USB的EMI和ESD设计
第八章 USB接口的ESD處理（外殼地和信號地的處理）
原文鏈接：第八章 USB接口的ESD處理（外殼地和信號地的處理）_王純配的博客-CSDN博客
USB外殼和信號地之間通常的做法是串聯(lián)一個(gè)100K-1M電阻，并且并聯(lián)一個(gè)0.01uF電容再接到信號地。這樣一個(gè)阻容網(wǎng)絡(luò)做法的原因是:
1、將影響外殼的噪聲消除，不影響信號地；
2、迫使板子上電流是流入內(nèi)部的信號地，而不是流到外殼。
3、USB接口外殼在主機(jī)端是與主機(jī)數(shù)字地相連，用作屏蔽，在終端處不能和其任何地直接相連，需通過100k-1M電阻與其數(shù)字地相連，并且電阻要并聯(lián)0.01uF電容。具體原因是防止主機(jī)端的靜電干擾，同時(shí)還能旁路高頻干擾，使數(shù)據(jù)線屏蔽層起到作用。
靜電的電荷集聚在物體的表面，一旦遇到可以釋放的回路就可以形成電流。有時(shí)候產(chǎn)生的電壓非常高，特別是在干燥的環(huán)境里。電子產(chǎn)品的外殼地就是用來快速地將電荷釋放到大地。所以外殼地不應(yīng)當(dāng)與信號地直接連接，否則靜電產(chǎn)生的電流就會(huì)進(jìn)入機(jī)箱內(nèi)部，并耦合到IC的引腳上，很多時(shí)候會(huì)造成系統(tǒng)死機(jī)，嚴(yán)重的會(huì)打壞IC。當(dāng)然，信號地最終還是要連到外殼地的，但這是通過螺釘、金屬墊片或加電阻/電感這些方式。所以大部分的靜電流通過外殼釋放，只有很小一部分進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，不會(huì)造成損壞。所以這樣的處理是綜合了EMI的濾波和ESD的隔離這兩方面的因素。
需要說明的是USB對ESD并沒有1394那么敏感，因?yàn)閁SB的輸出電壓是5V，電流500mA，而1394的輸出電壓是12V，電流1500mA。對于以下幾種情況，建議最好加上阻容網(wǎng)絡(luò)：前面板的USB插座；PCI插卡上的USB插座；外置的USB集線器（包括USB鍵盤上的）。
小結(jié)：
總的來說主要是為了防止靜電對模塊板子的損壞及做到電磁兼容等方面故考慮這些。而且在正規(guī)的產(chǎn)品試驗(yàn)中還得有靜電測試，這個(gè)環(huán)節(jié)中如果添加了阻容的話效果能更好些，當(dāng)然外殼得安全接地。
目前自己的模塊中添加了一個(gè)10MOHM或者1MOHM的電阻，封裝大概在0805，因?yàn)槲业哪K體積有點(diǎn)要求。電容一般也選用貼片的高壓陶瓷電容，如果可以的話最好選用帶引腳的，個(gè)頭大安全些，畢竟安全生產(chǎn)最主要，哈哈。
電容可以考慮0.01uF或者1000pF，或者這之間的都可以，具體得看設(shè)計(jì)需要，以及試驗(yàn)的效果。網(wǎng)上搜索了一下，最小的封裝好像也得1808了，不過最好還是上中發(fā)去狂搜一下，畢竟是實(shí)物！
在補(bǔ)一句：模塊周圍最好以一圈的外殼鏈接鋪銅，且跟鏈接端子相同。
我的板子上使用了1M歐姆的電阻并聯(lián)0.01uf的電容，但是還是有USB斷開的情況，未做ESD測試，這一直讓人揪心是什么原因。 另電腦機(jī)箱的USB接口外殼和OV直接連接，
是否無法達(dá)到屏蔽的效果。這些問題還需要探究.
參考Jlink V8的原理圖設(shè)計(jì)。用圖8.1所示USB電路：
USB接口外殼地和信號地間的處理
USB外殼地和信號地之間串接1M電阻，并且還接一個(gè)0.01uf的電容到信號地，能否將一下這樣處理的原理和目的：
1.將影響外殼的噪音濾除，不影響信號地；
2.迫使板子上電流是流入內(nèi)部的信號地，而不是流到外殼。
USB的EMI和ESD設(shè)計(jì)
USB的EMI和ESD設(shè)計(jì)_Synthesize的專欄-CSDN博客
1.USB2.0的EMI和ESD設(shè)計(jì)
USB接口的傳輸速率很高，因此如何提高USB信號的傳輸質(zhì)量、減小電磁干擾(EMI)和靜電放電(ESD)成為USB設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由于USB接口具有可熱插拔性，USB接口很容易因不可避免的人為因素而導(dǎo)致靜電損壞器件，比如死機(jī)、燒板等。因此使用USB接口的用戶迫切要求加入防ESD的保護(hù)器件。選用LM3526器件對USB進(jìn)行ESD防護(hù)
2.對USB外殼地和信號地的處理：有2種方案：
第一種：USB外殼地和信號地之間串接1M電阻，并且還接一個(gè)0.01uf的電容到信號地，這樣處理的原理和目的1.將影響外殼的噪音濾除，不影響信號地；2.迫使板子上電流是流入內(nèi)部的信號地，而不是流到外殼。所以這樣的處理是綜合了EMI的濾波和ESD的隔離這兩方面的因素。
第二種：采用原有的的方案，USB外殼地和信號地直接接上磁珠
對于這2種方案可采用兼容設(shè)計(jì)來驗(yàn)證
3.對于USB2.0的PCB布線，需要考慮以下原則：
1.?差分線對要保持線長匹配，否則會(huì)導(dǎo)致時(shí)序偏移、降低信號質(zhì)量以及增加EMI；
2.差分線對之間的間距要保持小于10mm，并增大它們與其它信號走線的間距；
3.差分走線要求在同一板層上，因?yàn)椴煌瑢又g的阻抗、過孔等差別會(huì)降低差模傳輸?shù)男Ч牍材Ｔ肼?#xff1b;
4.差分信號線之間的耦合會(huì)影響信號線的外在阻抗，必須采用終端電阻實(shí)現(xiàn)對差分傳輸線的最佳匹配；
5.盡量減少過孔等會(huì)引起線路不連續(xù)的因素；
6.避免導(dǎo)致阻值不連續(xù)性的90度走線，可用圓弧或45度折線來代替；????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
參考資料：
1.?????http://www.ed-china.com/ART_8800009845_400004_500010_TS.HTM
2.?????uPD720102 Datasheet
USB2.0的EMI和ESD設(shè)計(jì)
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提供雙向、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB接口，以其即插即用、可熱插拔和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為計(jì)算機(jī)和信息電子產(chǎn)品連接外圍設(shè)備的首選接口。時(shí)下流行的USB2.0具有高達(dá)480Mbps的傳輸速率，并與傳輸速率為12Mbps的全速USB1.1和傳輸速率為1.5Mbps的低速USB1.0完全兼容。這使得數(shù)字圖像器、掃描儀、視頻會(huì)議攝像機(jī)等消費(fèi)類產(chǎn)品可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行高速、高性能的數(shù)據(jù)傳輸。另外值得一提的是，USB2.0的加強(qiáng)版USB OTG可以實(shí)現(xiàn)沒有主機(jī)時(shí)設(shè)備與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。例如。數(shù)碼相機(jī)可以直接與打印機(jī)連接并打印照片，PDA可以與其它品牌的PDA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或文件交換。
USB接口的傳輸速率很高，因此如何提高USB信號的傳輸質(zhì)量、減小電磁干擾(EMI)和靜電放電(ESD)成為USB設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文以USB2.0為例，從電路設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)兩個(gè)方面對此進(jìn)行分析
當(dāng)USB2.0接口采用高速差動(dòng)信號傳輸方式時(shí)，由于接地層與電源層的信號搖擺，放射噪聲會(huì)有所增加。因此，為避免串?dāng)_并保證信號的完整性，消除將要混入高速信號中的共模噪聲是電磁兼容設(shè)計(jì)的必要對策。在圖1所示的電路中，數(shù)據(jù)電源線和地線上分別串聯(lián)一個(gè)阻抗為120歐姆、額定電流為2A的磁珠，而差分線對上則串聯(lián)一個(gè)共模阻抗為90歐姆的共模扼流器。共模抗流器由兩根導(dǎo)線同方向繞在磁芯材料上，當(dāng)共模電流通過時(shí)，共模抗流器會(huì)因磁通量疊加而產(chǎn)生高阻抗；當(dāng)差模電流通過時(shí)，共模抗流器因磁通量互相抵消而產(chǎn)生較小阻抗。以深圳順絡(luò)電子有限公司生產(chǎn)的共模抗流器SDCW2012-2-900為例，該器件在100MHz的差模阻抗僅為4.6歐姆。從圖2所示的衰減特性也能看出共模扼流器對差分信號不會(huì)造成影響，主要是針對共模電流進(jìn)行選擇性的衰減
由于USB接口具有可熱插拔性，USB接口很容易因不可避免的人為因素而導(dǎo)致靜電損壞器件，比如死機(jī)、燒板等。因此使用USB接口的用戶迫切要求加入防ESD的保護(hù)器件。在圖3電路中，數(shù)據(jù)電源線、地線上各有一個(gè)工作電壓為5.5V、電容為100pF的壓敏電阻連到屏蔽地上。差分線對因數(shù)據(jù)傳送速度高達(dá)480Mbps，則需要連接電容小于4pF的器件，因?yàn)檩^大的電容可導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號波形惡化，甚至出現(xiàn)位錯(cuò)誤。因此在差分線對上接入工作電壓為18V、電容最大值為4pF的壓敏電阻器。圖4所示的電壓波形也驗(yàn)證了電容為4pF的壓敏電阻器(如深圳順絡(luò)電子有限公司生產(chǎn)的SDV1005H180C4R0GPT)對波形的影響不大
對于USB2.0的PCB布線，需要考慮以下原則：
1.?差分線對要保持線長匹配，否則會(huì)導(dǎo)致時(shí)序偏移、降低信號質(zhì)量以及增加EMI；
2.差分線對之間的間距要保持小于10mm，并增大它們與其它信號走線的間距；
3.差分走線要求在同一板層上，因?yàn)椴煌瑢又g的阻抗、過孔等差別會(huì)降低差模傳輸?shù)男Ч牍材Ｔ肼?#xff1b;
4.差分信號線之間的耦合會(huì)影響信號線的外在阻抗，必須采用終端電阻實(shí)現(xiàn)對差分傳輸線的最佳匹配；
5.盡量減少過孔等會(huì)引起線路不連續(xù)的因素；
6.避免導(dǎo)致阻值不連續(xù)性的90度走線，可用圓弧或45度折線來代替；
7.壓敏電阻器的接地端要接入屏蔽地層，并放置在端口位置。
USB2.0的走線規(guī)則
我們在走USB2.0的走線時(shí)，已經(jīng)有了N種規(guī)則：
1.線寬12MIL，線距6MIL的差分線。
2.線寬10MIL，線距10MIL的差分線。
3.線寬16MIL，線距8MIL的差分線。
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PCB的地與機(jī)殼（連接大地）為什么用阻容連接？只用電容是否可以？
PCB板卡置于金屬機(jī)殼中，機(jī)殼一般接大地。PCB的GND與機(jī)殼之間經(jīng)常使用一個(gè)電容（0.01uF/1KV）并聯(lián)一個(gè)電阻（1M）連接。請教一下：
（1）這么連接據(jù)說是為了做ESD保護(hù)，具體原理是什么？
（2）有些機(jī)器只用電容，沒有1M電阻，兩者有何區(qū)別？
PCB的地與機(jī)殼（連接大地）為什么用阻容連接？只用電容是否可以？ - 知乎
討論：TVS管該接信號地GND還是外殼地PGND？?
在電子防護(hù)器材中運(yùn)用最多的要數(shù)TVS管，通過合理放置TVS的位置、接地選擇、寄生電感和回路區(qū)的處理，科學(xué)合理地進(jìn)行PCB的布線以及TVS管的選擇，使TVS的效能最佳化。今天我們要討論的是TVS管接地的問題，按道理TVS管是接PGND來泄放靜電，若5V的信號加TVS管，對GND是選型鉗位電壓5V的TVS，那么對PGND該怎樣選型？信號線對PGND是沒有工作壓差的。（GND和PGND無連接）
來看看熱心網(wǎng)友是如何作答的？
wjzx111056：TVS管不管是接信號地gnd還是外殼地pgnd，其選型都應(yīng)該以下幾點(diǎn)進(jìn)行考慮：1. 最小擊穿電壓VBR 和擊穿電流IR；2.最大反向漏電流ID 和額定反向關(guān)斷電壓VWM；3. 最大箝位電壓VC 和最大峰值脈沖電流IPP；4. Pppm 額定脈沖功率；在給定的最大箝位電壓下，功耗PM 越大，其浪涌電流的承受能力越大。在給定的功耗PM 下，箝位電壓VC 越低，其浪涌電流的承受能力越大。另外，峰值脈沖功耗還與脈沖波形、持續(xù)時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且，TVS 所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復(fù)的，器件規(guī)定的脈沖重復(fù)頻率(持續(xù)時(shí)間與間歇時(shí)間之比)為0.01%。如果電路內(nèi)出現(xiàn)重復(fù)性脈沖，應(yīng)考慮脈沖功率的累積，有可能損壞TVS；5.電容量C，電容C對于數(shù)據(jù)/信號頻率越高的回路，二極管的電容對電路的干擾越大，形成噪聲或衰減信號強(qiáng)度。 由于TVS二極管在線路板上是與被保護(hù)線路并聯(lián)，當(dāng)瞬時(shí)電壓超過電路正常工作電壓后，TVS二極管便發(fā)生雪崩，提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低電阻通路，其結(jié)果是瞬時(shí)電流通過二極管被引開，避開被保護(hù)器件，并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。當(dāng)瞬時(shí)脈沖結(jié)束以后，TVS二極管自動(dòng)回復(fù)高阻狀態(tài)，整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓，所以應(yīng)該就近瀉放ESD 干擾，避免串入后續(xù)電路，可考慮先接GND再將GND與PGND同過磁珠進(jìn)行連接。
lgdz：利用瞬態(tài)抑制元件(如TVS、MOV、氣體放電管等)將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地，優(yōu)點(diǎn)是成本較低，而且需要有一條良好的接地通道。
Hzqi：如果接到GND，那么能量是不是就就泄放到GND上了？一旦到GND上就不可避免的對信號產(chǎn)生影響。另外我以前見過一個(gè)帖子，好像是在PGND與GND之間加一個(gè)電容和一個(gè)電阻，來防止靜電干擾。具體原因還不了解。
baobaozxc1234：一般是加到PGND，即大地，才能泄放；但是加到GND的效果也不是沒有，但是要注意TVS的選型。
acute1110：TVS一般做內(nèi)部信號的防護(hù)接GND。如果接PGND，那么所有對PGND的干擾通過TVS進(jìn)入系統(tǒng)，除非你的信號隔離到外側(cè)（一版是變壓器和光耦）再做防護(hù)這時(shí)也不是用TVS而是GDT和壓敏電阻。
sorryoffine：接pgnd還是gnd要看具體情況，大部分設(shè)計(jì)是不能直接連接pgnd的（如外殼絕緣要求）。具體分析如下，對于差模信號，接GND是最好的，共模信號只考慮2個(gè)重要的放途徑，一是設(shè)備外殼和大地之間的分布電容（也可能直接連接大地），另一個(gè)是設(shè)備電源的分布電容（電池供電除外）。所以要TVS要先連接GND，GND和PGND使用高壓電容連接，電容和tvs接地點(diǎn)的位置要盡量近，電容保證在GND和pGND高頻條件下的阻抗要盡量小，避免外殼對pcb其他部分2次放電。
原則是，不要讓放電回路經(jīng)過電路板內(nèi)部，減小外接電源分布電容。
ghost1325：之前公司做產(chǎn)品也是這么做的！產(chǎn)品外殼是鐵殼，內(nèi)部地和外殼並不直接連接，而是通過電容連接。即保證了信號地和系統(tǒng)地的直流電位隔離，又保證了信號地和系統(tǒng)地的交流等電位！
龍帝728：一般都會(huì)在PGND與GND之間加一個(gè)1000pF的電容。
從以上網(wǎng)友的評論中可以看出，TVS管接地，不管是接GND還是PGND是要看具體情況的，大部分設(shè)計(jì)師不能直接連接PGND的。一般的處理方法是在PGND于GND之間加一個(gè)電容或者一個(gè)電阻，來防止靜電干擾。
用
USB的外殼如何處理？
USB的外殼如何處理？ - 易迪拓培訓(xùn)
大家來討論下你們項(xiàng)目中的USB外殼是如何處理的？出于什么考慮？
我覺得USB外殼處理應(yīng)該是為了解決ESD和EMI問題，經(jīng)常看到不同產(chǎn)品有不同的處理方式，比如接磁珠到地，比如接電容到地，比如直接接地。
大家來發(fā)表下自己的看法吧
USB外殼是與線纜的屏蔽層連接的，作用是ESD/EMI/EMC，以及信號回路的作用。
1，如果從ESD及信號回路的角度考慮，個(gè)人認(rèn)為直接接地是最好的選擇。
2，如果從EMI的角度考慮加磁珠或者電容，那么應(yīng)該是由于該產(chǎn)品主板GND不干凈，會(huì)通過USB線向外輻射能量。
3，如果從EMC的角度考慮加磁珠或者電容，應(yīng)該是該產(chǎn)品所處環(huán)境復(fù)雜或者USB線另一端的GND不好，空間電磁波成分很多，容易通過USB線耦合進(jìn)產(chǎn)品的GND。
綜合考慮的話，直接接地是最佳選擇。如果因?yàn)楫a(chǎn)品自身性能差或者產(chǎn)品所處環(huán)境復(fù)雜需要濾波，磁珠或電容選型需要因產(chǎn)品而已，但是這種選擇，在改善EMI和EMC的同時(shí)，是以犧牲ESD和信號回路的性能為代價(jià)的。
這位大牛說得實(shí)在太好了，漲姿勢了。
還有幾個(gè)疑問：
1.大牛說直接接地有助于ESD，應(yīng)該是指可以很好將ESD能量導(dǎo)到地上去吧？我見過一些金屬殼產(chǎn)品他們將USB外殼直接接金屬殼，同時(shí)與PCB的地隔開，這是出于什么考慮呢？
2.USB差分線由于種種原因會(huì)產(chǎn)生共模噪聲，在板子內(nèi)部我們可以選擇加共模扼流圈來抑制，但在USB數(shù)據(jù)線上如果不加磁環(huán)而屏蔽層又不給力，導(dǎo)致共模噪聲從USB線上輻射出去。這種情況既不屬于大牛所說的EMI也不屬于EMC的情況。那么此時(shí)通過USB殼體接磁珠到地應(yīng)該無法解決問題吧？
不敢號稱大牛，還差的遠(yuǎn)，只是樂于交流而已。
1，您說的那種產(chǎn)品我沒做過，不過像這種大型的設(shè)備，外部金屬殼子都是直接與大地連通的，USB線的外殼與該金屬殼接通，也就相當(dāng)于與大地連通。個(gè)人認(rèn)為，其實(shí)ESD/EMI/EMC這些概念，都是將能量消化或著隔斷，將USB線連接金屬外殼而不是主板GND，能獲得更大的能量源（相對與主板GND來說），起到的效果會(huì)更好。
2，這個(gè)問題很復(fù)雜，有幾個(gè)方向：第一是信號驅(qū)動(dòng)源，480M信號的上升沿維持在1ns左右是合適的，如果太小，就會(huì)有更多的能量輻射，此時(shí)就需要減緩上升沿；第二是PCB走線，保證阻抗90歐姆且連續(xù)的同時(shí)，最好走在內(nèi)層，確保PCB上沒有輻射；第三就是USB線的質(zhì)量了，如果輻射能量在主板GND上并通過USB輻射出去，那么殼體加磁珠也許有用，如果輻射能量在差分線上，那么加了磁珠后輻射也許會(huì)變得更嚴(yán)重。
謙虛了啊。以后還請多多指教。
你上面提到USB外殼還起到信號回流的作用，是指USB數(shù)據(jù)線上的共模信號會(huì)沿著屏蔽層通過USB殼體到PCB的地吧？所以如果輻射信號是從USB數(shù)據(jù)線出來的那么加了磁珠會(huì)導(dǎo)致共模信號回流路徑阻抗變大，惡化EMI。這樣理解是否正確呢？
是這個(gè)意思。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的USB的EMI和ESD设计的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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