通过詹姆斯·科尔比Littelfuse
电路保护技术和电路板布局策略有助于提高安全性、可靠性和连接性。
可穿戴技术有一个不太可能出现在物联网头条上的缺点:人体在移动时会产生静电。这种静电可能会对为物联网应用提供动力的敏感电子设备造成潜在伤害。
为了理解这个问题，考虑人体模型(HBM)，这是一个用来描述集成电路对静电放电(ESD)损伤的敏感性的模型。最广泛使用的HBM定义是军事标准MIL-STD-883中定义的测试模型，方法3015.8，静电放电灵敏度分类。类似的国际HBM标准是JEDEC JS-001。在JS-001-2012和MIL-STD-883H中，带电人体是由一个100-pF电容和一个1.5-kΩ放电电阻模拟的。在测试过程中，电容器在250v到8kv的范围内充满电，然后通过1.5-kΩ电阻串联放电到被测设备。
由于可穿戴设备被设计成紧贴皮肤佩戴，它们会不断受到与用户密切互动所产生的静电的轰击。如果没有适当的保护，设备的传感器电路、电池充电接口、按钮或数据I/ o可能会被类似于HBM测试中产生的ESD级别破坏。如果可穿戴设备出现故障，将会影响整个网络的功能和可靠性。
先进的电路保护技术和电路板布局策略可以保护可穿戴设备及其用户。在设计过程的早期应用这些建议将有助于电路设计师提高其可穿戴技术设计的性能、安全性和可靠性，并有助于建立更可靠的物联网。
大防静电防护，小包装
设计可穿戴电路保护的一个问题是，可穿戴电子产品体积很小，而且越来越小。过去采用大封装的大二极管结构(如0603[占地约1.6 × 0.81 mm]和0402[占地约1.0 × 0.8601-mm])来防止ESD，实现低夹紧电压。但晶圆制造工艺和后端组件的稳步改进，使得在较小的外形系数下获得严格的ESD保护成为可能。例如，考虑Littelfuse的通用01005瞬态电压抑制(TVS)二极管。它的外形为0.45 × 0.24 mm，可承受30 kV接触放电(IEC 61000-4-2)。它的动态电阻值也小于1 Ω。
要了解为什么健壮的ESD保护很重要，请再次考虑HBM。它规定了从250v开始的测试水平，但大多数应用设计人员确保他们的设备至少满足IEC 61000-4-2测试标准的4级(8 kV触点，15 kV空气放电)。在许多便携式设备和可穿戴设备中，接触放电设计水平被提高到15或20千伏，有些公司甚至将其设置为30千伏。紧凑的ESD设备足够坚固，能够满足这些苛刻的条件。
采用现代ESD技术可以节省大量电路板空间。例如，电视二极管最常见的离散形式因子是SOD882封装，其外形为1.0 × 0.6 mm。移动到外形系数为0201 (0.6 × 0.3 mm)的设备只会占用30%的板面积。此外，与SOD882封装相比，具有01005外形(0.4 × 0.2 mm)的器件可以节省85%的空间。
尽管他们的小轮廓，今天的电视二极管设备性能良好，而不妥协ESD保护。事实上，具有小形状因子的离散半导体可以具有相同水平的ESD保护(30 kV接触放电)和夹紧性能(动态电阻< 1 Ω)，与其较大的对应产品(例如SOD323和SOD123)。然而，组件的小尺寸可能会带来制造挑战。在0.4 × 0.2 mm, 01005封装将需要精心设计的板处理，如焊锡垫和厚模板，以确保组件在回流焊过程中不会滑动或“墓碑”。
选择和配置
关于电视二极管技术的选择和配置的几个关键点将有助于设计工程师优化他们的可穿戴设计。
知道什么时候选择单向二极管和双向二极管。电视二极管有单向或双向(背对背)配置。单向二极管通常用于直流电路，包括按钮和开关，以及数字电路(低压差分信号)。双向二极管用于交流电路，其中可包括任何负分量大于-0.7 V的信号。这些电路包括音频、模拟视频、遗留数据端口和射频接口。
只要可能，设计工程师应该选择单向二极管配置，因为它们在负电压ESD事件中表现更好。在这些放电过程中，夹紧电压将基于二极管的正向偏置电压，这通常小于1.0 V。相反，双向二极管配置在负冲击期间提供基于反向击穿电压的夹紧电压，该电压高于单向二极管的正向偏压。因此，单向配置可以显著降低系统在负冲击时的应力。
明智的二极管。大多数可穿戴设计不需要电视二极管在PCB上的每个集成电路引脚。相反，设计人员应该确定哪些引脚暴露在应用程序的外部，在那里用户可能生成ESD事件。如果用户可以触摸通信/控制线，它可能成为ESD进入集成电路的路径。典型的容易以这种方式折衷的电路包括USB、音频、按钮/开关控制和其他信号线。添加这些离散的保护设备将占用板空间，因此重要的是要获得适合小0201或01005轮廓的设备。对于一些可穿戴应用，可以使用节省空间的多通道阵列。无论哪种包装风格，ESD抑制器都应该尽可能靠近ESD源。例如，USB端口的保护应该靠近USB连接器。
保持短的痕迹。在集成电路管脚的TVS二极管保护设计中，迹路布线是非常重要的。与闪电瞬变不同，ESD不会长时间释放大量电流。要处理ESD，重要的是要尽快将电荷从被保护的电路转移到ESD参考。
从信号线到ESD组件和从ESD组件到地面的迹线长度是最重要的因素，而不是迹线到地面的宽度。线路长度应尽量短，以限制寄生电感。这种电感将导致感应超调，这是一个短暂的电压峰值，可以达到数百伏特，如果存根痕迹足够长。最近的包开发包括µDFN轮廓直接适合数据通道，以消除存根痕迹的需要。
理解HBM、机器模型(MM)和带电设备模型(CDM)的定义。除了HBM之外，MM和CDM是用来表征ic运行的便携式设备或可穿戴设备抗静电性能的测试模型。许多半导体制造商认为MM已经过时了。它倾向于根据健壮性和产生的故障模式来跟踪HBM，尽管一些生产商仍然使用它。清洁发展机制是HBM的另一种选择。CDM不是模拟人与集成电路之间的相互作用，而是模拟集成电路沿着轨道或管道滑下，然后接触接地表面。根据CDM分类的设备暴露在给定电压水平的电荷下，然后测试其生存能力。如果设备还能正常工作，就会进行下一级别的测试，以此类推，直到失败。CDM由JEDEC在JESD22-C101E中标准化。
包括处理器、内存和ASIC在内的芯片都具有上述一种或多种型号的特征。半导体供应商使用该模型来确保电路在制造过程中的稳健性。目前的趋势是供应商降低电压测试水平，因为这样做节省模具空间，因为大多数供应商坚持优秀的内部ESD政策。
严格的ESD策略有利于供应商，因为它允许较低的片上ESD保护，但电路设计师最终得到的芯片对应用程序级ESD很敏感，必须防止由于现场级或用户诱导的ESD而失效。设计人员必须选择一种保护装置，能够防止增强的电气应力，同时夹紧电压足够低，以保护高灵敏度的集成电路。
在评估静电防护设备时，应考虑以下参数:
1.动态电阻:这个值是衡量二极管箝位和将ESD瞬态转移到地面的良好程度。它有助于确定二极管在开关打开后的低电阻。动态电阻越低越好。
2.IEC 61000-4-2评级:TVS二极管供应商通过增加ESD电压来确定这个值，直到二极管失效。失效点表征了二极管的鲁棒性。对于该参数，值越高越好。越来越多的Littelfuse电视二极管可以达到高达20和30 kV的接触放电，这远远超过了IEC 61000-4-2的最高水平(level 4 = 8 kV接触放电)。
随着可穿戴设备市场的持续增长，对电路保护的需求也在不断增长。事实上，在设计过程的早期考虑ESD保护和适当的板布局实践比以往任何时候都更重要。电路保护装置，如电视二极管，可以帮助保护可穿戴设备内部的敏感集成电路，维护物联网生态系统的价值主张。
参考文献
Littelfuse
www.littelfuse.com
了下:电力电子的技巧，无线
