¿Cuál es el propósito de la protección de entrada en USB (o en absoluto)?

Olvídese de USB por un momento, porque estos dispositivos son útiles en muchas más aplicaciones que solo USB. Primero, los diodos en sus primeros dos ejemplos generalmente no serían diodos de señal genérica o zener. Por lo general, son diodos supresores de voltaje transitorio (TVS) diseñados específicamente.

Los diodos TVS vienen en diferentes sabores, pero hay tres parámetros clave. Primero, el voltaje máximo de separación inversa. Este es el voltaje de trabajo. Para USB, querrá estar muy cerca de 5V. Lo siguiente que querrá ver es el voltaje de sujeción. Nuevamente, alrededor de 5V para USB. Por lo general, la corriente de fuga aumenta significativamente a medida que el voltaje de bloqueo se acerca al voltaje de separación inverso. Tenga en cuenta eso en caso de que sea importante en su aplicación. El último parámetro clave es la corriente inversa máxima. Asegúrese de que pueda manejar el estándar con el que va a realizar la prueba.

Hay una cosa más a tener en cuenta al colocar diodos TVS en líneas de señal de alta velocidad (es decir, USB, HDMI, Ethernet, etc.). Asegúrese de que el diodo TVS sea de baja capacitancia. Hay muchos diodos y matrices adecuados para este propósito y tendrán capacitancias cercanas a 0.2pF.

Voy a saltar directamente a su segundo ejemplo ya que aquí estamos hablando de USB. El esquema que se muestra sería apropiado si los diodos que se muestran tienen una abrazadera de alrededor de 5 V y están probando diodos TVS. Los diodos zener regulares no son lo suficientemente rápidos para la protección ESD.

En su último ejemplo, se pregunta si el nodo superior está conectado a Vbus y, de acuerdo con la hoja de datos del dispositivo , no lo está. Si ocurriera un evento de ESD positivo en cualquiera de las líneas de señal, ese TVS lo bloquearía. El Vbus TVS tiene un voltaje de sujeción más alto para el riel de alimentación.

Tu preguntaste,

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

El problema potencial es ESD (descarga electrostática) que se origina desde el exterior de la PCB, proveniente del conector USB. Un usuario puede llevar un producto sobre una alfombra u otro generador de ESD y tocar el conector USB con el dedo. Incluso si hay un cable enchufado en el conector USB, pueden tocar el conector en el otro extremo del cable y pasar a través de USB.

Esto es cierto no solo para los conectores USB, sino también para cualquier conector que salga de un producto, incluso el conector de alimentación.

Cuando diseñamos un producto para la venta y lo sometemos a pruebas de EMI/EMC (interferencia y compatibilidad electromagnética), la casa de pruebas inyecta breves picos de baja corriente de 8000 V (8 kV) en cada uno de los conectores y luego prueba que el dispositivo todavía funciona correctamente. Los dispositivos que se muestran en sus esquemas están diseñados para proteger contra descargas de este nivel o superior. Sin la protección ESD, es probable que el dispositivo no pase esta prueba.

¿Por qué obtener la certificación UL, que puede costar miles de dólares en un laboratorio de pruebas? ¿Es un requisito legal? No, pero muchos minoristas como Walmart no venderán productos electrónicos a menos que tengan una etiqueta UL. En Europa, el equivalente es la marca CE.