USB-щит. Заземлити чи не заземлити?

Мені дали пристрій на роботі, щоб зробити тестування. В основному ІС стає застарілим, тому мені потрібно перевірити заміну. Після повторної перевірки ESD пристрій вийшов з ладу.

Я перевірив історію пристрою, і раніше були проблеми з передачею ESD. З тестового обладнання було повідомлення про те, що оскільки пристрій був повністю металевим (корпус з нержавіючої сталі), для проходження потрібно лише контактний розряд до 4 кВ (я в Великобританії). Мабуть, це не вдалося кілька разів, доки між USB-екраном і землею було додано конденсатор / резистор, і було введено невелику металеву вкладку для кращого контакту між землею друкованої плати та металевим корпусом. Це, очевидно, дозволило йому пройти.

Перемістіть на 5 років, і я переглядаю тести. Кожен раз, коли я виконую тест на контактний розряд при + 4 кВ, пристрій втрачає пам'ять (це пристрій обміну даними), і йому потрібно скинути заводські налаштування та перезапустити журнал, щоб знову працювати. Я повторно перевірив деякі старі, використовуючи попередній ІС, і виявив, що це також не вдається. Здавалося, це проблема, що переривається (деякі пристрої пройшли 3 з 10 тестів, інші не виконали всіх 10 і т. Д.), Тому мені здається, що попередній пропуск на тест ESD, швидше за все, був випадковим випадком.

Я спробував ряд речей, я поставив додаткові конденсатори паралельно поточному, що з'єднує USB-щит із землею (різні значення, високий / низький), я змінив резистор на різні значення (більший / нижчий опір) і спробував феритові кульки паралельно, і феритові кульки замість резистора / конденсатора, як я бачив, де деякі місця рекомендують, але все-таки не вдалося. Єдиний спосіб я пройшов це - заземлити USB-щит безпосередньо .

Дивлячись в Інтернеті, я не можу ніде знайти, де прямо написано, чи слід чи не слід заземлювати USB-щит. Ця дискусія ТУТ має різні погляди, ця ТУТ також має дискусію щодо неї. ЦЕ посилання згадує, що щит повинен бути підключений лише до землі на хості, але жоден пристрій не повинен з'єднувати щит із землею .... У цьому документі зазначено, що щит повинен бути підключений до корпусу. Тим не менш, на малюнку 12 здається, що USB-щит повинен бути прив'язаний до площини GND.

Здається, що на це існує дуже багато різних поглядів, тому я трохи не впевнений, що робити далі. Заземлення щита дозволяє йому пройти ОУР, але це щось, що потрібно зробити? Або варто продовжувати шукати кращого рішення? Якщо так, то яке хороше рішення.

БІЛЬШЕ ІНФОРМАЦІЇ:

• Друкована плата дуже нерегулярна і простора, що робить площину заземлення біля роз'єму USB дуже маленькою.
• Мені заборонено змінювати будь-яку механічну конструкцію з цього приводу. Я просто щоб знайти рішення, яке можна легко здійснити і не потребує перероблення друкованої плати чи продукту, тому ці пропозиції робити безглуздо.
• Це робочий пристрій, і тому мені не дозволяється показувати схематично, тому, будь ласка, не питайте. Вхідна схема USB була заснована на такій конструкції:
• Захист дросельних, феритових та діодних ТВС в дизайні вже є.
• Я не оригінальний інженер-дизайнер. Вони більше не працюють для компанії, тому я не можу знайти їх міркування щодо дизайнерського вибору, який вони зробили
• Пристрій USB 2.0
• Агрегат проходить випробування на -4 кВ, він просто + 4 кВ, де він не вдається

БІЛЬШЕ ІНФОРМАЦІЇ

І більше інформації, необхідної для коментарів, буде додана тут.

• Енді ака: Я можу вам це показати:

  

Все, що я можу показати про фактичну плату, це:

Ви можете бачити, що заземлення не зупиняється на USB-розетці. Великий отвір - це там, де вкладки для USB-екрана мають механічне з'єднання з друкованою платою. Потім R1 підключає щит до GND, а конденсатор C3 робить те ж саме на іншому з'єднанні. Екран підключається до землі за допомогою ковпачка 100k res / 100nF. На друкованій платі встановлена ​​металева вкладка, яка спирається на металеве шасі. Згідно зі старим звітом ESD, це було потрібно або пристрій вийшов з ладу. Наскільки я бачу, це були єдині речі, додані до цього прикладу схеми для захисту від ОУР.

У відповідь на запитання в коментарях:

• Помилка виникає під час тестування ESD на контактному розряді на USB-екрані (всі інші області добре, лише USB-щит не виходить)
• Тест відбувається під час реєстрації блоку. Він не підключений до жодного пристрою через USB.
• Я спробував 0R посилання на GND замість резистора / конденсатора рішення, але це все ще не вдається. Коли я додаю провідний канал прямо від USB-екрана до корпусу (який підключений до PCB GND), тоді проблема буде вирішена. Я вважаю, це завдяки дизайну друкованої плати. Площина заземлення біля сторони USB дуже мала (близько 12 мм х 15 мм). І все ж шасі велике. Це те, що я не можу змінити.
• Розташування вкладки GND від шасі до друкованої плати знаходиться на суб-друкованій платі із слідом 30 вкладки. (так, я знаю, це звучить дивно, але космічні обмеження були смішними, і це не було моїм дизайном!)

Найкраща практика

По-перше (як трохи коп), в дизайнах я завжди пробиваю резистор 0R, щоб рішення можна було змінити. Це стосується майже будь-якого екрана (Ethernet, USB тощо)

Основна проблема, яка може виникнути, полягає в тому, що щит заземлений на будь-якому кінці, і два кінці не згодні з тим, що таке 0В. Це може призвести до пошкодження будь-якого кінця струмами, що протікають там, де вони не повинні (якщо шлях екрана 0,2 Ом, а різниця напруги 1 В, це 5А, куди не слід)

Ви можете подумати, чому це колись станеться ? Але подумайте про ситуацію, коли ноутбук підключений до оснащення мережевого обладнання через USB. Ноутбук міг бути лише від акумулятора (немає справжньої земної орієнтації), але обладнання підключено до електромережі і, таким чином, може мати справжню земну орієнтацію 0 В

Тож рішення полягає в тому, щоб з’єднатись лише на одному кінці, але мати певну угоду щодо того, з якою метою.

Як правило, очікується, що USB-хост-пристрій забезпечить живлення, і ведений пристрій часто працює повністю від шини і не має з'єднань ні з чим іншим у зовнішньому світі (подумайте, накопичувач USB-пам’яті, ключ WiFi тощо). Загалом, USB-хост повинен підключити щит до землі (і, якщо можливо, заземлення). Ось чому зазвичай приймаюча сторона прив'язує щит до землі або землі.

Той факт, що існує стільки суперечливих коментарів людей та різного досвіду, чітко показує, що вважати, що цього завжди дотримується, далеко не безпечно, тому, як я згадував по-перше, - додайте можливість легко змінити його.

У цій ситуації

Після обговорення цього в чаті пропоноване рішення відрізняється. Оскільки це питання щодо ОУР, воно є безладним і складним і включає багато аспектів дизайну (електричний, механічний, системний). Чат доступний для всіх, але вони мають важливі біти:

• Цей реєстратор даних не має інших з'єднань, крім з'єднання USB до ПК / ноутбука
• Datalogger має металеве шасі, яке приєднано до основи плати друкованої плати.
• Якщо USB-щит не підключений безпосередньо до заземлення плати друкованої плати (наприклад, підключений R || C або HiZ), реєстратор даних виходить з ладу (втрачає вміст пам'яті).
• У тесті ESD USB-кабель не приєднаний (або плаває на іншому кінці).
• ОП не є автором проектування і має дуже обмежені можливості для внесення змін до дизайну для вирішення цієї проблеми.

Я вважаю, що проблема, швидше за все, пов'язана з компонуванням друкованої плати. ССД проходить шлях від щита, минулого чутливої ​​електроніки і нарешті дістається до шасі. Підключивши щит до шасі за допомогою дроту, ШОС перенапруги досягає шасі, не наближаючись до друкованої плати, щоб уникнути проблеми.

У цій ситуації, оскільки реєстратор даних не має інших з'єднань з будь-якими іншими пристроями; можливі проблеми (каламбур) не можуть виникнути. Тому я б запропонував підключити щит до шасі. Або дротом, або більш приємним підходом до виробництва є прокладка ESD навколо з'єднувача, яка є губчастим електропровідним матеріалом, який забезпечує з'єднання без ручної пайки і не кріпить шасі на плату.

У більш ідеальному світі, я б розтанував дошку, щоб шасі було ізольовано від заземлення плати друкованої плати, а корпус підключено до щита. Це означає, що сплески ESD взагалі не можуть досягти чутливої ​​електроніки. За винятком випадків, коли ви розважаєтеся за допомогою штифтів даних на роз'ємі USB - у цьому випадку діоди ESD на даталінах, які дають шлях до заземлення шасі, а не заземлення плати друкованої плати.

Вам потрібно вивчити шлях високого струму в межах вашої конструкції, і дизайн повинен передбачати окрему екрановану сітку, щоб уникнути розряду ОУР, щоб перейти через землю сигналу, що створить "відскок заземлення" та порушить функціональність. Це справа непроста. Здійснюючи просте міцне з'єднання між землею сигналу та екраном, ви можете зіткнутися з проблемами EMI і не отримати сертифікатів EMI. Щоб отримати детальнішу інформацію, ви можете переглянути цю тему щодо збалансування двох суперечливих вимог до USB-екранів.

Враховуючи, що ви нам сказали про пристрій:

• Живлення від акумулятора
• Зазвичай не підключено до USB
• Не має підключення до зовнішніх датчиків або пристроїв під час вимірювань
• Не має жодних доступних металевих деталей, крім шасі та USB-
  екрана.

Просто підключіть корпус до USB-екрана і виконайте його.

Попередня відповідь вказувала на проблеми зі струмами циклу (два різні шляхи GND в ланцюзі до електромережі), але оскільки у вас плаваючий пристрій, що працює від акумулятора, це не проблема.

Якщо ви хочете поекспериментувати, ви можете спробувати видалити резистор / конденсатор між екраном і GND. Крім того, ви можете використовувати менший конденсатор ES0 NP0 C0G ESD, конденсатор на 100 нФ має діелектрик X7R, який не дуже підходить для подібних завдань.

З'єднання GND-Shield, мабуть, досить слабке і не знаходиться поруч із роз'ємом USB. Таким чином, короткий короткий щит до GND робить перехідний перехід через вашу друковану плату, поки не потрапить на вкладку шасі.

Я думаю, що тут проблема полягає в тому, що оригінальний дизайнер поклав USB-щит під сліди сигналу. Замикання пістолета ESD робить щит "стрибком", який ємнісно з'єднується зі слідами та компонентами поблизу. Тепер сигнали та сліди VBUS передаються GND, тому вони захищені. Однак ці сліди потім мають CMC і ферит, тоді як GND безпосередньо пов'язаний - Тому, ймовірно, вони пригнічують перехідний час у цих провідниках, тоді як перехідний процес GND продовжується без змін.

Зауважте, це лише спекуляція.

У мене є два рішення:

Рішення A
Замініть C3 максимально можливим конденсатором (мікро, а не нано-фаради).
Якщо це не працює, значить

Рішення B
1) Вийміть резистор і конденсатор, які були додані (R1 і C3),
2) відключіть заземлення від цього з'єднувача,
3) припаяйте дріт із вкладки екрана (вузол R1 C3) до цього заземлювача та іншого кінцевого припою на вкладку заземлення друкованої плати протилежного роз'єму.

Результатом цих інструкцій є ізоляція площини заземлення друкованої плати від USB-екрана. Таким чином, при замиканні USB-екрана ESD обійде PSB і перейде на землю.