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可穿戴设备与物联网(IoT):电路保护连接揭秘

发布时间:2018-06-10 01:08:00 文章来源:未来智库    
    可穿戴设备集成到物联网空间对保护电子元件和需要维持IoT连接的电路提出了更高的技术要求。由于可穿戴设备设计成可以贴身使用,它们持续受到因为与用户近距离相互作用而产生的静电轰击。如果没有适当的保护,可穿戴设备的传感器电路、电池充电接口、按钮或数据输入/输出端口有可能被静电放电(ESD)损坏。一旦可穿戴设备失效,与它们连接的设备也会失效――直接威胁整个网络的可靠性。
    本文将讨论保护可穿戴设备及其用户的先进电路保护技术和电路板布局策略。尽早在设计过程中运用这些建议将帮助电路设计者们提高其可穿戴技术设计的性能、安全性和可靠性,并有助于构建更加可靠的物联网。
    用小物理尺寸实现稳健的ESD保护
    为可穿戴设备提供电路保护的挑战在于一方面(人们要求)可穿戴设备的尺寸越来越小,而另一方面又对设备性能提出了越来越高的要求。过去,需要大结构二极管和大封装尺寸(如0603和0402)来实现出色的ESD性能和更低的钳位电压。随着晶元制造工艺和后端组件的稳定提高,现在已经可以用更小的物理尺寸实现十分坚固的ESD保护。例如,Littelfuse的通用01005瞬态抑制(TVS)二极管能耐受30kV接触放电(IEC 6100042)。而其动态阻值也只有不到lQ。
    ESD保护为何如此重要?虽然现代集成电路的人体放电模型(HBM)测试水平能达到2,OOOV,但大部分应用设计人员保证其设备至少达到IEC61000-4-2测试标准的4级水平(接触电压8kV,空气放电电压15kV)。在各种便携式和可穿戴设备实例中,接触放电水平被提高到15或20kV,部分公司甚至高达30kV。这种配置确保小型ESD器件的可靠性足以应付长期运行的苛刻条件。
    运用现代ESD技术可以大大缩小电路板面积。比如,TVS=极管最常见的离散形状系数是外形尺寸为l.Omm×0.6mm的SOD882封装。形状系数改为0201(0.6mm×0.3mm)之后,设计人员可以节省大约70%的电路板面积。此外,与SOD882封装相比,改为01005后,节约水平更提高到逾85%。
    尽管可穿戴设备的尺寸不断缩小,但TVS=极管器件的ESD保护性能丝毫没有降低。实际上,小尺寸离散半导体能达到与大尺寸器件(如SOD323和SOD123)相同的ESD坚固水平(接触放电电压30kV)和低钳位性能(动态电阻<1Ω)。然而,小尺寸器件存在制造难度大的问题。在0.4mm×0.2mm的区域上,01005封装需要合理地设计电路板处理(如焊盘和厚模板),保证回流焊过程中器件不会滑动或“墓碑”。
    TVS二极管的选型和配置因素
    正如前面所讨论的那样,今天的TVS=极管能为以小尺寸为特点的可穿戴应用带来各种性能好处。以下针对TVS=极管选型和配置的建议将帮助设计工程师优化他们的未来可穿戴设计。
    选择单向还是双向二极管。TVS二极管有单向和双向两种配置。单向二极管一般在直流电路(包括按钮和开关)和数字电路中使用。双向二极管则在包含负分量大于0.7V的任何信号的交流电路中使用。这些电路包括音频、模拟视频、传统数据端口和RF接口。
    设计人员应尽可能选择单向二极管配置,因为它们在负电压ESD冲击中的性能已经得以提高。负电压ESD冲击期间,钳位电压将基于二极管的正向偏压(一般小于1.OV)。双向二极管配置在负电压冲击期间提供的钳位电压基于反向击穿电压,比单向二极管的正向偏压高。因此,单向配置能大大减小负电压冲击期间对系统产生的压力。
    确定二极管位置。大部分可穿戴设计不需要在每个集成电路引脚上都使用板级TVS=极管。相反,设计人员应该确定哪些引脚暴露在可能发生用户产生的ESD事件的应用之外。如果用户能触及通讯/控制线路,这可能成为ESD进入集成电路的一个途径。典型电路包括USB、按钮/开关控制和其他数据总线。由于添加这些离散设备需要占用电路板空间,因此必须按照0201或01005轮廓缩小它们的尺寸。对某些可穿戴应用来说,可采用节省空间的多通道阵列。
    考虑走线长度。为了用TVS=极管保护集成电路引脚,有几个关键的走线布线(从I/O到地)考虑。与雷电暂态不同,ESD不会长时间释放出大量电流。
    处理ESD时,尽快把电荷从受保护的电路转移到ESD参考十分重要。首要因素是从I/O线到ESD器件和从ESD器件到地的走线长度,而非到地的走线宽度。为了限制寄生电感,走线长度应该越短越好。寄生电感会导致感应超调,这是一种短促的电压尖峰,如果桩线够长的话,这个电压尖峰可能达到数百伏特。近期的封装技术进步包括能直接装在数据车道上的μDFN轮廓,这样桩线就不再需要了。
    理解人体放电模型(HBM)、机器放电模型(MM)和带电设备模型(CDM)的定义。HBM、MM和CDM是描述运行便携设备或可穿戴设备的集成电路(包括处理器、内存和ASIC)ESD坚固性的试验模型。半导体供应商也用这些模型确保制造过程中电路的坚固性。对于供应商来说,当前趋势是降低电压测试水平,因为这样能节省晶片空间,也因为大部分供应商遵守出色的内部ESD政策。
    虽然严格的ESD政策使供应商受益,但应用设计人员还是以对应用级ESD十分敏感的芯片作为结束,但决不允许因为现场级ESD或用户致ESD而失效。要做到这点,设计人员选择的板级器件不仅能阻止静电应力增强,还能提供足够低的钳位电压,保护高度敏感的集成电路。评价ESD保护器件时应考虑以下参数:
    1 动态电阻:这个参数描述的是二极管钳制并将ESD暂态对地转移的程度。它能帮助确定在二极管打开后其电阻会低到什么程度。动态电阻越低越好。
    2 IEC
    61000-4-2评级:TVS二极管供应商确定该参数值的方法是增大ESD电压,直到二极管失效,它描述的是二极管的坚固性。这个参数的值越高越好。越来越多的LittelfuseTVS二极管能达到20kV乃至30kV的接触放电电压,这远远超过IEC 61000-4-2规定的最高水平(4级水平的接触放电电压为8kV)。
    结论
    随着可穿戴市场的继续成长和新设备的不断开发,电路保护需求也在日益增长。事实上,为了保证应用安全和可靠性,在设计过程的早期考虑ESD保护和适当的电路板布局比以往任何时候都显得更加重要。诸如TVS二极管这样的小型电路保护器件将有效防止ESD破坏可穿戴设备,给用户带来可靠的应用体验。为可穿戴设备内部的敏感集成电路设计适当的保护是维护物联网生态系统价值主张的基础。
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