USB屏蔽。接地还是不接地？

我得到了一个正在工作的设备来进行一些测试。基本上，一个集成电路已经过时了，因此我需要测试一个替换零件。重做ESD检查后，设备出现故障。

我检查了设备的历史，之前通过ESD时遇到了问题。测试设备有一条记录，说明该设备完全是金属的（不锈钢外壳），只需要通过4kV的接触放电即可（我在英国）。显然，它几次失败，直到在USB屏蔽层和地面之间添加了一个电容器/电阻器，并且引入了一个小的金属接线片，以增加PCB地面与金属外壳之间的接触。然后，这显然允许它通过。

继续前进5年，我正在重做测试。每次我以+ 4kV进行接触放电测试时，该设备都会丢失其内存（这是一个数据记录设备），并且需要恢复出厂设置并重新开始记录才能再次工作。我使用以前的IC重新检查了一些旧的，发现这也失败了。看来这是一个间歇性问题（某些设备在10个测试中通过了3个，其他设备在10个测试中都没有通过，等等），所以在我看来，之前通过ESD测试很可能是a幸。

我尝试了很多事情，我将额外的电容器与将USB屏蔽层接地的电流并联（不同的值，高/低），将电阻器更改为不同的值（较高/较低的电阻），并尝试了铁氧体磁珠。并联，用铁氧体磁珠代替电阻/电容器，正如我在某些地方所建议的那样，但还是失败了。我要让它通过的唯一方法是直接将USB屏蔽层接地。

在网上看，我似乎找不到任何地方明确说明您是否应该将USB屏蔽接地。这个讨论这里有不同的看法，这这里也有它的讨论。该链接提到屏蔽层仅应在主机上接地，而没有设备应将屏蔽层接地。... 该文档说屏蔽层应连接到机箱。然而，在图12中，似乎表明USB屏蔽层应连接到GND平面。

对此似乎有很多不同的看法，所以我不确定下一步该怎么做。屏蔽层接地可以使其通过ESD，但这是否应该做？还是应该继续寻找更好的解决方案？如果是这样，什么是好的解决方案。

更多信息：

• PCB非常不规则，并且空间狭窄，使得USB连接器附近的接地层很小。
• 我不允许对此进行任何机械设计的更改。我只是想找到一种易于实施的解决方案，不需要重新设计PCB或产品，因此提出的建议毫无意义。
• 这是一个工作设备，因此不允许显示原理图，因此请不要提出。USB输入电路基于以下设计：
• 共模扼流圈，铁氧体和TVS二极管保护已经在设计中。
• 我不是原始设计工程师。他们不再为公司工作，所以我找不到他们做出设计选择的理由
• 设备是USB 2.0
• 单元在-4kV处通过测试，仅在+ 4kV处通过失败

更多信息

注释中所需的更多信息将在此处添加。

• 安迪（aka）：我可以向您展示很多：

  

我能显示的实际PCB就是：

您会看到接地平面在USB插座旁边停了下来。大孔是USB屏蔽的凸耳与PCB机械连接的地方。R1然后将屏蔽层连接到GND，而电容器C3在另一连接上也进行同样的操作。屏蔽层通过100k res / 100nF电容接地。PCB上装有一个金属卡舌，该卡舌位于金属机箱上。根据旧的ESD报告，这是必需的，否则设备将发生故障。据我所知，除了该示例电路之外，这些都是唯一可以防止ESD的东西。

针对评论中的问题：

• 在USB屏蔽层上进行接触放电ESD测试时会发生故障（其他所有方面都很好，只是USB屏蔽层发生了故障）
• 在设备正在记录时进行测试。它没有通过USB连接到任何设备。
• 我尝试了0R链接到GND而不是电阻器/电容器解决方案，但这仍然失败。当我直接从USB屏蔽线到机箱（连接到PCB GND）添加电线链接时，此问题已解决。我相信这是因为PCB设计。USB侧附近的接地层很小（约12mm x 15mm）。但是底盘很大。这是我无法改变的。
• 机箱到PCB的GND选项卡的位置在子PCB上，该选项卡的走线距离为30th。（是的，我知道这听起来很奇怪，但是空间限制太荒谬了，这不是我的设计！）

最佳实践

首先，个人而言（有点像警察），在设计中，我始终通过一个0R电阻接地，以便可以更改决定。这几乎适用于任何屏蔽（以太网，USB等）

可能出现的主要问题是屏蔽层的两端都接地，并且两端在0V上不一致。这可能会导致两端损坏，因为电流会流到不应流的地方（如果屏蔽路径为0.2ohms，并且电压差为1V，则不应流向的电流为5A）

您可能会想为什么会发生这种情况？但是，请考虑将笔记本电脑通过USB连接到电源供电的设备的情况。笔记本电脑只能使用电池供电（没有真实的接地参考），但是设备已连接到电源，因此可能具有真实的0V接地参考。

因此，解决方案是仅在一端连接，但在哪一端达成协议。

通常，将期望USB主机设备提供电源，而从设备通常完全由总线供电，并且与外界的任何其他设备（例如USB记忆棒，WiFi加密狗等）都没有连接。通常，USB主机应将屏蔽层接地（如果可能，则接地）。这就是通常期望主机侧将屏蔽层接地的原因。

人们之间存在很多相互矛盾的评论，不同的经历也清楚地表明，要始终坚持这一观点并不安全，因此，正如我首先提到的那样，请添加选项以轻松更改它。

在这个情况下

在聊天中讨论了此问题之后，提出的解决方案有所不同。由于这是一个有关ESD的问题，因此它既麻烦又复杂，涉及设计的许多方面（电气，机械，系统）。聊天室可供所有人查看，但有一些重要的地方：

• 除了通过USB连接到PC /笔记本电脑之外，此数据记录器没有其他连接
• 数据记录器有一个金属底盘，该底盘与PCB板接地相连。
• 当USB屏蔽未直接连接到PCB板接地时（例如，通过R || C或HiZ连接），数据记录器将发生故障（丢失存储器内容）。
• 在ESD测试中，未连接USB电缆（或另一端悬空）。
• OP不是设计作者，并且为解决此问题而进行设计更改的范围非常有限。

我想这个问题很可能与PCB布局有关。ESD浪涌正在从屏蔽层经过敏感的电子设备，最后到达机箱。通过将屏蔽层用电线直接连接到机箱，ESD浪涌路径可到达机箱而无需靠近PCB，因此避免了该问题。

在这种情况下，因为数据记录器没有与任何其他设备的其他连接；不会发生潜在的问题（双关语）。因此，我建议将屏蔽层连接到机箱。可以通过电线或更方便生产的方法在连接器周围使用ESD垫圈，该垫圈是一种海绵状导电材料，无需手动焊接即可进行连接，并且不会将底盘牢固地固定在板上。

在更理想的环境中，我将重新旋转板，以便将机箱与PCB板接地隔离，并将机箱连接至屏蔽层。这意味着ESD浪涌根本不可能到达敏感的电子设备。除非您在USB连接器上戳一下数据引脚是有趣的-在这种情况下，数据线上的ESD二极管会提供到机箱接地而不是PCB板接地的路径。

您需要检查整个设计中的大电流路径，并且设计必须提供单独的屏蔽网，以避免ESD放电流经信号地，这会产生“地弹”并破坏功能。这不是一件容易的事。通过在信号接地和屏蔽之间建立简单的牢固连接，您可能会遇到EMI问题并无法获得EMI认证。有关更多详细信息，您可能需要查看有关如何平衡USB屏蔽的两个矛盾要求的主题。

考虑到您告诉我们的有关该设备的信息：

• 电池供电
• 通常未连接到USB
• 测量期间没有与外部传感器或设备的连接
• 除机箱和USB
  防护罩外，没有任何可触及的金属零件。

只需将机箱连接到USB防护罩即可。

先前的答案指出了环路电流（电路与市电之间的两个不同GND路径）的问题，但是由于您使用的是浮动电池供电的设备，因此这不是问题。

如果要进行实验，可以尝试移除屏蔽层和GND之间的电阻/电容。另外，您可能希望使用较小的NP0 C0G ESD电容器，100nF电容器具有X7R电介质，因此不太适合此类任务。

GND到Shield的连接显然很弱，并且不在USB连接器附近。因此，将屏蔽层短接至GND会使瞬变传播通过PCB，直到其碰到机箱凸耳为止。

我认为这里的问题是原始设计者将USB屏蔽层放在信号走线的下面。击穿ESD喷枪会使屏蔽层“跳变”，从而与附近的走线和组件发生电容耦合。现在，信号和VBUS迹线被拉高到GND，因此受到保护。但是，在直接耦合GND时，这些走线会变为具有CMC和铁氧体-因此，当GND瞬态持续不减弱时，这些走线可能会抑制这些导线中的瞬态。

注意，这只是猜测。

我有两种解决方案：

解决方案A
用可能的最大电容器（微型法拉，而不是纳米法拉）替换C3。
如果这不起作用，那么

解决方案B
1）卸下添加的电阻器和电容器（R1和C3），
2）断开此连接器的接地，
3）将屏蔽接线片（R1 C3节点）上的导线焊接到此连接器的地上，另一端焊接到对面连接器的PCB接地片。

这些说明的最终结果是将PCB接地层与USB屏蔽隔离。这样，当打开USB屏蔽时，ESD将绕过PSB并接地。