Escudo USB ¿A tierra o no a tierra?

Me dieron un dispositivo en el trabajo para hacer algunas pruebas. Básicamente, un IC se está volviendo obsoleto, así que necesito probar una pieza de repuesto. Al rehacer las comprobaciones de ESD, el dispositivo falló.

Verifiqué el historial del dispositivo y antes había problemas para pasar ESD. Hubo una nota de la instalación de prueba de que, dado que el dispositivo era completamente de metal (carcasa de acero inoxidable), solo se necesitaba una descarga de contacto de hasta 4kV (estoy en el Reino Unido). Aparentemente falló varias veces hasta que se agregó un condensador / resistencia entre el escudo USB y la tierra, y se introdujo una pequeña pestaña de metal para agregar un mejor contacto entre la tierra del PCB y la carcasa de metal. Esto aparentemente permitió que pasara.

Avanza 5 años y estoy rehaciendo las pruebas. Cada vez que realizo la prueba de descarga de contacto a + 4kV, el dispositivo pierde su memoria (este es un dispositivo de registro de datos) y necesita un restablecimiento de fábrica y reiniciar el registro para volver a funcionar. Volví a revisar algunos viejos usando el IC anterior y descubrí que esto también falla. Parecía que era un problema intermitente (algunos dispositivos aprobaron 3 de cada 10 pruebas, otros fallaron los 10, etc.), por lo que me parece que la aprobación de la prueba de ESD anteriormente probablemente fue una casualidad.

Probé varias cosas, puse condensadores adicionales en paralelo con el actual que conecta el blindaje USB a tierra (diferentes valores, alto / bajo), cambié la resistencia a diferentes valores (mayor / menor resistencia) y probé perlas de ferrita en paralelo, y perlas de ferrita en lugar del Resistor / condensador como había visto recomendar algunos lugares, pero aún así falló. La única forma en que pude pasar fue conectando a tierra el escudo USB directamente .

Al buscar en línea, parece que no puedo encontrar ningún lugar que diga explícitamente si debe o no conectar a tierra el escudo USB. Esta discusión AQUÍ tiene diferentes puntos de vista, esta AQUÍ también tiene una discusión al respecto. ESTE enlace menciona que el blindaje solo debe conectarse a tierra en el host, pero ningún dispositivo debe conectar el blindaje a tierra ... ESTE documento dice que el blindaje debe conectarse al chasis. Sin embargo, en la figura 12 parece mostrar que el escudo USB debe estar vinculado al plano GND.

Parece que hay muchas opiniones diferentes sobre esto, así que no estoy seguro de qué hacer a continuación. Conectar a tierra el escudo le permite pasar ESD, pero ¿es esto algo que debería hacerse? ¿O debería seguir buscando una mejor solución? Si es así, ¿cuál es una buena solución?

MÁS INFORMACIÓN:

• El PCB es muy irregular y tiene poco espacio, lo que hace que el plano de tierra cerca del conector USB sea muy pequeño.
• No se me permite cambiar ningún diseño mecánico en esto. Solo tengo que encontrar una solución que se pueda implementar fácilmente y que no requiera un rediseño de la PCB o el producto, por lo que esas sugerencias no tienen sentido.
• Este es un dispositivo de trabajo y, como tal, no se me permite mostrar el esquema, así que no pregunte. El circuito de entrada USB se basó en este diseño:
• El estrangulador de modo común, la ferrita y la protección de diodos TVS ya están en el diseño.
• No soy el ingeniero de diseño original. Ya no funcionan para la empresa, así que no puedo encontrar su razonamiento para las elecciones de diseño que tomaron.
• El dispositivo es USB 2.0
• La unidad pasa la prueba a -4kV, es solo el + 4kV donde falla

MÁS INFORMACIÓN

Y se agregará más información requerida en los comentarios aquí.

• Andy alias: Puedo mostrarte esto:

  

Todo lo que puedo mostrar de la PCB real es esto:

Puede ver que la toma de tierra se detiene cerca de la toma USB. El orificio grande es donde las pestañas para el escudo USB tienen una conexión mecánica a la PCB. R1 está conectando el blindaje a GND, y el capacitor C3 está haciendo lo mismo en la otra conexión. El escudo está conectado a tierra a través de la tapa de 100k res / 100nF. Hay una pestaña de metal instalada en la PCB que descansa sobre el chasis de metal. Según el antiguo informe de ESD, esto era necesario o el dispositivo fallaba. Hasta donde puedo ver, estas fueron las únicas cosas agregadas además de ese circuito de ejemplo para proteger contra ESD.

En respuesta a las preguntas en los comentarios:

• La falla ocurre cuando se realiza una prueba de ESD de descarga de contacto en el escudo USB (todas las demás áreas está bien, solo falla el escudo USB)
• La prueba ocurre mientras la unidad está registrando. No está conectado a ningún dispositivo a través de USB.
• He intentado un enlace 0R a GND en lugar de la solución de resistencia / condensador, pero esto todavía falla. Cuando agrego un enlace de cable directo desde el escudo USB al chasis (que está conectado a PCB GND), entonces el problema se resuelve. Creo que esto se debe al diseño de PCB. El plano de tierra cerca del lado USB es muy pequeño (aproximadamente 12 mm x 15 mm). Sin embargo, el chasis es grande. Esto es algo que no puedo cambiar.
• La ubicación de la pestaña GND del chasis a PCB está en una sub PCB, con un seguimiento de 30 a la pestaña. (sí, sé que suena extraño, ¡pero las limitaciones de espacio eran ridículas y este no era mi diseño!)

Mejores prácticas

En primer lugar (como un poco policiaco) personalmente, en los diseños siempre conecto una resistencia 0R para que la decisión pueda cambiarse. Esto se aplica a casi cualquier escudo (Ethernet, USB, etc.)

El principal problema que puede surgir es cuando el escudo está conectado a tierra en cualquiera de los extremos, y los dos extremos no están de acuerdo en lo que es 0V. Esto puede causar daños en cualquiera de los extremos, por corrientes que fluyen donde no deberían (si la ruta de protección es 0.2ohms, y la diferencia de voltaje 1V, eso es 5A yendo a donde no debería)

Podrías pensar por qué sucedería esto ? Pero piense en la situación en la que una computadora portátil está conectada a un equipo conectado a la red por USB. La computadora portátil podría estar solo con batería (sin referencia de tierra real), pero el equipo está conectado a la red eléctrica y, por lo tanto, puede tener una verdadera referencia de tierra de 0V.

Entonces, la solución es conectarse en un solo extremo, pero tener algún acuerdo sobre qué extremo.

En general, se espera que un dispositivo host USB proporcione la alimentación y el dispositivo esclavo a menudo está completamente alimentado por bus y no tiene conexiones a nada en el mundo exterior (piense en una memoria USB, un dongle WiFi, etc.). En general, el host USB debe conectar el escudo a tierra (y tierra, si es posible). Esta es la razón por la cual se espera que el lado del anfitrión ate el escudo a tierra o tierra.

El hecho de que haya tantos comentarios contradictorios de personas y experiencias diferentes muestra claramente que está lejos de ser seguro asumir que esto siempre se cumple, por lo que, como mencioné en primer lugar, agregue la opción de cambiarlo fácilmente.

En esta situación

Después de discutir esto en un chat, la solución propuesta es diferente. Dado que esta es una pregunta sobre ESD, es desordenada y complicada e involucra muchos aspectos del diseño (eléctrico, mecánico, sistema). El chat está disponible para que todos lo vean, pero hay partes importantes:

• Este registrador de datos no tiene otras conexiones, aparte de la conexión USB a una PC / computadora portátil
• El datalogger tiene un chasis de metal, que está unido a la tierra de la placa PCB.
• Cuando el escudo USB no está conectado directamente a la tierra de la placa PCB (por ejemplo, conectado por R || C o HiZ), el registrador de datos falla (pierde el contenido de la memoria).
• En la prueba de ESD, el cable USB no está conectado (o está flotando en el otro extremo).
• El OP no es el autor del diseño y tiene un alcance muy limitado para realizar cambios de diseño para resolver este problema.

Supongo que el problema está muy probablemente relacionado con el diseño de PCB. La oleada de ESD está tomando un camino desde el escudo, pasando la electrónica sensible y finalmente llegando al chasis. Al conectar directamente el blindaje al chasis con un cable, la ruta de sobretensión ESD llega al chasis sin acercarse a la PCB, por lo que se evita el problema.

En esta situación, como el registrador de datos no tiene otras conexiones a ningún otro dispositivo; los problemas potenciales (juego de palabras) no pueden ocurrir. Por lo tanto, sugeriría conectar el escudo al chasis. Ya sea por un cable o por un enfoque más amigable para la producción, hay una junta ESD alrededor del conector, que es un material conductor esponjoso que proporciona una conexión sin soldadura manual y no fija el chasis a la placa.

En un mundo más ideal, yo cambiaría la placa para que el chasis esté aislado de la tierra de la placa PCB y el chasis esté conectado a la pantalla. Eso significa que no es posible que las sobretensiones de ESD lleguen a la electrónica sensible. Excepto si pones los datapins en el conector USB por diversión, en cuyo caso, los diodos ESD en las líneas de datos que dan una ruta a la tierra del chasis, no a la placa de circuito impreso.

Debe examinar la ruta de alta corriente a través de su diseño, y el diseño debe proporcionar una red de blindaje separada para evitar que la descarga de ESD atraviese la tierra de la señal, lo que creará un "rebote de tierra" e interrumpirá la funcionalidad. Este no es un asunto fácil. Al hacer una conexión sólida y simple entre la tierra de la señal y el blindaje, puede encontrarse con problemas de EMI y fallar las certificaciones de EMI. Para obtener más detalles, es posible que desee revisar este tema sobre cómo equilibrar dos requisitos contradictorios para las protecciones USB.

Teniendo en cuenta lo que nos ha dicho sobre el dispositivo:

• Bateria cargada
• Normalmente no está conectado a USB
• No tiene conexiones a sensores o dispositivos externos durante las mediciones
• No tiene partes metálicas accesibles aparte del chasis y el
  blindaje USB .

Simplemente conecte el chasis al escudo USB y termine con él.

La respuesta anterior señalaba problemas con las corrientes de bucle (dos rutas GND diferentes en el circuito a la red eléctrica), pero dado que tiene un dispositivo con batería flotante, esto no es un problema.

Si desea experimentar, puede intentar eliminar la resistencia / condensador entre el escudo y el GND. También es posible que desee utilizar un condensador ESD NP0 C0G más pequeño, el condensador de 100nF tiene dieléctrico X7R que no es adecuado para este tipo de tarea.

La conexión GND-a-Shield es aparentemente débil y no está cerca del conector USB. Entonces, el cortocircuito del escudo a GND hace que el transitorio viaje a través de su PCB hasta que toque la pestaña del chasis.

Creo que el problema aquí es que el diseñador original colocó el escudo USB debajo de los rastros de señal. Zapping el arma ESD hace que el escudo "salte", que se acopla capacitivamente con los rastros y componentes cercanos. Ahora los rastros de señal y VBUS están enganchados a GND para que estén protegidos. Sin embargo, estos rastros van a tener CMC y ferrita mientras el GND está directamente acoplado, por lo que probablemente estos supriman el transitorio en esos cables mientras el transitorio GND continúa sin disminuir.

Nota: esto es solo especulación.

Tengo dos soluciones:

Solución A
Reemplace C3 con el condensador más grande posible (micro, no nano faradios).
Si esto no funciona, entonces

Solución B
1) Retire la resistencia y el condensador que se agregaron (R1 y C3),
2) desconecte la conexión a tierra de este conector,
3) suelde un cable de la pestaña de blindaje (nodo R1 C3) a esta conexión a tierra del conector y el otro extremo. a la pestaña de tierra del PCB del conector opuesto.

El resultado neto de estas instrucciones es aislar el plano de tierra de la PCB del escudo USB. De esta manera, cuando el escudo USB se elimina, el ESD pasará por alto el PSB y pasará a tierra.