Golpe ESD en el pin de tierra del circuito expuesto

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

Para la protección contra ESD, he seguido casi la recomendación de diseño exacta 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 positivo o negativo de ESD, es decir, los diodos de dirección conducen hacia adelante para pulso negativo o se desvían al TVS central para pulso positivo, corrija si mi comprensión está desactivada.

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

Preguntas:

1. ¿Un golpe negativo de ESD en el pin GND tendrá el mismo efecto que un pulso positivo en Vbus, es decir, la ruptura de la TV de avalancha central que conduce a la sujeción?

2. En caso de un impacto ESD positivo en GND, los diodos de dirección y / o el TVS central conducirán hacia adelante y transmitirán toda la energía (menos 1 diodo de caída de Vf, si eso es lo que importa) al resto del circuito, lo que causará estragos !? Traté de representar la situación a continuación:

(Imagen modificada del enlace citado anteriormente)

Soluciones que estoy considerando:

1. Desconecte Vbus del TVS central e introduzca un TVS bidireccional independiente entre Vbus y GND con la protección de voltaje inverso posterior para el resto del circuito (para tolerar -Vclamp de los televisores bi-dir). Es posible que aún no evite que los diodos de dirección conduzcan, además hay otros diodos TVS unidireccionales que se desvían a GND en otros pines de E / S expuestos, que también pueden conducir hacia adelante.

2. ¡Introduzca un cordón 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:

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

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

Lo primero que viene a la mente es que las pruebas de ESD deben realizarse en puntos a los que normalmente se puede acceder durante el funcionamiento normal. Dado que no ha descrito lo que está construyendo, en su pregunta compensa una especie de 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.

Cuando dices golpe positivo, ¿te refieres a positivo con respecto a la tierra? ¿Positivo con respecto a qué? La corriente va a tomar la ruta de impedancia más baja de regreso a la fuente. Tiene que conectar el lado negativo o a tierra del arma ESD a algo. Normalmente está conectado a tierra física o tierra del chasis. La corriente debe viajar de regreso a la fuente, por lo que si golpea la placa con la pistola ESD conectada a tierra, tiene varias rutas 'potenciales' que podría recuperar. Está el escudo 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 esté en el extremo de conducción del cable. Vbus probablemente tendría un regulador de voltaje, por lo que sería menor que el de Rt.

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

Regresando al diseño: La razón por la que se tiene un escudo alrededor del USB es evitar el ruido y la ESD lejos del cable de conexión a tierra que está al lado de los cables V + y V-. Debido al acoplamiento inductivo mutuo, puede obtener algunos transitorios que cruzan a las líneas de datos y, como mínimo, crean ruido que elimina el paquete que se envió.

Lo mejor sería usar el escudo para desviar el ruido y la ESD lejos de las líneas de datos y el suelo del usb. La siguiente mejor opción (y no recomendada) sería derivar la ESD por el cable de tierra del cable USB.

Si el pcb está siendo manejado por humanos, intente diseñar el pcb de modo que la tierra sea lo primero que vea un evento de ESD. La situación ideal sería tener una carcasa de metal que encierra su dispositivo conectado al escudo usb. Si no puede atar el gabinete al escudo (no recomendado) átelo a tierra. Si no puede tener un recinto, intente usar anillos de protección y un buen plano de tierra saludable.

Para los dispositivos que funcionan con baterías, eventualmente lo encontrará como No descargar, ya que no está conectado a tierra. Lo cual se considera un escenario pasajero para ESD. A menos que el técnico lo ayude a descargar al suelo después de cada zap.

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

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