Escudo USB. Aterrar ou não aterrar?

Recebi um dispositivo no trabalho para fazer alguns testes. Basicamente, um IC está se tornando obsoleto, por isso preciso testar uma peça de reposição. Ao refazer as verificações de ESD, o dispositivo falhou.

Eu verifiquei o histórico do dispositivo e houve problemas para passar a ESD antes. Havia uma nota da instalação de testes de que, como o dispositivo era inteiramente de metal (carcaça de aço inoxidável), apenas era necessária a descarga de contato de até 4kV (eu estou no Reino Unido). Aparentemente, ele falhou algumas vezes até que um capacitor / resistor foi adicionado entre a blindagem USB e o terra, e uma pequena aba de metal foi introduzida para adicionar melhor contato entre o terra da PCB e a caixa de metal. Aparentemente, isso permitiu que passasse.

Passem 5 anos e estou refazendo os testes. Cada vez que realizo o teste de descarga de contato em + 4kV, o dispositivo perde sua memória (este é um dispositivo de registro de dados) e precisa ser redefinido de fábrica e reiniciar o registro para funcionar novamente. Voltei a verificar alguns antigos usando o IC anterior e descobri que isso também falha. Parecia que era um problema intermitente (alguns dispositivos passaram em 3 em 10 testes, outros falharam em todos os 10 etc.), então parece-me que a aprovação no teste ESD anteriormente era provavelmente um golpe de sorte.

Tentei várias coisas, coloquei capacitores extras em paralelo com o atual conectando a blindagem USB ao terra (valores diferentes, alto / baixo), mudei o resistor para valores diferentes (resistência mais alta / mais baixa) e tentei esferas de ferrite contas paralelas e ferrite em vez do resistor / capacitor, como eu já havia visto em alguns lugares, mas ainda assim falhou. A única maneira de conseguir isso foi aterrando o escudo USB diretamente .

Procurando online, não consigo encontrar nenhum lugar que indique explicitamente se você deve ou não aterrar o escudo USB. Esta discussão AQUI tem visões diferentes, este AQUI também tem uma discussão sobre isso. ESTE link menciona que a blindagem deve ser conectada apenas à terra no host, mas nenhum dispositivo deve conectar a blindagem à terra .... ESTE documento diz que a blindagem deve ser conectada ao chassi. No entanto, na figura 12, parece mostrar que a blindagem USB deve estar ligada ao plano GND.

Parece haver muitas visões diferentes sobre isso, então estou um pouco inseguro sobre o que fazer a seguir. Aterramento do escudo permite que ele passe ESD, mas isso é algo que deve ser feito? Ou devo continuar procurando uma solução melhor? Se sim, qual é uma boa solução.

MAIS INFORMAÇÕES:

• A PCB é muito irregular e com pouco espaço, tornando o plano de aterramento próximo ao conector USB muito pequeno.
• Não tenho permissão para alterar nenhum projeto mecânico sobre isso. Estou apenas procurando uma solução que possa ser facilmente implementada e não exija uma reformulação do PCB ou do produto, de modo que essas sugestões não fazem sentido.
• Este é um dispositivo de trabalho e, como tal, não tenho permissão para mostrar o esquema, portanto, não pergunte. O circuito de entrada USB foi baseado neste design:
• A proteção de estrangulamento em modo comum, ferrite e diodo TVS já estão no projeto.
• Eu não sou o engenheiro de design original. Eles não trabalham mais para a empresa, por isso não sou capaz de encontrar o raciocínio para as escolhas de design que fizeram
• O dispositivo é USB 2.0
• A unidade passa no teste em -4kV, é apenas a + 4kV onde falha

MAIS INFORMAÇÕES

E mais informações necessárias nos comentários serão adicionadas aqui.

• Andy aka: Eu posso te mostrar isso:

  

Tudo o que posso mostrar do PCB real é o seguinte:

Você pode ver que a posição de terra para antes da tomada USB. O orifício maior é o local onde as guias da blindagem USB têm uma conexão mecânica com a PCB. R1 está conectando a blindagem ao GND e o capacitor C3 está fazendo o mesmo na outra conexão. A blindagem é conectada ao terra através da tampa de 100k res / 100nF. Há uma aba de metal instalada na placa de circuito impresso que repousa sobre o chassi de metal. De acordo com o antigo relatório ESD, isso era necessário ou o dispositivo falhou. Tanto quanto posso ver, essas foram as únicas coisas adicionadas além desse circuito de exemplo para proteger contra ESD.

Em resposta às perguntas nos comentários:

• A falha ocorre ao fazer um teste ESD de descarga por contato na blindagem USB (em todas as outras áreas está correto, apenas a blindagem USB falha)
• O teste ocorre enquanto a unidade está registrando. Não está conectado a nenhum dispositivo via USB.
• Eu tentei um link 0R para GND em vez da solução resistor / capacitor, mas isso ainda falha. Quando adiciono um link de fio direto da blindagem USB ao chassi (que está conectado ao PCB GND), o problema é resolvido. Acredito que isso se deve ao design do PCB. O plano de aterramento próximo ao lado do USB é muito pequeno (cerca de 12 mm x 15 mm). No entanto, o chassi é grande. Isso é algo que não posso mudar.
• A localização da guia Chassis para PCB GND está em uma sub-PCB, com um rastreio de 30a até a guia. (sim, eu sei que parece estranho, mas as restrições de espaço eram ridículas e esse não era o meu design!)

Melhor pratica

Em primeiro lugar (como um pouco fora de controle), pessoalmente, nos projetos eu sempre aterro através de um resistor 0R para que a decisão possa ser alterada. Isso vale para praticamente qualquer blindagem (Ethernet, USB etc.)

O principal problema que pode surgir é quando o escudo é aterrado em uma das extremidades e as duas extremidades não concordam com o que é 0V. Isso pode causar danos a ambas as extremidades, por correntes fluindo para onde não deveriam (se o caminho da blindagem for 0,2ohms e a diferença de tensão 1V, isso significa 5A indo para onde não deveria)

Você pode pensar por que isso aconteceria ? Mas pense na situação em que um laptop está conectado a um equipamento alimentado por USB. O laptop pode estar apenas com bateria (nenhuma referência à terra verdadeira), mas o equipamento está conectado à rede elétrica e, portanto, pode ter uma referência à terra 0V verdadeira.

Portanto, a solução é conectar-se em apenas uma extremidade, mas ter algum acordo sobre qual extremidade.

Geralmente, espera-se que um dispositivo host USB forneça a energia, e o dispositivo escravo muitas vezes é totalmente alimentado por barramento e não tem conexões com mais nada no mundo exterior (pense em um dispositivo de memória USB, adaptador WiFi etc.). Em geral, o host USB deve conectar a blindagem ao terra (e terra, se possível). É por isso que se espera que o lado do host amarre o escudo ao chão ou à terra.

O fato de haver tantos comentários conflitantes de pessoas e experiências diferentes mostra claramente que está longe de ser seguro supor que isso sempre seja respeitado, assim como mencionei em primeiro lugar - adicione a opção de alterá-lo facilmente.

Nesta situação

Depois de discutir isso em um bate-papo, a solução proposta é diferente. Como essa é uma pergunta sobre ESD, ela é confusa e complicada e envolve muitos aspectos do projeto (elétrico, mecânico, sistema). O bate-papo está disponível para todos verem, mas há alguns pontos importantes:

• Este registrador de dados não possui outras conexões, além da conexão USB a um PC / laptop
• O registrador de dados possui um chassi de metal, que é ligado ao terra da placa PCB.
• Quando a blindagem USB não está conectada diretamente ao terra da placa PCB (por exemplo, conectada por R || C ou HiZ), o registrador de dados falha (perde o conteúdo da memória).
• No teste ESD, o cabo USB não está conectado (ou está flutuando na outra extremidade).
• O OP não é o autor do design e possui um escopo muito limitado para fazer alterações no design para resolver esse problema.

Eu suponho que o problema provavelmente esteja relacionado ao layout de PCB. O surto de ESD está seguindo o caminho da blindagem, passando pelos eletrônicos sensíveis e finalmente alcançando o chassi. Ao conectar diretamente a blindagem ao chassi com um fio, o caminho de oscilação ESD atinge o chassi sem chegar perto da placa de circuito impresso, evitando o problema.

Nesta situação, como o registrador de dados não possui outras conexões com outros dispositivos; os possíveis problemas (trocadilhos) não podem ocorrer. Então, eu sugiro conectar a blindagem ao chassi. Por um fio ou por uma abordagem mais amigável à produção, há uma junta ESD ao redor do conector, que é um material condutor esponjoso que fornece uma conexão sem solda manual e não fixa o chassi à placa de forma permanente.

Em um mundo mais ideal, eu fixaria novamente a placa para que o chassi fique isolado do aterramento da placa de circuito impresso e o chassi esteja conectado à blindagem. Isso significa que não é possível que surtos de ESD atinjam os eletrônicos sensíveis. Exceto se você cutucar os datapins no conector USB por diversão - nesse caso, diodos ESD nos datalines que fornecem um caminho para o aterramento do chassi, não o aterramento da placa PCB.

Você precisa examinar o caminho de alta corrente em todo o projeto, e o projeto deve fornecer uma rede de blindagem separada para evitar que a descarga ESD ultrapasse o solo do sinal, o que criará "ressalto no solo" e interromperá a funcionalidade. Este não é um assunto fácil. Ao estabelecer uma conexão simples e sólida entre o terra e a blindagem do sinal, você pode ter problemas com a EMI e falhar nas certificações da EMI. Para obter mais detalhes, revise este tópico sobre como equilibrar dois requisitos contraditórios para blindagens USB.

Considerando o que você nos contou sobre o dispositivo:

• Alimentado por bateria
• Normalmente não está conectado ao USB
• Não possui conexões com sensores ou dispositivos externos durante as medições
• Não possui peças metálicas acessíveis, exceto o chassi e a
  blindagem USB .

Basta conectar o chassi à blindagem USB e pronto.

A resposta anterior apontou problemas com as correntes de loop (dois caminhos GND diferentes no circuito para a rede elétrica), mas como você possui um dispositivo flutuante alimentado por bateria, isso não é problema.

Se você quiser experimentar, tente remover o resistor / capacitor entre a blindagem e o GND. Além disso, você pode querer usar um capacitor menor NP0 C0G ESD, o capacitor de 100nF possui dielétrico X7R, que não é adequado para esse tipo de tarefa.

A conexão GND-to-Shield é aparentemente bastante fraca e não está próxima ao conector USB. Portanto, o curto-circuito no GND faz com que o transitório viaje através da sua PCB até atingir a guia do chassi.

Acho que o problema aqui é que o designer original colocou o escudo USB sob os traços de sinal. Tocar a arma ESD faz com que o escudo "salte", que combina capacitativamente com os traços e componentes próximos. Agora, os rastreamentos de sinal e VBUS são compartilhados com o GND, para que sejam protegidos. No entanto, esses rastreamentos passam a ter CMC e ferrita enquanto o GND está diretamente acoplado - portanto, provavelmente eles suprimem o transiente nesses fios enquanto o transitório do GND continua inabalável.

NB, isso é apenas especulação.

Eu tenho duas soluções:

Solução A
Substitua C3 pelo maior capacitor possível (micro, não nano farads).
Se isso não funcionar, então

Solução B
1) Remova o resistor e o capacitor que foram adicionados (R1 e C3),
2) desconecte o terra deste conector,
3) solde um fio da guia da blindagem (nó R1 C3) a este terra do conector e a outra extremidade o solde à guia de aterramento da placa de circuito impresso do conector oposto.

O resultado líquido dessas instruções é isolar o plano de aterramento da placa de circuito impresso da blindagem USB. Dessa forma, quando a blindagem USB for zapped, o ESD desviará o PSB e aterrará.