USB Shield. A terra o non a terra?

Mi è stato dato un dispositivo al lavoro per eseguire alcuni test. Fondamentalmente un IC sta diventando obsoleto, quindi ho bisogno di testare una parte di ricambio. Dopo aver ripetuto i controlli ESD, il dispositivo non è riuscito.

Ho verificato la cronologia del dispositivo e in precedenza si sono verificati problemi con il passaggio ESD. C'era una nota dalla struttura di test che, dato che il dispositivo era interamente in metallo (alloggiamento in acciaio inossidabile), per passare era necessario solo uno scarico dei contatti fino a 4kV (sono nel Regno Unito). Apparentemente fallì alcune volte fino a quando non fu aggiunto un condensatore / resistore tra lo schermo USB e la terra, e fu introdotta una piccola linguetta metallica per aggiungere un migliore contatto tra terra PCB e custodia metallica. Ciò quindi apparentemente gli ha permesso di passare.

Passa 5 anni e sto rifando i test. Ogni volta che eseguo il test di scarica del contatto a + 4kV, il dispositivo perde la memoria (si tratta di un dispositivo di registrazione dati) e ha bisogno di un ripristino delle impostazioni di fabbrica e di riavviare la registrazione per funzionare di nuovo. Ho ricontrollato alcuni vecchi usando il precedente IC e ho scoperto che anche questo fallisce. Sembrava che si trattasse di un problema intermittente (alcuni dispositivi hanno superato 3 test su 10, altri hanno fallito tutti i 10 ecc.), Quindi mi sembra che il superamento del test ESD in precedenza sia stato probabilmente un colpo di fortuna.

Ho provato diverse cose, ho messo in parallelo condensatori extra con quello attuale che collega lo schermo USB a terra (valori diversi, alto / basso), ho cambiato il resistore a valori diversi (resistenza superiore / inferiore) e ho provato le sfere di ferrite parallelo e perline di ferrite al posto del resistore / condensatore, come avevo visto alcuni punti raccomandano, ma comunque fallito. L'unico modo per farlo passare è stata la messa a terra diretta dello schermo USB .

Guardando online non riesco a trovare da nessuna parte che dice esplicitamente se dovresti o non dovresti mettere a terra lo schermo USB. Questa discussione QUI ha opinioni diverse, QUI ha anche una discussione al riguardo. QUESTO collegamento menziona che lo schermo deve essere collegato a terra solo sull'host, ma nessun dispositivo deve collegare lo schermo a terra .... QUESTO documento dice che lo schermo deve essere collegato allo chassis. Tuttavia, nella figura 12 sembra mostrare che lo schermo USB dovrebbe essere legato al piano GND.

Sembra che ci siano molte opinioni diverse su questo, quindi non sono sicuro di cosa fare dopo. La messa a terra dello scudo gli consente di superare l'ESD, ma è qualcosa che dovrebbe essere fatto? O dovrei continuare a cercare una soluzione migliore? In tal caso, qual è una buona soluzione.

ULTERIORI INFORMAZIONI:

• Il PCB è molto irregolare e stretto nello spazio, rendendo il piano di massa vicino al connettore USB molto piccolo.
• Non sono autorizzato a modificare alcun disegno meccanico su questo. Sto solo per trovare una soluzione che può essere facilmente implementata e non richiede una riprogettazione del PCB o del prodotto, quindi quei suggerimenti sono inutili da dare.
• Questo è un dispositivo di lavoro e, come tale, non mi è permesso mostrare lo schema, quindi per favore non chiedere. Il circuito di input USB era basato su questo design:
• Il choke di modo comune, la ferrite e la protezione del diodo TVS sono già tutti nel design.
• Non sono il progettista originale. Non lavorano più per l'azienda, quindi non riesco a trovare il loro ragionamento per le scelte progettuali che hanno fatto
• Il dispositivo è USB 2.0
• L'unità supera il test a -4kV, è solo il + 4kV in cui fallisce

ULTERIORI INFORMAZIONI

E ulteriori informazioni richieste nei commenti verranno aggiunte qui.

• Andy aka: posso mostrarti così tanto:

  

Tutto quello che posso mostrare del PCB reale è questo:

Si può vedere che la posizione di terra si interrompe rispetto alla presa USB. Il grande foro è dove le linguette per lo schermo USB hanno una connessione meccanica al PCB. R1 sta quindi collegando lo schermo a GND, e il condensatore C3 sta facendo lo stesso sull'altra connessione. Lo schermo è collegato a terra tramite il cappuccio 100k res / 100nF. C'è una linguetta metallica montata sul PCB che poggia sul telaio metallico. Secondo il vecchio rapporto ESD, questo era necessario o il dispositivo non funzionava. Per quanto posso vedere, queste erano le uniche cose aggiunte oltre a quel circuito di esempio per proteggere dall'ESD.

In risposta alle domande nei commenti:

• L'errore si verifica quando si esegue un test ESD di scarica dei contatti sullo schermo USB (tutte le altre aree vanno bene, solo lo schermo USB non riesce)
• Il test si verifica mentre l'unità sta registrando. Non è collegato a nessun dispositivo tramite USB.
• Ho provato un collegamento 0R a GND invece della soluzione resistore / condensatore, ma questo non riesce ancora. Quando aggiungo un collegamento filo diretto dalla schermatura USB allo chassis (che è collegato a PCB GND), il problema viene risolto. Credo che ciò sia dovuto al design del PCB. Il piano di massa vicino al lato USB è molto piccolo (circa 12 mm x 15 mm). Tuttavia il telaio è grande. Questo è qualcosa che non posso cambiare.
• La posizione della scheda GND dal telaio al PCB si trova su un PCB secondario, con una traccia 30 sulla scheda. (sì, lo so che suona strano, ma i limiti di spazio erano ridicoli e questo non era il mio design!)

La migliore pratica

Innanzitutto (come un po 'un poliziotto) personalmente, nei progetti ho sempre messo a terra un resistore 0R in modo che la decisione potesse essere cambiata. Questo vale praticamente per qualsiasi scudo (Ethernet, USB ecc.)

Il problema principale che può sorgere è quando lo scudo è messo a terra a una delle estremità e le due estremità non concordano su cosa sia lo 0V. Ciò può causare danni a entrambe le estremità, a causa delle correnti che scorrono dove non dovrebbero (se il percorso di schermatura è 0,2 ohm e la differenza di tensione 1 V, è 5 A che va dove non dovrebbe)

Potresti pensare perché questo dovrebbe mai accadere ? Ma pensa alla situazione in cui un laptop è collegato a un dispositivo alimentato da rete tramite USB. Il laptop potrebbe essere alimentato solo a batteria (nessun riferimento di terra reale), ma l'apparecchiatura è collegata alla rete e quindi potrebbe avere un riferimento di terra 0 V reale.

Quindi la soluzione è quella di connettersi a una sola estremità, ma avere un accordo su quale estremità.

Generalmente, ci si aspetta che un dispositivo host USB fornisca l'alimentazione e il dispositivo slave è abbastanza spesso interamente alimentato da bus e non ha connessioni a qualsiasi altra cosa nel mondo esterno (si pensi a memory stick USB, dongle WiFi ecc.). In generale, l'host USB dovrebbe collegare lo schermo a terra (e terra, se possibile). Questo è il motivo per cui si prevede che il lato host leghi lo scudo a terra o terra.

Il fatto che ci siano così tanti commenti contrastanti da parte di persone ed esperienze diverse mostra chiaramente che è tutt'altro che sicuro supporre che questo sia sempre rispettato, quindi, come ho detto prima, aggiungi l'opzione per cambiarlo facilmente.

In questa situazione

Dopo averne discusso in una chat, la soluzione proposta è diversa. Poiché questa è una domanda sull'ESD, è disordinata e complicata e coinvolge molti aspetti del design (elettrico, meccanico, di sistema). La chat è disponibile per tutti, ma ci sono bit importanti:

• Questo registratore di dati non ha altre connessioni, a parte la connessione USB a un PC / laptop
• Il datalogger ha un telaio metallico, collegato alla terra della scheda PCB.
• Quando lo schermo USB non è collegato direttamente alla terra della scheda PCB (ad esempio collegato da R || C o HiZ), il datalogger non funziona (perde il contenuto della memoria).
• Nel test ESD, il cavo USB non è collegato (o sta fluttuando all'altra estremità).
• L'OP non è l'autore del progetto e ha un ambito molto limitato per apportare modifiche al progetto per risolvere questo problema.

Immagino che il problema sia molto probabilmente legato al layout del PCB. L'ondata di ESD sta prendendo una strada dallo scudo, oltre l'elettronica sensibile e infine raggiungendo il telaio. Collegando direttamente lo schermo allo chassis con un filo, il percorso di sovratensione ESD raggiunge lo chassis senza avvicinarsi al PCB, evitando così il problema.

In questa situazione, poiché il datalogger non ha altre connessioni ad altri dispositivi; i potenziali problemi (gioco di parole previsto) non possono verificarsi. Quindi suggerirei di collegare lo scudo al telaio. O con un filo, o un approccio più favorevole alla produzione è una guarnizione ESD attorno al connettore che è un materiale conduttivo spugnoso che fornisce una connessione senza saldatura manuale e non fissa permanentemente il telaio alla scheda.

In un mondo più ideale, rispetterei la scheda in modo che il telaio sia isolato dalla terra della scheda PCB e il telaio sia collegato allo schermo. Ciò significa che non è possibile per i picchi ESD raggiungere l'elettronica sensibile a tutti. Tranne il fatto che colpisci i datapin sul connettore USB per divertimento - nel qual caso, diodi ESD sulle linee dati che danno un percorso alla terra dello chassis, non alla terra della scheda PCB.

È necessario esaminare il percorso ad alta corrente attraverso il progetto e il progetto deve fornire una rete di schermatura separata per evitare che la scarica ESD passi sulla terra del segnale, il che creerà un "rimbalzo di terra" e interromperà la funzionalità. Questa non è una questione facile. Effettuando un semplice collegamento solido tra la terra del segnale e lo schermo, è possibile riscontrare problemi EMI e fallire le certificazioni EMI. Per maggiori dettagli, potresti voler leggere questo argomento su come bilanciare due requisiti contraddittori per gli schermi USB.

Considerando ciò che ci hai detto sul dispositivo:

• Batteria caricata
• Normalmente non collegato a USB
• Non ha connessioni a sensori o dispositivi esterni durante le misurazioni
• Non ha parti metalliche accessibili a parte telaio e
  schermo USB .

Basta collegare lo chassis allo schermo USB e terminare.

La risposta precedente ha evidenziato problemi con le correnti del circuito (due diversi percorsi GND nel circuito alla rete elettrica) ma poiché si dispone di un dispositivo mobile alimentato a batteria, questo non è un problema.

Se vuoi sperimentare, potresti provare a rimuovere la resistenza / condensatore tra lo schermo e il GND. Inoltre potresti voler usare un condensatore ES0 C0G NP0 più piccolo, un condensatore da 100nF ha un dielettrico X7R che non è adatto a questo tipo di attività.

La connessione GND-to-Shield è apparentemente piuttosto debole e non vicino al connettore USB. Quindi cortocircuitare lo scudo verso GND fa viaggiare il transiente attraverso il PCB fino a quando non colpisce la linguetta del telaio.

Penso che il problema qui sia che il progettista originale ha messo lo scudo USB sotto le tracce del segnale. Zappare la pistola ESD fa "saltare" lo scudo che si accoppia in modo capacitivo con le tracce e i componenti vicini. Ora le tracce di segnale e VBUS sono messe in crowbar su GND, quindi sono protette. Tuttavia, queste tracce hanno quindi CMC e ferrite mentre il GND è direttamente accoppiato - Quindi probabilmente queste sopprimono il transitorio in quei fili mentre il transitorio GND continua senza sosta.

NB questa è solo una speculazione.

Ho due soluzioni:

Soluzione A
Sostituire C3 con il condensatore più grande possibile (micro, non nano farad).
Se questo non funziona, allora

Soluzione B
1) Rimuovere la resistenza e il condensatore aggiunti (R1 e C3),
2) scollegare la terra da questo connettore,
3) saldare un filo dalla linguetta di schermatura (nodo R1 C3) a questa terra del connettore e l'altra estremità saldarla alla linguetta di terra del PCB del connettore opposto.

Il risultato netto di queste istruzioni è di isolare il piano di massa del PCB dallo schermo USB. In questo modo, quando lo schermo USB viene bloccato, l'ESD bypasserà il PSB e andrà a terra.