Dónde colocar la protección ESD en un puerto USB o conector

Una placa pasa todas las pruebas de banco. Luego alguien camina sobre una alfombra, toca la carcasa del USB, y el dispositivo se reinicia, pierde el enlace o nunca regresa. El esquemático tiene un diodo TVS en el conector, así que la protección «está ahí». Aun así falla.

Eso pasa más de lo que debería. La parte está en el esquemático, pero el layout decide si funciona. Esta nota cubre dónde va la protección, cómo se conecta a tierra y qué mantener fuera de su camino.

Lo que realmente hace la parte de protección

Un evento ESD en un conector es un pulso de muy alta velocidad y alta corriente. Un diodo TVS sujeta la línea a un voltaje seguro desviando ese pulso a tierra. El pulso tiene que llegar al diodo antes de llegar a cualquier otra cosa, y tiene que salir por una ruta de tierra de baja impedancia.

La mayor parte del problema es inductancia, no el diodo en sí. La guía de layout de TVS ESD de Texas Instruments lo dice sin rodeos: minimiza la inductancia entre la fuente de ESD y la ruta a tierra a través del TVS, y la inductancia entre el TVS y tierra es crítica. Cada milímetro de pista y cada vía agrega algo. Un pulso rápido a través de incluso un poco de inductancia produce un voltaje, y ese voltaje llega a lo que esté aguas abajo.

Así que un TVS con el voltaje de standoff correcto y un layout deficiente puede proteger mucho menos de lo que sugiere su hoja de datos. El número de la hoja de datos supone una buena conexión.

Colocación: el diodo va en el conector

La regla de la misma guía de TI: coloca el TVS lo más cerca del conector que permitan las reglas de diseño, con el circuito integrado protegido mucho más lejos del TVS que lo que el TVS está del conector. La sección de layout de la hoja de datos del TPD4E1U06 repite el punto para esa parte: la colocación óptima es lo más cerca posible del conector. La nota de protección USB 2.0 de Semtech dice lo mismo para D+, D− y VBUS.

De esto se desprenden tres hábitos.

Enruta a través del diodo, no de largo. La línea protegida debe ir de la almohadilla del conector directamente a la almohadilla del TVS. No hagas una derivación con un stub hacia el diodo. TI dice que se eviten los stubs entre el TVS y la línea protegida y que se enrute directamente de la fuente de ESD al TVS. Si la señal llega primero al MCU y el diodo cuelga de una rama, el pulso toma el camino más corto, que es hacia el MCU.

Mantén el cobre sin protección fuera de la zona. TI aconseja no enrutar circuitos sin protección en el área entre la fuente de ESD y el TVS. Un pulso del lado del conector radia. Una pista vecina que va a una entrada sensible lo captará, aunque el conductor real esté sujetado.

Evita vías y esquinas agudas en ese tramo corto. Donde una vía sea inevitable, TI dice que se vaya directamente de la fuente al TVS antes de cambiar de capa. Se prefieren las pistas rectas, y las esquinas deben ser redondeadas y no agudas, porque los campos se acumulan en las esquinas y aumentan el acoplamiento. La hoja de datos del TPD4E1U06 da el mismo consejo.

Conexión a tierra: donde la mayoría de las placas fallan

El pin de tierra del diodo es la mitad de la sujeción. La recomendación de TI es conectar la tierra del TVS directamente a un plano de tierra de la misma capa que tenga vías cercanas que lo unan a un plano de tierra interno adyacente, y usar vías de diámetro grande porque reducen la impedancia. También recomienda unir un tornillo del chasis a la tierra de la placa cerca del TVS y del conector, donde el gabinete lo permita.

Lo que eso significa en la práctica:

• Pon la vía a tierra en la almohadilla del TVS, no a unos milímetros de distancia al final de una pista delgada.
• Usa más de una vía donde la almohadilla lo permita.
• Dale al pulso un plano donde expandirse, no un cuello angosto.
• No pongas un elemento en serie en la ruta de retorno de ESD. Una ferrita o una pista de tierra larga y delgada entre la carcasa del conector y la tierra de la placa agrega exactamente la inductancia que intentas eliminar. Una ferrita está bien como filtro en una línea de alimentación o de señal. Es una mala opción como ruta para un pulso estático.

El manejo del blindaje y la carcasa es una decisión de diseño con compromisos. Conectar la carcasa directamente a tierra le da al pulso el camino más fácil. Algunos productos aíslan la carcasa mediante una red de resistencia y capacitor por razones de ruido o de seguridad. Elijas lo que elijas, decídelo a propósito y pruébalo. No lo heredes de un diseño de referencia sin leer por qué se hizo así.

Qué líneas necesitan protección

Para un puerto USB 2.0, la nota de Semtech enumera VBUS, D+ y D− como las líneas que hay que proteger. Son trabajos distintos:

• VBUS lleva alimentación, así que la sujeción tiene que soportar un riel de potencia. Elige una parte con un voltaje de trabajo por encima del voltaje más alto que el puerto pueda ver legítimamente. En un puerto USB-C que negocia voltajes más altos, consulta nuestra nota sobre la entrada USB-C Power Delivery antes de elegir un voltaje de standoff.
• D+ y D− llevan datos. Un diodo con demasiada capacitancia redondea los flancos y puede degradar la integridad de la señal. Los ejemplos de Semtech para este trabajo están especificados en el rango de un solo dígito bajo de picofaradios o menos, y esa cifra de capacitancia pertenece a la selección de la parte, no a un ajuste de último momento. Revisa la hoja de datos para la velocidad a la que realmente operas.
• CC, SBU y otros pines USB-C están expuestos al mismo evento. Si llegan al MCU o a un controlador PD, también necesitan atención. Revisa lo que afirma la hoja de datos del propio controlador sobre sus pines antes de suponer que se protege solo.

El mismo razonamiento aplica a cualquier conector expuesto: un botón, una entrada de sensor, una cabecera UART que termina en un panel, un conector Ethernet. Si una persona puede tocarlo, trátalo como un punto de entrada de ESD.

Por qué las fallas se ven raras

Los problemas de ESD rara vez se anuncian. Síntomas típicos:

• Un reinicio o brownout cuando se toca el conector. Nuestra nota sobre cómo encontrar por qué un dispositivo se reinicia en campo explica cómo distinguirlo de un problema de alimentación.
• Un enlace USB que se cae y requiere desconectar y volver a conectar.
• Un periférico que deja de responder hasta que se apaga y enciende, lo que apunta a un latch-up o a un estado corrupto, no a una falla limpia.
• Una parte que funciona por un tiempo y luego falla semanas después sin una causa evidente. El daño de un evento que se sobrevivió, pero no limpiamente, puede aparecer más tarde.

Son difíciles de reproducir, y por eso los ingenieros se atascan. Un dispositivo que sobrevive diez descargas todavía puede fallar en la decimoprimera porque el pulso llegó a un punto distinto de la carcasa.

Qué revisa una revisión cuidadosa

Cuando revisamos un diseño con un puerto expuesto, la lista de verificación es corta.

1. ¿La parte de protección es lo primero en la línea después de la almohadilla del conector, sin stub?
2. ¿Qué tan larga y qué tan ancha es la ruta de retorno a tierra desde el diodo hasta el plano, y cuántas vías la llevan?
3. ¿Hay alguna pista sin protección pasando por la zona entre el conector y el diodo?
4. ¿Hay algo en la ruta de tierra que agregue inductancia, como una ferrita, un cuello delgado o un plano dividido?
5. ¿El voltaje de trabajo y la capacitancia del diodo son los correctos para esta línea, según la hoja de datos?
6. ¿El gabinete le da a la descarga otro lugar adonde ir que no sea la electrónica?

Después necesita una prueba. La simulación no reemplaza descargar una placa real con una herramienta real en el conector real. Planea eso desde temprano en tus pruebas de cumplimiento, porque un cambio de layout después de una prueba fallida cuesta una vuelta de placa. Si tu producto se probará a un nivel de ESD para venderse en un mercado particular, averigua cuál es ese nivel antes de congelar el layout, no después.

Qué hacemos

Leemos el esquemático y el layout alrededor de cada conector expuesto, marcamos por dónde viajará el pulso y corregimos la colocación y la ruta a tierra en KiCad. Envíanos el esquemático, los archivos de la placa y una nota sobre qué conector falla y cómo, y te diremos qué cambiaríamos.

Fuentes: TI SLVA680A, guías de layout de diodos TVS ESD · Hoja de datos TI TPD4E1U06, layout · Semtech, protección ESD de interfaces USB 2.0