USB 실드. 접지하거나 접지하지 않습니까?

나는 몇 가지 테스트를 수행하기 위해 직장에서 장치를 받았다. 기본적으로 IC가 폐기되어 교체 부품을 테스트해야합니다. ESD 검사를 다시 실행하면 장치가 고장났습니다.

장치의 이력을 확인한 후 이전에 ESD를 통과하는 데 문제가있었습니다. 테스트 시설에서이 장치는 완전히 금속 (스테인레스 스틸 하우징)이므로 최대 4kV의 접촉 방전 만 통과해야한다고 언급했습니다 (영국에 있음). 커패시터와 저항이 USB 쉴드와 접지 사이에 추가 될 때까지 몇 번 실패했으며 PCB 접지와 금속 케이스 사이에 더 나은 접촉을 위해 작은 금속 탭이 도입되었습니다. 그런 다음 분명히 통과했습니다.

5 년 동안 움직이고 나는 시험을 다시하고있다. + 4kV에서 접점 방전 테스트를 수행 할 때마다 장치의 메모리가 손실되고 (데이터 로깅 장치) 다시 작동하려면 공장 초기화 및 다시 시작 로깅이 필요합니다. 이전 IC를 사용하여 오래된 것들을 다시 확인했는데 이것이 실패한다는 것을 알았습니다. 간헐적 인 문제 (일부 장치는 10 테스트 중 3 회 통과, 다른 장치는 10 개 모두 실패) 인 것처럼 보였으므로 이전에 ESD 테스트 통과가 우연 인 것처럼 보였습니다.

나는 여러 가지를 시도했고, USB 차폐를 접지에 연결하는 전류와 다른 여분의 커패시터를 병렬로 연결하고 (다른 값, 높음 / 낮음), 저항을 다른 값 (높음 / 낮음 저항)으로 변경하고 페라이트 비드를 시도했습니다. 필자는 일부 장소에서 권장하는 것을 보았을 때 저항 / 커패시터 대신 페라이트 비드를 병렬로 연결했지만 여전히 실패했습니다. 내가 통과 할 수 있는 유일한 방법 은 USB 실드를 직접 접지하는 것 입니다.

온라인으로 보면 USB 쉴드를 접지해야하는지 여부를 명시 적으로 나타내는 곳을 찾을 수 없습니다. 이 논의는 여기 ,이 서로 다른 견해를 가지고 여기 또한에 대한 토론이있다. 이 링크는 쉴드가 호스트의 접지에만 연결되어야하지만 쉴드를 접지에 연결해서는 안되는 장치를 언급합니다. 이 문서에서는 쉴드를 섀시에 연결해야합니다. 그러나 그림 12에서 USB 쉴드는 GND 평면에 묶여 있어야 함을 보여줍니다.

이것에 대한 많은 다른 견해가있는 것처럼 보이므로 다음에해야 할 일이 조금 확실하지 않습니다. 실드를 접지하면 ESD를 통과 할 수 있지만이 작업을 수행해야합니까? 아니면 더 나은 솔루션을 계속 찾아야합니까? 그렇다면 좋은 해결책은 무엇입니까?

더 많은 정보:

• PCB는 매우 불규칙하고 공간이 좁기 때문에 USB 커넥터 근처의 접지면이 매우 작습니다.
• 이에 대한 기계적 설계를 변경할 수 없습니다. 쉽게 구현할 수 있고 PCB 또는 제품을 다시 디자인 할 필요가없는 솔루션을 찾고 있으므로 이러한 제안은 의미가 없습니다.
• 이것은 작업 장치이므로 회로도를 보여줄 수 없으므로 묻지 마십시오. USB 입력 회로는 다음 설계를 기반으로합니다.
• 공통 모드 초크, 페라이트 및 TVS 다이오드 보호는 모두 이미 설계되었습니다.
• 저는 원래 디자인 엔지니어가 아닙니다. 그들은 더 이상 회사에서 일하지 않으므로 그들이 선택한 디자인 선택에 대한 추론을 찾을 수 없습니다.
• 장치는 USB 2.0입니다
• 이 장치는 -4kV에서 테스트를 통과하며 실패한 경우 + 4kV에 불과합니다.

더 많은 정보

의견에 필요한 추가 정보가 여기에 추가됩니다.

• Andy aka : 이걸 많이 보여줄 수 있습니다 :

  

실제 PCB를 보여줄 수있는 것은 다음과 같습니다.

지면이 USB 소켓 부족으로 멈춘 것을 알 수 있습니다. 큰 구멍은 USB 실드의 탭이 PCB에 기계적으로 연결되는 곳입니다. 그런 다음 R1은 차폐를 GND에 연결하고 커패시터 C3은 다른 연결에서도 동일하게 수행합니다. 쉴드는 100k res / 100nF 캡을 통해 접지에 연결됩니다. 금속 섀시에있는 금속 탭이 PCB에 장착되어 있습니다. 이전 ESD 보고서에 따르면, 이것이 필요했거나 장치가 고장났습니다. 내가 볼 수있는 한, 이것들은 ESD로부터 보호하기 위해 회로 예제 외에 추가 된 것입니다.

의견의 질문에 대한 답변 :

• USB 쉴드에서 접점 방전 ESD 테스트를 수행 할 때 오류가 발생합니다 (다른 모든 영역은 양호하지만 USB 쉴드 만 실패 함).
• 장치가 로깅하는 동안 테스트가 수행됩니다. USB를 통해 어떤 장치에도 연결되어 있지 않습니다.
• 저항기 / 커패시터 솔루션 대신 GND에 대한 0R 링크를 시도했지만 여전히 실패합니다. USB 실드에서 섀시로 직접 와이어 링크를 추가하면 (PCB GND에 연결됨) 문제가 해결됩니다. 나는 이것이 PCB 디자인 때문이라고 생각합니다. USB 쪽 근처의 접지면은 매우 작습니다 (약 12mm x 15mm). 그러나 섀시는 큽니다. 이것은 내가 바꿀 수없는 것입니다.
• Chassis to PCB GND 탭의 위치는 하위 PCB에 있으며 탭까지 30 번 추적됩니다. (예, 나는 그것이 이상하게 들린다는 것을 알고 있지만 공간 제약은 어리 석었고 이것은 내 디자인이 아닙니다!)

모범 사례

첫째, 개인적으로 (경찰의 일부로) 개인적으로 디자인에서 결정을 변경할 수 있도록 항상 0R 저항을 통해 접지합니다. 이것은 거의 모든 방패 (이더넷, USB 등)에 적용됩니다.

발생할 수있는 주요 문제는 실드가 한쪽 끝에 접지되어 있고 양단이 0V에 동의하지 않는 경우입니다. 이로 인해 전류가 흐르지 않아야 할 곳에 흐르는 전류로 인해 어느 한쪽 끝이 손상 될 수 있습니다 (차폐 경로가 0.2ohms이고 전압 차이가 1V 인 경우에는 5A가되지 않아야 함)

왜 이런 일이 일어날 것이라고 생각할 수 있습니까? 그러나 랩톱이 USB를 통해 전원 공급 장치에 연결되는 상황을 생각해보십시오. 랩탑은 배터리로만 사용할 수 있지만 (실제 접지 참조는 없음) 장비가 주 전원에 연결되어 있으므로 실제 0V 접지 참조를 가질 수 있습니다.

따라서 해결책은 한쪽 끝에 만 연결하는 것이지만 어느쪽에 동의하는 것입니다.

일반적으로 USB 호스트 장치는 전원을 공급할 것으로 예상되며 슬레이브 장치는 종종 버스로 전원을 공급받으며 외부 세계 (USB 메모리 스틱, WiFi 동글 등)에 연결되지 않습니다. 일반적으로 USB 호스트는 실드를 접지 (가능하면 접지)에 연결해야합니다. 이것이 호스트 측이 일반적으로 쉴드를지면이나 접지에 연결해야하는 이유입니다.

사람들과 다른 경험에서 많은 상충되는 의견이 있다는 사실은 이것이 처음에 언급 한 것처럼 항상 준수한다고 가정하는 것이 안전하지 않다는 것을 분명히 보여줍니다.

이러한 상황에서

채팅에서이를 논의한 후에 제안 된 솔루션이 다릅니다. 이것은 ESD에 대한 질문이므로 지저분하고 복잡하며 디자인 (전기, 기계, 시스템)의 많은 측면을 포함합니다. 채팅은 모두가 볼 수 있지만 중요한 부분이 있습니다.

• 이 데이터 로거는 PC / 노트북에 대한 USB 연결 외에 다른 연결이 없습니다.
• 데이터 로거에는 금속 섀시가 있으며 PCB 보드 접지에 본딩됩니다.
• USB 실드가 PCB 보드 접지에 직접 연결되지 않은 경우 (예 : R || C 또는 HiZ로 연결됨) 데이터 로거가 실패합니다 (메모리 내용 손실).
• ESD 테스트에서 USB 케이블이 연결되지 않았거나 다른 쪽 끝에 떠 있습니다.
• OP는 디자인 작성자가 아니며이 문제를 해결하기 위해 디자인을 변경할 수있는 범위가 매우 제한적입니다.

문제는 PCB 레이아웃과 관련이 있다고 생각합니다. ESD 서지는 민감한 전자 장치를지나 차폐에서 벗어나 섀시에 도달했습니다. 차폐 선을 와이어로 섀시에 직접 연결하면 ESD 서지 경로가 PCB 근처에 가지 않고 섀시에 도달하므로 문제를 피할 수 있습니다.

이 경우 데이터 로거에는 다른 장치에 대한 다른 연결이 없으므로 잠재적 인 문제 (pun 예정)는 발생할 수 없습니다. 쉴드를 섀시에 연결하는 것이 좋습니다. 와이어 또는보다 생산적인 접근 방식은 커넥터 주위의 ESD 개스킷입니다.이 개스킷은 스폰지 형태의 전도성 물질로서 수동 납땜없이 연결되며 섀시를 보드에 침투시키지 않습니다.

보다 이상적인 세상에서는 보드를 다시 돌려 섀시가 PCB 보드 접지에서 분리되고 섀시가 실드에 연결됩니다. 이는 ESD 서지가 민감한 전자 장치에 전혀 도달 할 수 없음을 의미합니다. 재미를 위해 USB 커넥터의 데이터 핀을 찌르는 경우를 제외하고,이 경우 PCB 보드 접지가 아니라 섀시 접지 경로를 제공하는 데이터 라인의 ESD 다이오드.

설계 전반에 걸쳐 고전류 경로를 검사해야하며, 설계는 ESD 접지가 신호 접지를 통과하지 못하도록 "쉴드 바운스"를 발생시키고 기능을 방해하는 별도의 차폐 망을 제공해야합니다. 이것은 쉬운 일이 아닙니다. 신호 접지와 쉴드 사이를 간단하게 연결하면 EMI 문제가 발생하고 EMI 인증에 실패 할 수 있습니다. 자세한 내용 은 USB 쉴드에 대한 두 가지 모순 된 요구 사항의 균형을 맞추는 방법에 대해이 항목 을 검토 하십시오 .

장치에 대해 우리가 말한 것을 고려할 때 :

• 배터리 전원
• 일반적으로 USB에 연결되지 않음
• 측정 중에 외부 센서 나 장치에 연결되지 않았습니다
• 섀시 및 USB
  쉴드 외에 접근 가능한 금속 부품이 없습니다 .

섀시를 USB 실드에 연결하기 만하면됩니다.

이전 답변은 루프 전류 (회로에서 주 회로로의 두 가지 다른 GND 경로)와 관련된 문제를 지적했지만 배터리로 구동되는 플로팅 장치가 있기 때문에 문제가되지 않습니다.

실험을하려면 실드와 GND 사이에서 저항 / 커패시터를 제거해보십시오. 또한 더 작은 NP0 C0G ESD 커패시터를 사용할 수도 있습니다. 100nF 커패시터에는 이러한 종류의 작업에 적합하지 않은 X7R 유전체가 있습니다.

GND-to-Shield 연결은 USB 커넥터 근처가 아닌 다소 약합니다. 따라서 쉴드를 GND로 단락 시키면 섀시 탭에 닿을 때까지 과도 전류가 PCB를 통과합니다.

여기서 문제는 원래 디자이너가 USB 트레이스를 신호 추적 아래에 두는 것입니다. ESD 건을 잡으면 방패가 "점프"가되어 근처의 흔적 및 구성 요소와 용량 적으로 결합됩니다. 이제 신호 및 VBUS 트레이스가 GND에 연결되어 보호됩니다. 그러나 GND가 직접 커플 링되는 동안 이러한 트레이스에는 CMC와 페라이트가 있습니다. 따라서 GND 트랜지언트가 계속 완화되는 동안 이러한 와이어의 트랜지언트를 억제합니다.

NB 이것은 단지 추측입니다.

두 가지 해결책이 있습니다.

해결 방법 A
C3을 가능한 최대 커패시터 (나노 패럿이 아닌 마이크로)로 교체하십시오.
이것이 작동하지 않으면

해결 방법 B
1) 추가 된 저항 및 커패시터를 제거하고 (R1 및 C3)
2)이 커넥터에서 접지를 분리합니다
.3) 실드 탭 (R1 C3 노드)에서이 커넥터 접지로 와이어를 납땜하고 다른 쪽 끝을 납땜 반대쪽 커넥터의 PCB 접지 탭에 연결하십시오.

이 지침의 최종 결과는 PCB 접지면을 USB 실드에서 분리하는 것입니다. 이런 방식으로 USB 쉴드가 끊어지면 ESD가 PSB를 우회하여 접지로 이동합니다.