第八章 USB接口的ESD處理（外殼地和信號(hào)地的處理）

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USB外殼和信號(hào)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(hào)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(hào)地；
　　2、迫使板子上電流是流入內(nèi)部的信號(hào)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(guò)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(lái)快速地將電荷釋放到大地。所以外殼地不應(yīng)當(dāng)與信號(hào)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(hào)地最終還是要連到外殼地的，但這是通過(guò)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(guò)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(shuō)明的是USB對(duì)ESD并沒(méi)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(duì)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(pán)上的）。

小結(jié)：

總的來(lái)說(shuō)主要是為了防止靜電對(duì)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(cè)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(guò)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(kāi)的情況，未做ESD測(cè)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(wú)法達(dá)到屏蔽的效果。這些問(wèn)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(hào)地間的處理

USB外殼地和信號(hào)地之間串接1M電阻，并且還接一個(gè)0.01uf的電容到信號(hào)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(hào)地；

2.迫使板子上電流是流入內(nèi)部的信號(hào)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(hào)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(duì)USB進(jìn)行ESD防護(hù)

2.對(duì)USB外殼地和信號(hào)地的處理：有2種方案：

第一種：USB外殼地和信號(hào)地之間串接1M電阻，并且還接一個(gè)0.01uf的電容到信號(hào)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(hào)地；2.迫使板子上電流是流入內(nèi)部的信號(hào)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(hào)地直接接上磁珠

對(duì)于這2種方案可采用兼容設(shè)計(jì)來(lái)驗(yàn)證

3.對(duì)于USB2.0的PCB布線，需要考慮以下原則：

1.?差分線對(duì)要保持線長(zhǎng)匹配，否則會(huì)導(dǎo)致時(shí)序偏移、降低信號(hào)質(zhì)量以及增加EMI；

2.差分線對(duì)之間的間距要保持小于10mm，并增大它們與其它信號(hào)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(guò)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(hào)線之間的耦合會(huì)影響信號(hào)線的外在阻抗，必須采用終端電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)差分傳輸線的最佳匹配；

5.盡量減少過(guò)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(lái)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)
?

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(méi)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(hào)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(duì)此進(jìn)行分析

當(dāng)USB2.0接口采用高速差動(dòng)信號(hào)傳輸方式時(shí)，由于接地層與電源層的信號(hào)搖擺，放射噪聲會(huì)有所增加。因此，為避免串?dāng)_并保證信號(hào)的完整性，消除將要混入高速信號(hào)中的共模噪聲是電磁兼容設(shè)計(jì)的必要對(duì)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(duì)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(guò)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(guò)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(duì)差分信號(hào)不會(huì)造成影響，主要是針對(duì)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(duì)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(hào)波形惡化，甚至出現(xiàn)位錯(cuò)誤。因此在差分線對(duì)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(duì)波形的影響不大

對(duì)于USB2.0的PCB布線，需要考慮以下原則：

1.?差分線對(duì)要保持線長(zhǎng)匹配，否則會(huì)導(dǎo)致時(shí)序偏移、降低信號(hào)質(zhì)量以及增加EMI；

2.差分線對(duì)之間的間距要保持小于10mm，并增大它們與其它信號(hào)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(guò)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(hào)線之間的耦合會(huì)影響信號(hào)線的外在阻抗，必須采用終端電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)差分傳輸線的最佳匹配；

5.盡量減少過(guò)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(lái)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?cè)谧遀SB2.0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(qǐng)教一下：
（1）這么連接據(jù)說(shuō)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(méi)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(hào)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(guò)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(wèn)題，按道理TVS管是接PGND來(lái)泄放靜電，若5V的信號(hào)加TVS管，對(duì)GND是選型鉗位電壓5V的TVS，那么對(duì)PGND該怎樣選型？信號(hào)線對(duì)PGND是沒(méi)有工作壓差的。（GND和PGND無(wú)連接）

來(lái)看看熱心網(wǎng)友是如何作答的？

wjzx111056：TVS管不管是接信號(hào)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(duì)于數(shù)據(jù)/信號(hào)頻率越高的回路，二極管的電容對(duì)電路的干擾越大，形成噪聲或衰減信號(hào)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(guò)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(guò)二極管被引開(kāi)，避開(kāi)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(guò)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(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響。另外我以前見(jiàn)過(guò)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(lái)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(méi)有，但是要注意TVS的選型。

acute1110：TVS一般做內(nèi)部信號(hào)的防護(hù)接GND。如果接PGND，那么所有對(duì)PGND的干擾通過(guò)TVS進(jìn)入系統(tǒng)，除非你的信號(hào)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(duì)于差模信號(hào)，接GND是最好的，共模信號(hào)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(duì)pcb其他部分2次放電。

原則是，不要讓放電回路經(jīng)過(guò)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(guò)電容連接。即保證了信號(hào)地和系統(tǒng)地的直流電位隔離，又保證了信號(hào)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(píng)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(lái)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(lái)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(jué)得USB外殼處理應(yīng)該是為了解決ESD和EMI問(wèn)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(lái)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(hào)回路的作用。
1，如果從ESD及信號(hào)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(guò)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(guò)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(hào)回路的性能為代價(jià)的。

這位大牛說(shuō)得實(shí)在太好了，漲姿勢(shì)了。
還有幾個(gè)疑問(wèn)：
1.大牛說(shuō)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(jiàn)過(guò)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(kāi)，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(lái)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(shuō)的EMI也不屬于EMC的情況。那么此時(shí)通過(guò)USB殼體接磁珠到地應(yīng)該無(wú)法解決問(wèn)題吧？

不敢號(hào)稱大牛，還差的遠(yuǎn)，只是樂(lè)于交流而已。
1，您說(shuō)的那種產(chǎn)品我沒(méi)做過(guò)，不過(guò)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(duì)與主板GND來(lái)說(shuō)），起到的效果會(huì)更好。
2，這個(gè)問(wèn)題很復(fù)雜，有幾個(gè)方向：第一是信號(hào)驅(qū)動(dòng)源，480M信號(hào)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(méi)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(guò)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(qǐng)多多指教。
你上面提到USB外殼還起到信號(hào)回流的作用，是指USB數(shù)據(jù)線上的共模信號(hào)會(huì)沿著屏蔽層通過(guò)USB殼體到PCB的地吧？所以如果輻射信號(hào)是從USB數(shù)據(jù)線出來(lái)的那么加了磁珠會(huì)導(dǎo)致共模信號(hào)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?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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