Golpe ESD no pino de aterramento do circuito exposto

Projetei um circuito para um dispositivo operado por bateria que possui um conector USB exposto externamente para carregamento e transferência de dados. É um conector USB acoplável não padrão, sem conexão de blindagem disponível e todo o circuito é alojado em uma caixa de plástico sem possibilidade de chassi / terra de proteção, algo como a imagem abaixo:

Para proteção contra ESD, segui quase a recomendação exata de design fornecida aqui: http://www.semtech.com/images/promo/Protecting_USB_Ports_from_ESD_Damage.pdf

Eu posso visualizar o caminho atual quando Vbus, D + ou D- é atingido por um pulso ESD positivo ou negativo, ou seja, diodos de direção encaminham conduta para pulso negativo ou desviam para o TVS central para pulso positivo, corrija se meu entendimento estiver errado.

No entanto, não sei o que aconteceria se o próprio pino GND exposto recebesse o zap.

Questões:

1. Um golpe ESD negativo no pino GND terá o mesmo efeito que um pulso positivo no Vbus, ou seja, quebra do TVS de avalanche central que leva ao aperto?

2. No caso de um ataque ESD positivo no GND, os diodos de direção e / ou o TVS central encaminham e transmitem toda a energia (queda de menos 1 diodo Vf, se isso for importante) para o resto do circuito, destruindo assim os estragos !? Tentei descrever a situação abaixo:

(Imagem modificada a partir do link citado acima)

Soluções que estou considerando:

1. Desconecte o Vbus do TVS central e introduza um TVS bidirecional independente entre o Vbus e o GND com a subsequente proteção de tensão reversa para o restante do circuito (para tolerar -Vclamp do TVS bidirecional). Ele ainda pode não impedir a condução dos diodos de direção, além de outros diodos TVS unidirecionais desviarem para GND em outros pinos de E / S expostos, o que também pode encaminhar a conduta.

2. Introduza um cordão de ferrite entre o USB GND exposto e o circuito GND para qualquer impedância mínima que ele possa fornecer!

Qualquer sugestão / insight é bem-vinda, obrigado!

PS:

• Como o circuito pode obter energia do Vbus, os resistores em série não podem ser adicionados no circuito Vbus-GND

• Teste planejado conforme IEC 61000-4-2 , Nível 4 (contato 8 / 15kV / descarga de ar). O dispositivo estará operando com energia da bateria durante o teste sem o cabo USB conectado, portanto, todos os pinos ficariam facilmente acessíveis para descargas ESD.

A primeira coisa que vem à mente é que o teste de descarga eletrostática deve ser realizado em pontos normalmente acessíveis durante a operação normal. Como você não descreveu o que está construindo, em sua pergunta, é uma resposta vaga. O teste também não está descrito na sua pergunta, e o mais importante é em que pontos a pistola ESD está conectada. O modelo do corpo humano é em relação ao solo.

Quando você diz ataque positivo, você quer dizer positivo em relação ao solo? Positivo em relação a quê? A corrente vai levar o menor caminho de impedância de volta à fonte. Você precisa conectar o lado negativo ou o solo da pistola ESD a alguma coisa. Normalmente, ele está conectado ao terra ou ao chassi. A corrente deve viajar de volta para a fonte; portanto, se você acertar a placa com a pistola ESD conectada ao terra, ela tem vários caminhos 'potenciais' que ela pode recuperar. Há a blindagem usb, o aterramento usb, os fios D + e D, o Vbus e o ar. O ar é como um resistor de 10 ^ 6 a 10 ^ 9 com alguns pF de capacitância. Os fios D + e D- têm pelo menos a resistência de Rt mais o que estiver na extremidade motriz do cabo. O Vbus provavelmente teria um regulador de tensão, portanto seria menor do que o da Rt.

Portanto, a resposta é: vai levar o terra de volta à fonte (se você tiver a pistola esd conectada ao solo, e todos os caminhos o verão até certo ponto, o solo levará a maior parte da corrente)

Voltando ao design: todo o motivo de ter uma blindagem em torno do USB é desviar o ruído e a descarga eletrostática do fio terra, ao lado dos cabos V + e V-. Por causa do acoplamento indutivo mútuo, você pode obter alguns transientes que passam para os datalines e, no mínimo, criar ruído que nocauteia o pacote enviado.

A melhor coisa seria usar o escudo para desviar o ruído e a descarga eletrostática dos dados e do terra do usb. A próxima melhor coisa (e não recomendada) seria desviar o ESD pelo fio terra do cabo usb.

Se o PCB estiver sendo manuseado por seres humanos, tente projetá-lo para que o chão seja a primeira coisa vista por um evento de ESD. A situação ideal seria ter uma caixa de metal que encerre seu dispositivo amarrado à blindagem usb. Se você não conseguir amarrar o gabinete à blindagem (não recomendado), amarre-o no chão. Se você não pode ter um gabinete, tente usar anéis de proteção e um bom plano de aterramento saudável.

No caso de dispositivo operado por bateria, você o encontrará Não descarregar, pois não está aterrado. O que é considerado um cenário de aprovação para ESD. A menos que o técnico ajude você a descarregar no chão após cada zap.

Para permitir que o ESD se neutralize mais rapidamente, adicione um limite de 10uF entre o Vbus e o Gnd. Mais próximo do conector USB. Quando zap + 8kV para Gnd, a tampa descarrega um pouco para absorver alguma energia ESD. O que eu não gostaria é encontrar o curso de descarga do meu aterramento, ir para um pino de aterramento em algum componente e sair do pino de suprimento do componente.

Os TVS de base cerâmica estão chegando e seu tempo de reação é muito mais rápido que os TVS de base de diodo convencional.