¿Cuál es el propósito de la protección de entrada en USB (o en absoluto)?

Olvídate de USB por un momento, porque estos dispositivos son útiles en muchas más aplicaciones que solo USB. Primero, los diodos en sus primeros dos ejemplos no suelen ser diodos genéricos de señal o zener. Por lo general, son diodos supresores de voltaje transitorio (TVS) diseñados específicamente.

Los diodos TVS vienen en todos los sabores diferentes, pero hay tres parámetros clave. En primer lugar, la tensión máxima de retroceso inverso. Esta es la tensión de trabajo. Para USB, querrás estar muy cerca de 5V. Lo siguiente que querrá mirar es el voltaje de sujeción. Una vez más, alrededor de 5V para USB. Por lo general, la corriente de fuga aumenta significativamente a medida que la tensión de sujeción se acerca a la tensión de retroceso inversa. Sea consciente de eso en caso de que importe en su aplicación. El último parámetro clave es el pico de corriente inversa. Asegúrate de que pueda manejar el estándar contra el que vas a probar.

Hay una cosa más a tener en cuenta al colocar diodos TVS en líneas de señal de alta velocidad (es decir, USB, HDMI, Ethernet, etc.). Asegúrese de que el diodo TVS sea de baja capacitancia. Existen muchos diodos y matrices adecuados para este propósito y tendrán capacidades cercanas a 0.2pF.

Voy a pasar directamente a tu segundo ejemplo, ya que estamos hablando de USB aquí. El esquema que se muestra sería apropiado si los diodos que se muestran se fijan alrededor de 5 V y están probando diodos TVS. Los diodos zener regulares no son lo suficientemente rápidos para la protección contra ESD.

En su último ejemplo, pregunta si el nodo superior está conectado a Vbus y de acuerdo con el dispositivo hoja de datos , no lo es. Si ocurriera un evento ESD positivo en alguna de las líneas de señal, ese TVS lo sujetaría. El Vbus TVS tiene un voltaje de sujeción más alto para el riel de alimentación.

Has preguntado,

Again, if all of this is mounted on a PCB, why might a sudden static discharge occur
and where might it originate?

El problema potencial es la descarga electrostática (ESD) que se origina desde fuera de la PCB y proviene del conector USB. Un usuario puede llevar un producto a través de una alfombra u otro generador de ESD, y tocar el conector USB con el dedo. Incluso si hay un cable enchufado en el conector USB, pueden tocar el conector en el otro extremo del cable y pasar a través de USB.

Esto es cierto no solo para los conectores USB, sino también para cualquier conector que salga de un producto, incluso el conector de alimentación.

Cuando diseñamos un producto para la venta y lo probamos en EMI / EMC (Interferencia Electromagnética y Compatibilidad), la empresa de pruebas inyecta breves picos de baja corriente de 8,000 V (8 kV) en cada uno de los conectores y luego las pruebas que el dispositivo todavía funciona correctamente. Los dispositivos que se muestran en sus esquemas están diseñados para proteger contra descargas de este nivel o superior. Sin la protección contra ESD, es probable que el dispositivo no pase esta prueba.

¿Por qué obtener la certificación UL, que puede costar miles de dólares en un laboratorio de pruebas? ¿Es un requisito legal? No, pero muchos minoristas como Walmart no llevarán productos electrónicos a menos que tengan una etiqueta UL. En Europa, el equivalente es la marca CE.