暴露电路接地引脚上的 ESD 冲​​击

电器工程 USB 地面 保护 静电放电 浪涌保护
2022-02-01 10:33:08

我为电池供电设备设计了一个电路,该设备具有一个外部暴露的 USB 连接器,用于充电和数据传输。它是一种非标准、可对接的 USB 连接器,没有可用的屏蔽连接,整个电路装在一个塑料外壳中,没有机箱/保护接地的可能性,如下图所示:

在此处输入图像描述

对于 ESD 保护,我几乎遵循了此处提供的确切设计建议:http ://www.semtech.com/images/promo/Protecting_USB_Ports_from_ESD_Damage.pdf

当 Vbus、D+ 或 D- 受到正或负 ESD 脉冲(即转向二极管正向传导负脉冲或转向中央 TVS 正脉冲)时,我可以可视化电流路径,如果我的理解不正确,请更正。

但是,我不确定如果暴露的 GND 引脚本身接收到 zap 会发生什么。

问题:

  1. GND 引脚上的负 ESD 冲​​击是否与 Vbus 上的正脉冲具有相同的效果,即导致钳位的中央雪崩 TVS 击穿?

  2. 如果 GND 上出现正 ESD 冲​​击,转向二极管和/或中央 TVS 是否正向传导并将整个能量(减去 1 个二极管 Vf 下降,如果这很重要)传递到电路的其余部分,从而造成严重破坏!?我试图描述以下情况:

如果正 ESD 冲​​击击中暴露的电路 GND,会发生这种情况吗? (图片从上面引用的链接修改)

我正在考虑的解决方案:

  1. 断开 Vbus 与中央 TVS 的连接,并在 Vbus 和 GND 之间引入一个独立的双向 TVS,随后为电路的其余部分提供反向电压保护(以容忍双向 TVS 的 -Vclamp)。它仍然可能无法阻止转向二极管导通,另外还有其他单向 TVS 二极管在其他裸露的 IO 引脚上分流到 GND,它们也可能正向导通。

  2. 在裸露的 USB GND 和电路 GND 之间引入一个铁氧体磁珠,以应对它可能提供的任何微不足道的阻抗!

欢迎任何建议/见解,谢谢!

PS:

  • 由于电路可以从 Vbus 获取功率,因此不能在 Vbus-GND 回路中添加串联电阻

  • 根据IEC 61000-4-2 4 级(8/15kV 接触/空气放电)进行计划测试。在测试期间,设备将在未连接 USB 电缆的情况下使用电池电源运行,因此所有引脚都可以轻松访问 ESD 冲​​击。

2个回答

对于电池供电的设备,您最终会发现它接地,因为它没有接地。这被认为是 ESD 的一个通过场景。除非技术人员在每次电击后帮助您将其排放到地面。

为了让 ESD 更快地中和,在 Vbus 和 Gnd 之间添加一个 10uF 电容。最靠近 USB 连接器。当将 +8kV 电击到 Gnd 时,电容会稍微放电以吸收一些 ESD 能量。我不想要的是从我的地面找到放电行程,到达某个组件中的接地引脚,然后退出组件的电源引脚。

陶瓷基 TVS 即将问世,它们的反应时间比传统的二极管基 TVS 快得多。

首先想到的是ESD测试应该在正常操作期间通常可以访问的点上进行。由于您没有描述您正在构建的内容,因此在您的问题中它弥补了一种模糊的答案。您的问题中也没有描述测试,最重要的是ESD枪连接到什么点。人体模型是相对于大地的在此处输入图像描述

当您说正面打击时,您的意思是相对于大地而言是正面的吗?对什么积极?电流将采用最低阻抗路径返回源。您必须将 ESD 枪的负极或接地侧连接到某物。通常它连接到大地或机箱地。电流必须流回源头,所以如果你用接地的 ESD 枪击打电路板,它有几个可以收回的“潜在”路径。有 USB 屏蔽、USB 接地、D+ 和 D- 线、Vbus 和空气。Air 就像一个 10^6 到 10^9 的电阻器,具有几 pF 的电容。D+ 和 D- 线的电阻至少为 Rt 加上电缆驱动端的电阻。Vbus 上可能有一个稳压器,因此它会小于 Rt。

所以答案是,它会将大地带回源头(如果您将 esd 枪连接到地,并且所有路径都会在某种程度上看到它,那么大地将占用大部分电流)

回到设计:在 USB 周围设置屏蔽层的全部原因是为了将噪声和 ESD 从靠近 V+ 和 V- 电缆的接地线上分流。由于互感耦合,您可能会得到一些跨越数据线的瞬变,并且至少会产生干扰发送的数据包的噪声。

最好的办法是使用屏蔽将噪声和 ESD 与数据线和 USB 接地分开。下一个最好的方法(不推荐)是将 ESD 分流到 USB 电缆的地线。

如果 pcb 由人工处理,请尝试设计 pcb,因此接地是 ESD 事件首先看到的。理想的情况是有一个金属外壳,将您的设备连接到 USB 防护罩上。如果您无法将外壳连接到屏蔽层(不推荐),请将其接地。如果你不能有一个外壳,那么尝试使用保护环和一个健康的接地平面。