Bouclier USB. À la terre ou à la terre?

On m'a donné un appareil au travail pour faire des tests. Fondamentalement, un circuit intégré devient obsolète, je dois donc tester une pièce de rechange. Lors de la reprise des vérifications ESD, l'appareil a échoué.

J'ai vérifié l'historique de l'appareil et il y avait des problèmes avant de passer ESD. L'installation de test a noté que l'appareil étant entièrement métallique (boîtier en acier inoxydable), seule une décharge de contact jusqu'à 4 kV était nécessaire pour passer (je suis au Royaume-Uni). Apparemment, il a échoué plusieurs fois jusqu'à ce qu'un condensateur / résistance soit ajouté entre le blindage USB et la masse, et une petite languette métallique a été introduite pour ajouter un meilleur contact entre la masse du PCB et le boîtier métallique. Cela lui a alors apparemment permis de passer.

Passez 5 ans et je refais les tests. Chaque fois que j'effectue le test de décharge de contact à + 4 kV, l'appareil perd sa mémoire (il s'agit d'un appareil d'enregistrement de données) et il a besoin d'une réinitialisation d'usine et de redémarrer l'enregistrement pour fonctionner à nouveau. J'ai revérifié certains anciens en utilisant le CI précédent et j'ai constaté que cela échouait également. Il semblait que c'était un problème intermittent (certains appareils ont réussi 3 tests sur 10, d'autres ont échoué tous les 10, etc.), il me semble donc que la réussite du test ESD était probablement un coup de chance.

J'ai essayé un certain nombre de choses, j'ai mis des condensateurs supplémentaires en parallèle avec le courant connectant le blindage USB à la terre (différentes valeurs, haut / bas), j'ai changé la résistance en différentes valeurs (résistance supérieure / inférieure) et essayé des billes de ferrite parallèle, et des billes de ferrite au lieu de la résistance / condensateur comme j'avais vu certains endroits le recommander, mais ça a quand même échoué. La seule façon de le faire passer était de mettre le blindage USB à la terre directement .

En regardant en ligne, je ne peux trouver nulle part où dire explicitement si vous devez ou non mettre à la terre le blindage USB. Cette discussion ICI a des points de vue différents, cette ICI a également une discussion à ce sujet. CE lien mentionne que le blindage ne doit être connecté à la terre que sur l'hôte, mais aucun appareil ne doit connecter le blindage à la terre .... CE document indique que le blindage doit être connecté au châssis. Pourtant, sur la figure 12, il semble que le blindage USB devrait être lié au plan GND.

Il semble y avoir beaucoup de points de vue différents à ce sujet, donc je ne sais pas quoi faire ensuite. La mise à la terre du bouclier lui permet de passer l'ESD, mais est-ce quelque chose qui devrait être fait? Ou dois-je continuer à chercher une meilleure solution? Si oui, quelle est la bonne solution.

PLUS D'INFORMATIONS:

• Le PCB est très irrégulier et étanche, ce qui rend le plan de masse proche du connecteur USB très petit.
• Je ne suis pas autorisé à modifier la conception mécanique à ce sujet. Je suis juste pour trouver une solution qui peut être facilement mise en œuvre et ne nécessite pas une refonte du PCB ou du produit, donc ces suggestions sont inutiles.
• Ceci est un appareil de travail et en tant que tel, je ne suis pas autorisé à montrer le schéma, alors ne demandez pas. Le circuit d'entrée USB était basé sur cette conception:
• Le starter en mode commun, la ferrite et la protection des diodes TVS sont déjà tous dans la conception.
• Je ne suis pas l'ingénieur de conception d'origine. Ils ne travaillent plus pour l'entreprise donc je n'arrive pas à trouver leur raisonnement pour les choix de conception qu'ils ont faits
• L'appareil est USB 2.0
• L'unité passe le test à -4kV, c'est juste le + 4kV où elle échoue

PLUS D'INFORMATIONS

Et plus d'informations requises dans les commentaires seront ajoutées ici.

• Andy aka: Je peux vous montrer ceci:

  

Tout ce que je peux montrer du PCB réel est le suivant:

Vous pouvez voir que la mise à la terre s'arrête avant la prise USB. Le grand trou est l'endroit où les languettes du blindage USB ont une connexion mécanique au PCB. R1 connecte alors le blindage à GND, et le condensateur C3 fait de même sur l'autre connexion. Le blindage est connecté à la terre via le cap 100k res / 100nF. Il y a une languette métallique montée sur le PCB qui repose sur le châssis métallique. Selon l'ancien rapport ESD, cela était nécessaire ou le périphérique est tombé en panne. Pour autant que je puisse voir, ce sont les seules choses ajoutées en plus de cet exemple de circuit pour se protéger des ESD.

En réponse aux questions des commentaires:

• L'échec se produit lors d'un test ESD de décharge de contact sur le blindage USB (dans tous les autres domaines, tout va bien, juste le blindage USB en panne)
• Le test se produit pendant que l'unité se connecte. Il n'est connecté à aucun appareil via USB.
• J'ai essayé une liaison 0R vers GND au lieu de la solution résistance / condensateur, mais cela échoue toujours. Lorsque j'ajoute une liaison filaire directement du blindage USB au châssis (qui est connecté au PCB GND), le problème est résolu. Je pense que c'est à cause de la conception des PCB. Le plan de masse près du côté USB est très petit (environ 12 mm x 15 mm). Pourtant, le châssis est grand. C'est quelque chose que je ne peux pas changer.
• L'emplacement de l'onglet GND du châssis au PCB est sur un sous-PCB, avec une trace de 30 mille jusqu'à l'onglet. (oui, je sais que cela semble étrange, mais les contraintes d'espace étaient ridicules et ce n'était pas ma conception!)

Meilleur entrainement

Tout d'abord (comme un peu flic) personnellement, dans les conceptions, je mets toujours à la terre une résistance 0R afin que la décision puisse être modifiée. Cela vaut pour à peu près n'importe quel bouclier (Ethernet, USB, etc.)

Le principal problème qui peut survenir est lorsque le blindage est mis à la terre à chaque extrémité et que les deux extrémités ne sont pas d'accord sur ce qu'est 0V. Cela peut endommager l'une ou l'autre extrémité, par des courants qui circulent là où ils ne devraient pas (si le chemin du blindage est de 0,2 ohms et la différence de tension de 1 V, c'est 5 A qui vont là où ils ne devraient pas)

Vous pourriez penser pourquoi cela arriverait - il jamais ? Mais pensez à la situation où un ordinateur portable est connecté à un équipement alimenté par secteur via USB. L'ordinateur portable peut être alimenté par batterie uniquement (pas de véritable référence de terre), mais l'équipement est connecté au secteur et peut donc avoir une véritable référence de terre de 0 V.

La solution consiste donc à se connecter à une seule extrémité, mais à se mettre d'accord sur quelle extrémité.

En règle générale, un périphérique hôte USB sera censé fournir l'alimentation et le périphérique esclave est assez souvent entièrement alimenté par bus et n'a aucune connexion à rien d'autre dans le monde extérieur (pensez à une clé USB, à un dongle WiFi, etc.). En général, l'hôte USB doit connecter le blindage à la terre (et à la terre, si possible). C'est pourquoi le côté hôte est généralement censé attacher le bouclier à la terre ou à la terre.

Le fait qu'il y ait tant de commentaires contradictoires de personnes et d'expériences différentes montre clairement qu'il est loin d'être sûr de supposer que cela est toujours respecté, donc comme je l'ai mentionné en premier - ajoutez l'option pour le changer facilement.

Dans cette situation

Après en avoir discuté dans un chat, la solution proposée est différente. Puisqu'il s'agit d'une question sur l'ESD, elle est désordonnée et compliquée et implique de nombreux aspects de la conception (électrique, mécanique, système). Le chat est disponible pour tous, mais il y a des éléments importants:

• Cet enregistreur de données n'a pas d'autres connexions, à part la connexion USB à un PC / ordinateur portable
• L'enregistreur de données a un châssis métallique, qui est lié à la terre de la carte PCB.
• Lorsque le blindage USB n'est pas directement connecté à la masse de la carte PCB (par exemple connecté par R || C ou HiZ), l'enregistreur de données tombe en panne (perd le contenu de la mémoire).
• Dans le test ESD, le câble USB n'est pas connecté (ou flotte à l'autre extrémité).
• L'OP n'est pas l'auteur de la conception et a très peu de possibilités d'apporter des modifications de conception pour résoudre ce problème.

Je suppose que le problème est probablement lié à la disposition des PCB. La surtension ESD prend un chemin à partir du bouclier, passe l'électronique sensible et atteint finalement le châssis. En connectant directement le blindage au châssis avec un fil, le chemin de surtension ESD atteint le châssis sans s'approcher du PCB, ce qui évite le problème.

Dans cette situation, l'enregistreur de données n'ayant aucune autre connexion à d'autres appareils; les problèmes potentiels (jeu de mots voulu) ne peuvent pas se produire. Je suggère donc de connecter le blindage au châssis. Soit par un fil, soit par une approche plus conviviale pour la production, un joint ESD autour du connecteur est un matériau conducteur spongieux qui donne une connexion sans soudure manuelle et ne fixe pas de manière permanente le châssis à la carte.

Dans un monde plus idéal, je réorganiserais la carte pour que le châssis soit isolé de la masse de la carte PCB et que le châssis soit connecté au blindage. Cela signifie qu'il n'est pas possible pour les surtensions ESD d'atteindre l'électronique sensible du tout. Sauf si vous piquez les datapins sur le connecteur USB pour le plaisir - dans ce cas, des diodes ESD sur les lignes de données qui donnent un chemin vers la masse du châssis, pas la masse de la carte PCB.

Vous devez examiner le chemin de courant élevé à travers votre conception, et la conception doit fournir un réseau de blindage séparé pour éviter que la décharge ESD ne passe par la terre du signal, ce qui créera un "rebond de terre" et perturbera la fonctionnalité. Ce n'est pas chose facile. En établissant une simple connexion solide entre la masse du signal et le blindage, vous pourriez rencontrer des problèmes EMI et échouer les certifications EMI. Pour plus de détails, vous pouvez consulter cette rubrique sur la façon d'équilibrer deux exigences contradictoires pour les blindages USB.

Compte tenu de ce que vous nous avez dit sur l'appareil:

• Alimenté par batterie
• Pas normalement connecté à USB
• N'a pas de connexion à des capteurs ou appareils externes pendant les mesures
• Ne possède aucune pièce métallique accessible à part le châssis et le
  blindage USB .

Connectez simplement le châssis au blindage USB et terminez avec.

La réponse précédente a souligné des problèmes avec les courants de boucle (deux chemins GND différents dans le circuit vers le secteur), mais comme vous avez un appareil flottant alimenté par batterie, ce n'est pas un problème.

Si vous voulez expérimenter, vous pouvez essayer de retirer la résistance / le condensateur entre le blindage et le GND. Vous pouvez également utiliser un condensateur ESD NP0 C0G plus petit, le condensateur 100nF a un diélectrique X7R qui n'est pas bien adapté à ce type de tâche.

La connexion GND-à-Shield est apparemment plutôt faible et pas proche du connecteur USB. Donc, court-circuiter le bouclier à GND fait voyager le transitoire à travers votre PCB jusqu'à ce qu'il frappe l'onglet du châssis.

Je pense que le problème ici est que le concepteur d'origine a mis le blindage USB sous les traces de signal. Le zapping du pistolet ESD fait "sauter" le bouclier qui se couple capacitivement avec les traces et les composants à proximité. Désormais, les traces de signal et VBUS sont soumises à un crowbarring sur GND et sont donc protégées. Cependant, ces traces vont ensuite avoir du CMC et de la ferrite tandis que le GND est directement couplé.

NB ce n'est que de la spéculation.

J'ai deux solutions:

Solution A
Remplacez C3 par le plus grand condensateur possible (micro, pas nano farads).
Si cela ne fonctionne pas, alors

Solution B
1) Retirez la résistance et le condensateur qui ont été ajoutés (R1 et C3),
2) déconnectez la masse de ce connecteur,
3) soudez un fil de la languette de blindage (nœud R1 C3) à cette masse du connecteur et l'autre extrémité le soudez à l'onglet de mise à la terre du PCB du connecteur opposé.

Le résultat net de ces instructions est d'isoler le plan de masse du PCB du blindage USB. De cette façon, lorsque le blindage USB est zappé, l'ESD contournera le PSB et ira à la terre.