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

He visto bastante donde se usan diodos con polarización inversa para sujetar los voltajes de entrada cuando se producen picos.

• ¿Cuál es el voltaje de ruptura inversa típico para un diodo utilizado en este tipo de aplicación?

Parece que estos diodos de protección están en su lugar no para proteger contra una gran tensión aplicada por el usuario, sino que están en su lugar para amortiguar los picos de voltaje que pueden surgir de las descargas estáticas.

• ¿Por qué podría producirse una descarga estática? ¿De dónde vendría este exceso de carga en el circuito (en una PCB, no en un tablero donde una persona puede introducir una descarga), y cuál es la magnitud de voltaje típica?

• ¿Por qué uno no consideraría también la posibilidad de un voltaje negativo potencialmente grande y también colocaría diodos inversos desde la línea de entrada a Vcc?

Estoy diseñando una placa de conexión simple para un controlador que generará datos a través de una interfaz USB. A través de mi investigación descubrí que muchos diseños incorporan estos diodos de protección con polarización inversa en Vusb, D + y D-, pero no todos lo hacen.

Nuevamente, si todo esto está montado en una PCB, ¿por qué podría ocurrir una descarga estática repentina y dónde podría originarse?

• ¿Qué tan frecuente es este tipo de evento y sin estos diodos es probable que dañe los circuitos?

• ¿Es una buena práctica incluir siempre estos diodos de protección o no son necesarios a veces? Si es esto último, ¿qué casos especiales los consideran innecesarios?

• ¿Funcionará algún diodo o debería usarse uno con un voltaje de ruptura específico?

EDITAR:

Mirando esas notas de la aplicación, una muestra

Mientras que el otro muestra algo similar pero sin el nodo "superior" conectado a nada. ¿Es esto un error de imprenta o está implícito estar conectado a Vbus?

Olvídate de USB por un momento, porque estos dispositivos son útiles en muchas más aplicaciones que solo USB. Primero, los diodos en sus dos primeros ejemplos no suelen ser señales genéricas o diodos zener. Por lo general, son diodos supresores de voltaje transitorio (TVS) diseñados específicamente para este fin.

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, querrás estar muy cerca de 5V. Lo siguiente que querrás ver es el voltaje de sujeción. De nuevo, alrededor de 5V para USB. Por lo general, la corriente de fuga aumenta significativamente a medida que el voltaje de sujeción se aproxima al voltaje de separación inversa. Tenga en cuenta eso en caso de que sea importante en su aplicación. El último parámetro clave es el pico de corriente inversa. Asegúrese de que pueda manejar el estándar con el que va a probar.

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 tenga baja capacitancia. Hay muchos diodos y matrices adecuados para este propósito y tendrán capacidades cercanas a 0.2pF.

Voy a saltar directamente a su segundo ejemplo, ya que estamos hablando de USB aquí. El esquema que se muestra sería apropiado si los diodos mostrados se acoplan alrededor de 5V y están probando diodos TVS. Los diodos zener normales no son lo suficientemente rápidos para la protección contra 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 ESD positivo en cualquiera de las líneas de señal, ese TVS lo sujetaría. 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 la ESD (descarga electrostática) que se origina desde el exterior de la PCB y proviene del conector USB. Un usuario podría llevar un producto a través de una alfombra u otro generador de ESD y tocar el conector USB con el dedo. Incluso si hay un cable conectado al conector USB, pueden tocar el conector en el otro extremo del cable y pasar a través del 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 probamos para EMI / EMC (interferencia electromagnética y compatibilidad), la casa de pruebas inyecta breves picos de baja corriente de 8,000V (8kV) 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 superiores. Sin la protección ESD, es probable que el dispositivo falle 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 llevarán productos electrónicos a menos que tengan una etiqueta UL. En Europa, el equivalente es el marcado CE.