Impacto de ESD en el pin de tierra del circuito expuesto

Diseñé un circuito para un dispositivo que funciona con batería que tiene un conector USB expuesto externamente para carga y transferencia de datos. Es un conector USB acoplable no estándar sin conexión de blindaje disponible y todo el circuito está alojado en una carcasa de plástico sin posibilidad de chasis/tierra protectora, algo como la imagen a continuación:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Para la protección ESD, he seguido casi exactamente la recomendación de diseño proporcionada aquí: http://www.semtech.com/images/promo/Protecting_USB_Ports_from_ESD_Damage.pdf

Puedo visualizar la ruta actual cuando Vbus, D+ o D- son golpeados por un pulso ESD positivo o negativo, es decir, los diodos de dirección se conducen hacia adelante para un pulso negativo o se desvían al TVS central para un pulso positivo. Corrija si mi entendimiento no es correcto.

Sin embargo, no estoy seguro de qué sucedería si el pin GND expuesto recibe el zap.

Preguntas:

  1. ¿Tendrá un impacto negativo de ESD en el pin GND el mismo efecto que un pulso positivo en Vbus, es decir, la ruptura del TVS de avalancha central que conduce a la sujeción?

  2. En caso de una huelga ESD positiva en GND, ¿los diodos de dirección y/o el TVS central conducirán hacia adelante y pasarán toda la energía (menos 1 diodo Vf caída, si eso importa) al resto del circuito, causando así estragos !? Traté de representar la situación a continuación:

¿Es esto lo que sucede si un golpe ESD positivo golpea un circuito GND expuesto?(Imagen modificada del enlace citado arriba)

Soluciones que estoy considerando:

  1. Desconecte Vbus del TVS central e introduzca un TVS bidireccional independiente entre Vbus y GND con protección de voltaje inverso posterior para el resto del circuito (para tolerar -Vclamp de los TVS bidireccionales). Es posible que aún no evite que los diodos de dirección conduzcan, además hay otros diodos TVS unidireccionales que se derivan a GND en otros pines IO expuestos, que también pueden reenviar la conducción.

  2. ¡Introduzca una perla de ferrita entre el USB GND expuesto y el circuito GND para cualquier escasa impedancia que pueda proporcionar!

Cualquier sugerencia / idea es bienvenida, ¡gracias!

PD:

  • Dado que el circuito puede extraer energía de Vbus, no se pueden agregar resistencias en serie en el bucle Vbus-GND

  • Prueba planificada según IEC 61000-4-2 , Nivel 4 (8/15kV contacto/descarga de aire). El dispositivo funcionará con la energía de la batería durante la prueba sin un cable USB conectado, por lo tanto, todos los pines serán fácilmente accesibles para las descargas de ESD.

Tengo exactamente la misma pregunta. No veo cómo estos circuitos protegen el dispositivo de una subtensión transitoria cuando hay un golpe positivo a tierra. ¿Alguna vez encontraste una buena respuesta?
@bigjosh: no, todavía estoy buscando. Mientras tanto, usé aletas de goma para cubrir los pasadores expuestos. ¡No es una solución elegante, pero la primera línea de defensa es no dejar que se encienda en absoluto!

Respuestas (2)

Para el dispositivo que funciona con batería, eventualmente encontrará que no se descarga ya que no está conectado a tierra. Lo cual se considera un escenario pasajero para ESD. A menos que el técnico te ayude a descargar a tierra después de cada descarga.

Para permitir que la ESD se neutralice más rápido, agregue un límite de 10 uF entre Vbus y Gnd. Más cercano al conector USB. Cuando haga zap de +8kV a Gnd, la tapa se descargará un poco para absorber algo de energía ESD. Lo que no me gustaría es encontrar el recorrido de descarga desde mi tierra, va a un pin de tierra en algún componente y luego sale del pin de suministro del componente.

Los televisores de base cerámica están llegando y su tiempo de reacción es mucho más rápido que los televisores de base de diodo convencionales.

Lo primero que viene a la mente es que las pruebas de ESD deben realizarse en puntos que normalmente son accesibles durante el funcionamiento normal. Como no ha descrito lo que está construyendo, en su pregunta compensa una respuesta vaga. La prueba tampoco se describe en su pregunta, y lo más importante es a qué puntos está conectada la pistola ESD. El modelo del cuerpo humano es con respecto a la tierra.ingrese la descripción de la imagen aquí

Cuando dice golpe positivo, ¿quiere decir positivo con respecto a tierra? ¿Positivo con respecto a qué? La corriente tomará el camino de menor impedancia de regreso a la fuente. Tienes que conectar el lado negativo o tierra de la pistola ESD a algo. Normalmente está conectado a tierra o tierra del chasis. La corriente debe viajar de regreso a la fuente, por lo que si golpea el tablero con la pistola ESD conectada a tierra, tiene varios caminos "potenciales" que podría tomar de regreso. Está el blindaje usb, la tierra usb, los cables D+ y D-, Vbus y el aire. El aire es como una resistencia de 10 ^ 6 a 10 ^ 9 con unos pocos pF de capacitancia. Los cables D+ y D- tienen al menos la resistencia de Rt más lo que haya en el extremo conductor del cable. Vbus probablemente tendría un regulador de voltaje, por lo que sería menor que el de Rt.

Entonces, la respuesta es que llevará la conexión a tierra de regreso a la fuente (si tiene la pistola ESD conectada a tierra, y todos los caminos lo verán hasta cierto punto, la tierra tomará la mayor parte de la corriente)

Volviendo al diseño: la razón principal para tener un blindaje alrededor del USB es desviar el ruido y la ESD del cable de conexión a tierra que está al lado de los cables V+ y V-. Debido al acoplamiento inductivo mutuo, podría obtener algunos transitorios que cruzan las líneas de datos y, como mínimo, crean un ruido que elimina el paquete que se envió.

Lo mejor sería usar el escudo para desviar el ruido y la ESD de las líneas de datos y la conexión a tierra USB. Lo siguiente mejor (y no recomendado) sería desviar el ESD por el cable de tierra del cable USB.

Si la PCB está siendo manipulada por humanos, intente diseñar la PCB de manera que la tierra sea lo primero que se vea en un evento de ESD. La situación ideal sería tener una caja de metal que encierra tu dispositivo atada al escudo USB. Si no puede conectar el gabinete al blindaje (no recomendado), átelo a tierra. Si no puede tener un recinto, intente usar anillos de protección y un buen plano de tierra saludable.

gracias por tomarse el tiempo para responder. Proporciono más detalles aquí y actualizaré la publicación posteriormente. * "Ya que no ha descrito lo que está construyendo": un dispositivo recargable USB que funciona con batería con un conector acoplable expuesto (imagen actualizada). Durante la prueba, el dispositivo funcionará con la batería sin un cargador conectado. * "La prueba tampoco se describe en su pregunta": según IEC61000-4-2, nivel 4. * "¿Quiere decir positivo con respecto a la conexión a tierra": por supuesto, será la conexión a tierra de la pistola ESD, el problema es ¿Cómo relacionar eso con la tierra de la batería flotante del dispositivo?
Si el cable está enchufado, la pistola ESD está referenciada a tierra. Si los cables no están enchufados, la prueba de ESD se puede realizar conectando uno de los terminales al chasis del dispositivo (que debería poder desviar las corrientes alrededor de los componentes electrónicos). Cualquier puerto o circuito que tenga contacto con humanos debe protegerse y probarse. Una cosa que puede hacer es incluir la opción de colocar pasivos en los puertos que pueden ver corrientes ESD (con resistencias de 0 ohmios y componentes NL) y, si necesita colocar un inductor, puede hacerlo mientras lo prueba.
Dado que este documento es solo una descripción/recomendación de IEC6100-4-2 y no el IEC6100-4-2 real (cuesta mucho dinero). Si está pasando por pruebas reglamentarias, probablemente querrá comprarlo o contratar a alguien que lo entienda bien para asegurarse de que las pruebas se realicen correctamente. Las pruebas reglamentarias generalmente se realizan con los cables conectados a tierra y pruebas de chasis.
De hecho, estoy planeando pruebas reglamentarias. Tengo el documento IEC61000 y actualmente lo estoy revisando para obtener detalles sobre las condiciones de prueba. Supongo que el principal problema con el diseño parece ser precisamente lo que dijiste, la falta de un chasis conductor que pueda desviarse el zap ya que todo es plástico. Ahora estoy pensando en usar una pintura conductora en todas las paredes internas del plástico con la esperanza de que se acople a través del plástico al plano de tierra del banco de pruebas a través de la capacitancia parásita y desvíe el pulso. conecte el chasis al circuito GND a través de un inductor en serie/FB. ¿Qué piensa?
Además, el diseño ya incluye una disposición para agregar pasivos en serie en los puertos como sugirió
Impacto de ESD en el pin de tierra del circuito expuesto
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