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USB的EMI和ESD设计

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saservice|  楼主 | 2024-8-25 17:44 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
USB外壳和信号地之间通常的做法是串联一个100K-1M电阻,并且并联一个0.01uF电容再接到信号地。这样一个阻容网络做法的原因是:
  1、将影响外壳的噪声消除,不影响信号地;
  2、迫使板子上电流是流入内部的信号地,而不是流到外壳。
  3、USB接口外壳在主机端是与主机数字地相连,用作屏蔽,在终端处不能和其任何地直接相连,需通过100k-1M电阻与其数字地相连,并且电阻要并联0.01uF电容。具体原因是防止主机端的静电干扰,同时还能旁路高频干扰,使数据线屏蔽层起到作用。
  静电的电荷集聚在物体的表面,一旦遇到可以释放的回路就可以形成电流。有时候产生的电压非常高,特别是在干燥的环境里。电子产品的外壳地就是用来快速地将电荷释放到大地。所以外壳地不应当与信号地直接连接,否则静电产生的电流就会进入机箱内部,并耦合到IC的引脚上,很多时候会造成系统死机,严重的会打坏IC。当然,信号地最终还是要连到外壳地的,但这是通过螺钉、金属垫片或加电阻/电感这些方式。所以大部分的静电流通过外壳释放,只有很小一部分进入系统内部,不会造成损坏。所以这样的处理是综合了EMI的滤波和ESD的隔离这两方面的因素。
需要说明的是USB对ESD并没有1394那么敏感,因为USB的输出电压是5V,电流500mA,而1394的输出电压是12V,电流1500mA。对于以下几种情况,建议最好加上阻容网络:前面板的USB插座;PCI插卡上的USB插座;外置的USB集线器(包括USB键盘上的)。
小结:
总的来说主要是为了防止静电对模块板子的损坏及做到电磁兼容等方面故考虑这些。而且在正规的产品试验中还得有静电测试,这个环节中如果添加了阻容的话效果能更好些,当然外壳得安全接地。
目前自己的模块中添加了一个10MOHM或者1MOHM的电阻,封装大概在0805,因为我的模块体积有点要求。电容一般也选用贴片的高压陶瓷电容,如果可以的话最好选用带引脚的,个头大安全些,毕竟安全生产最主要,哈哈。
电容可以考虑0.01uF或者1000pF,或者这之间的都可以,具体得看设计需要,以及试验的效果。网上搜索了一下,最小的封装好像也得1808了,不过最好还是上中发去狂搜一下,毕竟是实物!
在补一句:模块周围最好以一圈的外壳链接铺铜,且跟链接端子相同。
我的板子上使用了1M欧姆的电阻并联0.01uf的电容,但是还是有USB断开的情况,未做ESD测试,这一直让人揪心是什么原因。 另电脑机箱的USB接口外壳和OV直接连接,
是否无法达到屏蔽的效果。这些问题还需要探究.
  参考Jlink V8的原理图设计。用图8.1所示USB电路:
  
USB接口外壳地和信号地间的处理
USB外壳地和信号地之间串接1M电阻,并且还接一个0.01uf的电容到信号地,能否将一下这样处理的原理和目的:
1.将影响外壳的噪音滤除,不影响信号地;
2.迫使板子上电流是流入内部的信号地,而不是流到外壳。


USB的EMI和ESD设计

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沙发
gygp| | 2024-10-7 12:29 | 只看该作者
在USB信号线上添加滤波器,如LC滤波器或RC滤波器,以减少信号线上的高频噪声。

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板凳
kkzz| | 2024-10-7 16:02 | 只看该作者
在 USB 接口附近添加共模电感。共模电感对共模信号(两根信号线相对于参考平面同时同向变化的信号)呈现高阻抗,能够有效抑制共模电磁干扰。共模电感的电感值根据 USB 的工作频率和抑制要求选择,一般在几毫亨到几十毫亨之间。

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地板
jonas222| | 2024-10-7 21:43 | 只看该作者
将ESD保护元件尽可能地靠近USB连接器放置,以减少ESD事件对内部电路的影响。
确保USB信号线在PCB上的走线尽可能短,以减少ESD路径。

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5
gygp| | 2024-10-8 10:18 | 只看该作者
在 USB 接口的 D +、D -、VBus(电源)和 GND(地)引脚附近放置 TVS 二极管。TVS 二极管具有响应速度快、箝位电压低的特点,当 USB 接口遭受静电放电时,TVS 二极管能够迅速导通,将过高的电压箝位在一个安全的范围内,从而保护 USB 接口电路免受 ESD 损害。TVS 二极管的选型要根据 USB 的工作电压、信号速率和 ESD 防护等级要求来确定。

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6
uptown| | 2024-10-8 12:45 | 只看该作者
使用地平面设计,以提供稳定的参考平面和低阻抗路径。

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7
deliahouse887| | 2024-10-8 14:35 | 只看该作者
将 ESD 防护器件尽可能靠近 USB 接口引脚放置。这样可以减少 ESD 脉冲在 PCB 上的传播路径,降低线路电感对防护效果的影响。例如,TVS 二极管应直接连接在 USB 接口的相应引脚与地之间,避免中间有过长的走线或其他元件的干扰。

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8
biechedan| | 2024-10-8 18:48 | 只看该作者
在USB电源线上添加滤波器,如铁氧体磁珠或LC滤波器,以抑制高频噪声。

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9
tifmill| | 2024-10-8 19:06 | 只看该作者
USB 采用差分信号传输(D + 和 D -),在 PCB 布局时,要严格按照差分对布线规则。差分对的两根线应尽可能靠近,并且保持长度相等,以减少信号传输过程中的差分 skew(偏斜)。一般来说,差分对之间的间距要小于或等于两倍的线宽,这样可以增强差分信号的抗干扰能力,减少电磁辐射。

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10
abotomson| | 2024-10-9 21:20 | 只看该作者
USB接口的外壳地应通过100k-1M电阻与其数字地相连,并且电阻要并联0.01uF电容,以滤除噪音。

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11
juliestephen| | 2024-10-11 20:58 | 只看该作者
在PCB设计中,USB差分信号线应尽可能短,避免形成环路,以减少辐射发射。

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12
saservice|  楼主 | 2024-10-11 21:10 | 只看该作者
在数据电源线和地线上分别串联一个阻抗为120欧姆、额定电流为2A的磁珠,如PZ2012U121-2R0。磁珠可以帮助减少接地层与电源层的信号摇摆,从而降低放射噪声。

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13
sheflynn| | 2024-10-11 21:23 | 只看该作者
使用具有内置ESD保护功能的USB连接器。
在PCB上为USB接口设计保护电路,包括TVS二极管和旁路电容。

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14
usysm| | 2024-10-11 21:37 | 只看该作者
将USB相关电路放置在PCB的内部区域,远离边缘,以减少辐射。
避免在USB信号线上使用锐角或急剧的走线变化。

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15
robertesth| | 2024-10-11 21:50 | 只看该作者
在USB信号线上串联TVS二极管或硅控整流器(SCR),以保护信号线免受ESD冲击。
在VBUS和GND之间放置压敏电阻(MOV)或TVS二极管,以保护电源线。

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16
gygp| | 2024-10-11 22:05 | 只看该作者
差分线对之间的间距应保持在小于10mm,并尽量增大与其他信号线的间距。同时,应尽量减少过孔等可能引起线路不连续的因素。

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17
gygp| | 2024-10-14 08:41 | 只看该作者
在USB信号线的两端添加适当的终端匹配电阻,以减少信号反射和提高信号完整性。

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18
bartonalfred| | 2024-10-15 16:48 | 只看该作者
通过上述设计,可以将静电产生的高电压限制在一定范围内,避免直接损坏敏感的电子组件。此外,这种设计还能旁路高频干扰,增强数据线的屏蔽效果。

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19
rosemoore| | 2024-10-15 19:33 | 只看该作者
为了抑制差模干扰(两根信号线之间的差分信号变化),可以在 USB 接口电路中添加差模电感或差模电容。差模电感对差模信号呈现一定的阻抗,差模电容则将差模信号中的高频成分旁路到地。差模滤波元件的参数选择要根据 USB 的信号特性和电磁兼容标准来确定。

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20
gygp| | 2024-10-16 09:02 | 只看该作者
压敏电阻器应尽量靠近USB接口放置,以减少引线电感的影响。

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