USBシールド。接地するかしないか？

私はいくつかのテストを行うために職場でデバイスを与えられました。基本的にICは時代遅れになっているので、交換部品をテストする必要があります。ESDチェックをやり直すと、デバイスは失敗しました。

デバイスの履歴を確認しましたが、以前にESDを渡すのに問題がありました。テスト施設から、デバイスは完全に金属製（ステンレス製ハウジング）であるため、合格には最大4kVの接触放電のみが必要であるというメモがありました（私は英国にいます）。どうやら、USBシールドとグランドの間にコンデンサ/抵抗器が追加されるまで数回故障し、PCBのグランドと金属ケースの間の接触を改善するために小さな金属タブが導入されました。これにより、どうやら合格したようです。

5年後、テストをやり直しています。+ 4kVで接触放電テストを実行するたびに、デバイスはメモリを失い（これはデータロギングデバイスです）、動作するように工場出荷時の状態にリセットしてロギングを再開する必要があります。以前のICを使用していくつかの古いものを再確認しましたが、これも失敗することがわかりました。それは断続的な問題であるように見えた（一部のデバイスは10回のテストで3回合格し、他のデバイスはすべて10回テストに失敗したなど）ので、以前はESDテストの合格はおそらくまぐれだったようです。

私はいくつかのことを試しましたが、USBシールドをグランドに接続する電流コンデンサと並列に余分なコンデンサを入れて（異なる値、高/低）、抵抗を異なる値に変更し（高/低抵抗）、フェライトビーズを試しましたパラレル、および抵抗/コンデンサの代わりにフェライトビーズを使用しました。いくつかの場所で推奨されていましたが、それでも失敗しました。私がそれを通過させた唯一の方法はUSBシールドを直接接地することでした。

オンラインで見ると、USBシールドを接地する必要があるかどうかを明示的に示す場所はどこにもありません。この議論はHERE、これを別のビューを持っているHEREも、それについての議論を持っています。このリンクはシールドがホストだけでグランドに接続する必要があります言及、ないデバイスが地面にシールドを接続してはならない.... THIS文書は、シールドをシャーシに接続してくださいと言います。しかし、図12では、USBシールドをGNDプレーンに接続する必要があることを示しているようです。

これについてはさまざまな見方があるように思えるので、次に何をすべきかわからない。シールドを接地すると、ESDを通過させることができますが、これは何かすべきですか？または、より良い解決策を探し続ける必要がありますか？もしそうなら、良い解決策は何ですか。

詳細：

• PCBは非常に不規則で、スペースが限られているため、USBコネクタの近くのグランドプレーンは非常に小さくなっています。
• これに関する機械的な設計を変更することはできません。私は、簡単に実装でき、PCBや製品の再設計を必要としないソリューションを見つけようとしています。そのため、これらの提案は無意味です。
• これは作業用デバイスなので、回路図を表示することは許可されていないので、質問しないでください。USB入力回路は、次の設計に基づいています。
• コモンモードチョーク、フェライト、およびTVSダイオード保護は、すべて設計に含まれています。
• 私は元の設計エンジニアではありません。彼らはもはや会社のために働いていないので、彼らが行った設計選択の理由を見つけることができません
• デバイスはUSB 2.0です
• ユニットは-4kVでテストに合格し、失敗するのは+ 4kVだけです

もっと詳しく

そして、コメントに必要な情報がここに追加されます。

• Andy aka：これだけお見せできます：

  

実際のPCBについて表示できるのはこれだけです。

グラウンドプレーンがUSBソケットの手前で止まっていることがわかります。大きな穴は、USBシールドのタブがPCBに機械的に接続する場所です。次に、R1はシールドをGNDに接続し、コンデンサC3はもう一方の接続でも同じことを行います。シールドは、100k res / 100nFキャップを介してグランドに接続されています。PCBに取り付けられた金属製のタブが、金属製のシャーシ上にあります。古いESDレポートによると、これが必要であったか、デバイスが故障しました。私が見る限り、これらはESDから保護するために回路例に加えて追加された唯一のものでした。

コメントの質問への回答：

• 障害は、USBシールドで接触放電ESDテストを実行するときに発生します（他のすべての領域は問題ありませんが、USBシールドだけが失敗します）。
• ユニットがログを記録している間にテストが行​​われます。USBを介してどのデバイスにも接続されていません。
• 抵抗/コンデンサソリューションの代わりにGNDへの0Rリンクを試しましたが、これでも失敗します。USBシールドからシャーシ（PCB GNDに接続）に直接ワイヤリンクを追加すると、問題は解決します。これはPCBの設計によるものだと思います。USB側のグランドプレーンは非常に小さい（約12mm x 15mm）。それでも、シャーシは大きいです。これは私が変更できないものです。
• シャーシからPCBのGNDタブまでの位置は、サブPCBにあり、30thouのトレースがタブにあります。（はい、奇妙に聞こえますが、スペースの制約はばかげていて、これは私の設計ではありませんでした！）

ベストプラクティス

第一に、（ちょっとした警戒として）設計では、決定を変更できるように常に0R抵抗を介して接地します。これはほとんどすべてのシールド（イーサネット、USBなど）に適用されます

発生する可能性のある主な問題は、シールドの両端が接地されており、2つの端が0Vとは一致しない場合です。これは、あるべきではない場所を流れる電流によって、どちらかの端に損傷を引き起こす可能性があります（シールドパスが0.2ohmで、電圧差が1Vの場合、5Aは本来あるべきでない場所に流れます）

なぜこれが起こるのかと思うかもしれません。しかし、ラップトップがUSBを介して主電源装置に接続されている状況を考えてください。ラップトップはバッテリーのみで使用できますが（真のアース基準はありません）、機器は主電源に接続されているため、真の0Vアース基準があります。

したがって、解決策は、一方の端でのみ接続することですが、どちらの端についてもある程度の合意が必要です。

一般に、USBホストデバイスは電力を供給することが期待され、スレーブデバイスはほとんどの場合完全にバスパワーで動作し、外の世界（USBメモリスティック、WiFiドングルなど）に接続しません。一般的に、USBホストはシールドをグランド（および可能であればアース）に接続する必要があります。これが、ホスト側が通常シールドをグランドまたはアースに接続することが期待される理由です。

人々や異なる経験から非常に多くの相反するコメントがあるという事実は、これを常に遵守すると仮定することは安全とは程遠いことを明確に示しています。

この状況で

チャットでこれについて議論した後、提案されたソリューションは異なります。これはESDに関する質問であるため、面倒で複雑であり、設計の多くの側面（電気、機械、システム）が関係しています。チャットは誰でも見ることができますが、重要な点があります：

• このデータロガーには、PC /ラップトップへのUSB接続を除き、他の接続はありません
• データロガーには金属製のシャーシがあり、PCBボードのグランドに接着されています。
• USBシールドがPCBボードのグランドに直接接続されていない場合（たとえば、R || CまたはHiZによって接続されている場合）、データロガーは失敗します（メモリの内容が失われます）。
• ESDテストでは、USBケーブルは接続されていません（または、もう一方の端で浮いています）。
• OPは設計者ではなく、この問題を解決するために設計変更を行う範囲は非常に限られています。

問題はおそらくPCBレイアウトに関連していると推測します。ESDサージは、シールドから経路を通過し、敏感な電子機器を通過し、最終的にシャーシに到達します。シールドをワイヤでシャーシに直接接続することにより、ESDサージパスがPCBに近づくことなくシャーシに到達するため、問題が回避されます。

この状況では、データロガーには他のデバイスへの他の接続がないため、潜在的な問題（意図したしゃれ）は発生しません。そのため、シールドをシャーシに接続することをお勧めします。ワイヤを使用するか、より生産に適した方法のいずれかで、コネクタの周りのESDガスケットはスポンジ状の導電性材料であり、手動はんだ付けなしで接続し、シャーシを基板に完全に取り付けません。

より理想的な世界では、シャーシをPCBボードのグランドから分離し、シャーシをシールドに接続するようにボードを回転させます。これは、ESDサージが敏感な電子機器に届かないことを意味します。楽しみのためにUSBコネクタのデータピンを突く場合を除きます-その場合、PCBボードの接地ではなく、シャーシの接地へのパスを提供するデータラインのESDダイオード。

デザイン全体の大電流経路を調べる必要があります。また、デザインが別のシールドネットを提供して、ESD放電が信号グランドを超えないようにします。これは簡単なことではありません。信号グランドとシールドを簡単に固定接続すると、EMIの問題が発生し、EMI認定に失敗する可能性があります。詳細については、USBシールドの2つの矛盾する要件のバランスをとる方法に関するこのトピックを確認することをお勧めします。

デバイスについて私たちに言ったことを考慮してください：

• バッテリ駆動
• 通常USBに接続されていません
• 測定中に外部センサーまたはデバイスに接続しません
• シャーシとUSB
  シールド以外のアクセス可能な金属部品はありません。

シャーシをUSBシールドに接続するだけで完了です。

以前の回答では、ループ電流（電源から回路への2つの異なるGNDパス）の問題が指摘されていましたが、バッテリー駆動のフローティングデバイスがあるため、これは問題ではありません。

実験したい場合は、シールドとGNDの間の抵抗器/コンデンサを削除してみてください。また、より小さなNP0 C0G ESDコンデンサを使用することもできます。100nFコンデンサにはX7R誘電体があり、この種のタスクにはあまり適していません。

GNDとシールドの接続は明らかに弱いため、USBコネクタの近くにはありません。そのため、シールドをGNDに短絡すると、PCBがシャーシタブに当たるまでPCBを一過的に移動します。

ここでの問題は、元の設計者がUSBシールドを信号トレースの下に置いていることだと思います。ESDガンをザッピングすると、シールドが「ジャンプ」して、近くのトレースやコンポーネントと容量的に結合します。信号とVBUSトレースはGNDにクローバリングされるため、保護されます。ただし、これらのトレースには、GNDが直接結合されている間にCMCとフェライトが配置されます。したがって、これらのトレースは、おそらく、GND過渡が衰えずに継続している間、これらのワイヤの過渡を抑制します。

NBこれは単なる憶測です。

私には2つの解決策があります：

解決策A
C3を可能な限り大きなコンデンサ（ナノファラッドではなくマイクロ）に置き換えます。
これが機能しない場合は、

解決策B
1）追加された抵抗とコンデンサを取り外し（R1およびC3）、
2）このコネクタからアースを外し、
3）シールドタブ（R1 C3ノード）のワイヤをこのコネクタアースにはんだ付けし、もう一方の端をはんだ付けします反対側のコネクタのPCB接地タブに。

これらの命令の最終的な結果は、USBシールドからPCBグランドプレーンを分離することです。このように、USBシールドがザッピングされると、ESDはPSBをバイパスしてグランドに移動します。