB und geht auf Masse, wenn der USB-Schirm zappt.