Qual é o objetivo da proteção de entrada no USB (ou de todo)?

Eu já vi bastante onde diodos polarizados reversos são usados ​​para prender tensões de entrada quando ocorrem picos.

• Qual é a tensão de quebra reversa típica para um diodo usado neste tipo de aplicação?

Parece que esses diodos de proteção estão no local para não proteger contra uma grande tensão aplicada pelo usuário, mas para evitar picos de tensão que possam surgir de descargas estáticas.

• Por que poderia ocorrer uma descarga estática, de onde viria esse excesso de carga no circuito (em uma placa de circuito impresso, não na placa de pão onde uma pessoa pode introduzir descarga) e qual é a magnitude típica da tensão?

• Por que não considerarmos a possibilidade de uma tensão negativa potencialmente grande e também colocar diodos reversos da linha de entrada para Vcc?

Estou projetando uma placa de distribuição simples para um controlador que produzirá dados através de uma interface USB. Através da minha pesquisa, descobri que muitos projetos incorporam esses diodos de proteção com polarização reversa no Vusb, D + e D-, embora nem todos o façam.

Novamente, se tudo isso estiver montado em uma placa de circuito impresso, por que uma descarga estática repentina pode ocorrer e de onde ela pode se originar?

• Quão frequente é esse tipo de evento e sem esses diodos é provável que danifique os circuitos?

• É uma prática recomendada sempre incluir esses diodos de proteção ou eles não são necessários às vezes? Neste último caso, que casos especiais os consideram desnecessários?

• Algum diodo funcionará ou deve ser utilizado um com uma tensão de ruptura específica?

EDITAR:

Olhando por cima dessas notas de aplicativos, um mostra

Enquanto o outro mostra algo semelhante, mas sem o nó "top" conectado a qualquer coisa. Isso é uma impressão errada ou está implícito à conexão com o Vbus?

Esqueça o USB por um momento, porque esses dispositivos são úteis em muito mais aplicativos do que apenas o USB. Primeiro, os diodos nos seus dois primeiros exemplos geralmente não seriam diodos genéricos de sinal ou zener. Eles geralmente são diodos supressores de voltagem transitória (TVS) projetados para esse fim.

Os diodos TVS têm todos os sabores diferentes, mas existem três parâmetros principais. Primeiro, a tensão máxima de afastamento reverso. Esta é a tensão de trabalho. Para USB, você deve estar muito perto de 5V. A próxima coisa que você vai querer olhar é a tensão de aperto. Mais uma vez, cerca de 5V para USB. Geralmente, a corrente de fuga aumenta significativamente à medida que a tensão de aperto se aproxima da tensão de retardo inverso. Esteja ciente disso, caso isso importe em seu aplicativo. O último parâmetro chave é a corrente reversa de pico. Verifique se ele consegue lidar com o padrão contra o qual você vai testar.

Há mais uma coisa a ter em mente ao colocar diodos TVS em linhas de sinal de alta velocidade (por exemplo, USB, HDMI, Ethernet, etc.). Verifique se o diodo TVS está com baixa capacitância. Existem muitos diodos e matrizes adequados para esse fim e terão capacitâncias na vizinhança de 0,2pF.

Vou pular direto para o seu segundo exemplo, já que estamos falando de USB aqui. O esquema mostrado seria apropriado se os diodos mostrados apertassem em torno de 5V e tentassem diodos TVS. Os diodos zener regulares não são rápidos o suficiente para proteção contra ESD.

No seu último exemplo, você questiona se o nó superior está conectado ao Vbus e, de acordo com a folha de dados do dispositivo , não está. Se um evento ESD positivo ocorresse em qualquer uma das linhas de sinal, o TVS o prenderia. O Vbus TVS possui uma tensão de fixação mais alta para o trilho de potência.

Você perguntou,

Again, if all of this is mounted on a PCB, why might a sudden static discharge occur
and where might it originate?

O potencial problema é a descarga eletrostática (ESD) originada de fora da PCB, proveniente do conector USB. Um usuário pode estar carregando um produto sobre um tapete ou outro gerador de ESD e tocar no conector USB com o dedo. Mesmo se houver um cabo conectado ao conector USB, eles podem tocar no conector na outra extremidade do cabo e passar por USB.

Isso vale não apenas para os conectores USB, mas também para todos os conectores que saem de um produto - até o conector de força.

Quando projetamos um produto para venda e o testamos para EMI / EMC (interferência eletromagnética e compatibilidade), a casa de teste injeta breves picos de baixa corrente de 8.000V (8kV) em cada um dos conectores e depois testa se o dispositivo ainda funciona corretamente. Os dispositivos mostrados nos seus esquemas foram projetados para proteger contra descargas desse nível ou superior. Sem a proteção ESD, é provável que o dispositivo falhe neste teste.

Por que obter a certificação UL, que pode custar milhares de dólares em um laboratório de teste? É um requisito legal? Não, mas muitos varejistas como o Walmart não transportam produtos eletrônicos, a menos que possuam uma etiqueta UL. Na Europa, o equivalente é a marca CE.