第八章 USB接口的ESD处理（外壳地和信号地的处理）
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
1.USB2.0的EMI和ESD设计
USB接口的传输速率很高，因此如何提高USB信号的传输质量、减小电磁干扰(EMI)和静电放电(ESD)成为USB设计的关键。由于USB接口具有可热插拔性，USB接口很容易因不可避免的人为因素而导致静电损坏器件，比如死机、烧板等。因此使用USB接口的用户迫切要求加入防ESD的保护器件。选用LM3526器件对USB进行ESD防护
2.对USB外壳地和信号地的处理：有2种方案：
第一种：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，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。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。
第二种：采用原有的的方案，USB外壳地和信号地直接接上磁珠
对于这2种方案可采用兼容设计来验证
3.对于USB2.0的PCB布线，需要考虑以下原则：
1. 差分线对要保持线长匹配，否则会导致时序偏移、降低信号质量以及增加EMI；
2.差分线对之间的间距要保持小于10mm，并增大它们与其它信号走线的间距；
3.差分走线要求在同一板层上，因为不同层之间的阻抗、过孔等差别会降低差模传输的效果而引入共模噪声；
4.差分信号线之间的耦合会影响信号线的外在阻抗，必须采用终端电阻实现对差分传输线的最佳匹配；
5.尽量减少过孔等会引起线路不连续的因素；
6.避免导致阻值不连续性的90度走线，可用圆弧或45度折线来代替；
参考资料：
1. http://www.ed-china.com/ART_8800009845_400004_500010_TS.HTM
2. uPD720102 Datasheet
USB2.0的EMI和ESD设计
提供双向、实时数据传输的USB接口，以其即插即用、可热插拔和价格低廉等优点，目前已成为计算机和信息电子产品连接外围设备的首选接口。时下流行的USB2.0具有高达480Mbps的传输速率，并与传输速率为12Mbps的全速USB1.1和传输速率为1.5Mbps的低速USB1.0完全兼容。这使得数字图像器、扫描仪、视频会议摄像机等消费类产品可以与计算机进行高速、高性能的数据传输。另外值得一提的是，USB2.0的加强版USB OTG可以实现没有主机时设备与设备之间的数据传输。例如。数码相机可以直接与打印机连接并打印照片，PDA可以与其它品牌的PDA进行数据传输或文件交换。
USB接口的传输速率很高，因此如何提高USB信号的传输质量、减小电磁干扰(EMI)和静电放电(ESD)成为USB设计的关键。本文以USB2.0为例，从电路设计和PCB设计两个方面对此进行分析
当USB2.0接口采用高速差动信号传输方式时，由于接地层与电源层的信号摇摆，放射噪声会有所增加。因此，为避免串扰并保证信号的完整性，消除将要混入高速信号中的共模噪声是电磁兼容设计的必要对策。在图1所示的电路中，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，而差分线对上则串联一个共模阻抗为90欧姆的共模扼流器。共模抗流器由两根导线同方向绕在磁芯材料上，当共模电流通过时，共模抗流器会因磁通量叠加而产生高阻抗；当差模电流通过时，共模抗流器因磁通量互相抵消而产生较小阻抗。以深圳顺络电子有限公司生产的共模抗流器SDCW2012-2-900为例，该器件在100MHz的差模阻抗仅为4.6欧姆。从图2所示的衰减特性也能看出共模扼流器对差分信号不会造成影响，主要是针对共模电流进行选择性的衰减
由于USB接口具有可热插拔性，USB接口很容易因不可避免的人为因素而导致静电损坏器件，比如死机、烧板等。因此使用USB接口的用户迫切要求加入防ESD的保护器件。在图3电路中，数据电源线、地线上各有一个工作电压为5.5V、电容为100pF的压敏电阻连到屏蔽地上。差分线对因数据传送速度高达480Mbps，则需要连接电容小于4pF的器件，因为较大的电容可导致数据信号波形恶化，甚至出现位错误。因此在差分线对上接入工作电压为18V、电容最大值为4pF的压敏电阻器。图4所示的电压波形也验证了电容为4pF的压敏电阻器(如深圳顺络电子有限公司生产的SDV1005H180C4R0GPT)对波形的影响不大
对于USB2.0的PCB布线，需要考虑以下原则：
1. 差分线对要保持线长匹配，否则会导致时序偏移、降低信号质量以及增加EMI；
2.差分线对之间的间距要保持小于10mm，并增大它们与其它信号走线的间距；
3.差分走线要求在同一板层上，因为不同层之间的阻抗、过孔等差别会降低差模传输的效果而引入共模噪声；
4.差分信号线之间的耦合会影响信号线的外在阻抗，必须采用终端电阻实现对差分传输线的最佳匹配；
5.尽量减少过孔等会引起线路不连续的因素；
6.避免导致阻值不连续性的90度走线，可用圆弧或45度折线来代替；
7.压敏电阻器的接地端要接入屏蔽地层，并放置在端口位置。
USB2.0的走线规则
我们在走USB2.0的走线时，已经有了N种规则：
1.线宽12MIL，线距6MIL的差分线。
2.线宽10MIL，线距10MIL的差分线。
3.线宽16MIL，线距8MIL的差分线。
PCB的地与机壳（连接大地）为什么用阻容连接？只用电容是否可以？
PCB板卡置于金属机壳中，机壳一般接大地。PCB的GND与机壳之间经常使用一个电容（0.01uF/1KV）并联一个电阻（1M）连接。请教一下：
（1）这么连接据说是为了做ESD保护，具体原理是什么？
（2）有些机器只用电容，没有1M电阻，两者有何区别？
讨论：TVS管该接信号地GND还是外壳地PGND？
在电子防护器材中运用最多的要数TVS管，通过合理放置TVS的位置、接地选择、寄生电感和回路区的处理，科学合理地进行PCB的布线以及TVS管的选择，使TVS的效能最佳化。今天我们要讨论的是TVS管接地的问题，按道理TVS管是接PGND来泄放静电，若5V的信号加TVS管，对GND是选型钳位电压5V的TVS，那么对PGND该怎样选型？信号线对PGND是没有工作压差的。（GND和PGND无连接）
来看看热心网友是如何作答的？
wjzx111056：TVS管不管是接信号地gnd还是外壳地pgnd，其选型都应该以下几点进行考虑：1. 最小击穿电压VBR 和击穿电流IR；2.最大反向漏电流ID 和额定反向关断电压VWM；3. 最大箝位电压VC 和最大峰值脉冲电流IPP；4. Pppm 额定脉冲功率；在给定的最大箝位电压下，功耗PM 越大，其浪涌电流的承受能力越大。在给定的功耗PM 下，箝位电压VC 越低，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。而且，TVS 所能承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0.01%。如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，有可能损坏TVS；5.电容量C，电容C对于数据/信号频率越高的回路，二极管的电容对电路的干扰越大，形成噪声或衰减信号强度。 由于TVS二极管在线路板上是与被保护线路并联，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS二极管便发生雪崩，提供给瞬时电流一个超低电阻通路，其结果是瞬时电流通过二极管被引开，避开被保护器件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动回复高阻状态，整个回路进入正常电压，所以应该就近泻放ESD 干扰，避免串入后续电路，可考虑先接GND再将GND与PGND同过磁珠进行连接。
lgdz：利用瞬态抑制元件(如TVS、MOV、气体放电管等)将危害性的瞬态能量旁路到大地，优点是成本较低，而且需要有一条良好的接地通道。
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上就不可避免的对信号产生影响。另外我以前见过一个帖子，好像是在PGND与GND之间加一个电容和一个电阻，来防止静电干扰。具体原因还不了解。
baobaozxc1234：一般是加到PGND，即大地，才能泄放；但是加到GND的效果也不是没有，但是要注意TVS的选型。
acute1110：TVS一般做内部信号的防护接GND。如果接PGND，那么所有对PGND的干扰通过TVS进入系统，除非你的信号隔离到外侧（一版是变压器和光耦）再做防护这时也不是用TVS而是GDT和压敏电阻。
sorryoffine：接pgnd还是gnd要看具体情况，大部分设计是不能直接连接pgnd的（如外壳绝缘要求）。具体分析如下，对于差模信号，接GND是最好的，共模信号只考虑2个重要的放途径，一是设备外壳和大地之间的分布电容（也可能直接连接大地），另一个是设备电源的分布电容（电池供电除外）。所以要TVS要先连接GND，GND和PGND使用高压电容连接，电容和tvs接地点的位置要尽量近，电容保证在GND和pGND高频条件下的阻抗要尽量小，避免外壳对pcb其他部分2次放电。
原则是，不要让放电回路经过电路板内部，减小外接电源分布电容。
ghost1325：之前公司做产品也是這么做的！产品外壳是铁壳，內部地和外壳並不直接连接，而是通过电容连接。即保证了信号地和系统地的直流电位隔离，又保证了信号地和系統地的交流等电位！
龙帝728：一般都会在PGND与GND之间加一个1000pF的电容。
从以上网友的评论中可以看出，TVS管接地，不管是接GND还是PGND是要看具体情况的，大部分设计师不能直接连接PGND的。一般的处理方法是在PGND于GND之间加一个电容或者一个电阻，来防止静电干扰。
用
USB的外壳如何处理？
大家来讨论下你们项目中的USB外壳是如何处理的？出于什么考虑？
我觉得USB外壳处理应该是为了解决ESD和EMI问题，经常看到不同产品有不同的处理方式，比如接磁珠到地，比如接电容到地，比如直接接地。
大家来发表下自己的看法吧
USB外壳是与线缆的屏蔽层连接的，作用是ESD/EMI/EMC，以及信号回路的作用。
1，如果从ESD及信号回路的角度考虑，个人认为直接接地是最好的选择。
2，如果从EMI的角度考虑加磁珠或者电容，那么应该是由于该产品主板GND不干净，会通过USB线向外辐射能量。
3，如果从EMC的角度考虑加磁珠或者电容，应该是该产品所处环境复杂或者USB线另一端的GND不好，空间电磁波成分很多，容易通过USB线耦合进产品的GND。
综合考虑的话，直接接地是最佳选择。如果因为产品自身性能差或者产品所处环境复杂需要滤波，磁珠或电容选型需要因产品而已，但是这种选择，在改善EMI和EMC的同时，是以牺牲ESD和信号回路的性能为代价的。
这位大牛说得实在太好了，涨姿势了。
还有几个疑问：
1.大牛说直接接地有助于ESD，应该是指可以很好将ESD能量导到地上去吧？我见过一些金属壳产品他们将USB外壳直接接金属壳，同时与PCB的地隔开，这是出于什么考虑呢？
2.USB差分线由于种种原因会产生共模噪声，在板子内部我们可以选择加共模扼流圈来抑制，但在USB数据线上如果不加磁环而屏蔽层又不给力，导致共模噪声从USB线上辐射出去。这种情况既不属于大牛所说的EMI也不属于EMC的情况。那么此时通过USB壳体接磁珠到地应该无法解决问题吧？
不敢号称大牛，还差的远，只是乐于交流而已。
1，您说的那种产品我没做过，不过像这种大型的设备，外部金属壳子都是直接与大地连通的，USB线的外壳与该金属壳接通，也就相当于与大地连通。个人认为，其实ESD/EMI/EMC这些概念，都是将能量消化或着隔断，将USB线连接金属外壳而不是主板GND，能获得更大的能量源（相对与主板GND来说），起到的效果会更好。
2，这个问题很复杂，有几个方向：第一是信号驱动源，480M信号的上升沿维持在1ns左右是合适的，如果太小，就会有更多的能量辐射，此时就需要减缓上升沿；第二是PCB走线，保证阻抗90欧姆且连续的同时，最好走在内层，确保PCB上没有辐射；第三就是USB线的质量了，如果辐射能量在主板GND上并通过USB辐射出去，那么壳体加磁珠也许有用，如果辐射能量在差分线上，那么加了磁珠后辐射也许会变得更严重。
谦虚了啊。以后还请多多指教。
你上面提到USB外壳还起到信号回流的作用，是指USB数据线上的共模信号会沿着屏蔽层通过USB壳体到PCB的地吧？所以如果辐射信号是从USB数据线出来的那么加了磁珠会导致共模信号回流路径阻抗变大，恶化EMI。这样理解是否正确呢？
是这个意思。
