增強現(xiàn)實可穿戴設備ESD保護的5個重要注意事項

如何使用最新的電路保護技術和電路板布局策略實現(xiàn)兼具安全性，可靠性和連接性的設計。

圖1.顯示飛機航班信息的增強現(xiàn)實（AR）眼鏡。

我們中那些戴視力矯正眼鏡的人習慣于通過鏡片看世界。 新技術將使虛擬世界可以疊層在我們通常看到的真實世界之上。 鏡片將成為顯示器，使我們能夠看到疊加了信息和圖像的“真實”世界，從而創(chuàng)建了增強現(xiàn)實（AR）。 舉個例子，導航被集成到AR眼鏡中，以允許用戶使用逐段指示（視覺或口頭指示）在城鎮(zhèn)中穿行，以幫助他們輕松到達目的地。 其它的例子包括面部識別，健身跟蹤，第一人稱照片和視頻，以及健康感知和旅行應用程序（圖1）。

本文將討論保護可穿戴設備及其用戶的先進電路保護技術和電路板布局策略。 在設計過程中盡早應用這五項建議將有助于當今的電路設計人員提高其可穿戴技術設計的性能、安全性和可靠性，并有助于構建更可靠的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。

圖2.隨著可穿戴設備中使用的復雜芯片組變得越來越小，所需的集成電路面積和電路保護器件的外形尺寸也必須做得很小。

可穿戴ESD注意事項：TVS二極管的選擇和配置因素

1.小尺寸

當今的ESD二極管以小巧的外形為增強現(xiàn)實應用提供了各種性能優(yōu)勢（圖2和3）。 以下有關ESD二極管技術選擇和配置的建議將幫助設計工程師優(yōu)化其未來的電路設計。

2.選擇單向或雙向二極管

ESD二極管有單向或雙向配置。單向二極管通常用于直流電路，包括按鈕和鍵盤，以及數(shù)字電路。雙向二極管用于交流電路，它可以包括負分量超過-0.7V的任何信號。這些電路包括音頻、模擬視頻、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)端口和射頻接口。

圖3.諸如Littelfuse的SP1020之類的產(chǎn)品以非常節(jié)省空間的01005封裝提供了強大的ESD保護，非常適合AR眼鏡等可用電路板空間很小的應用。

設計工程師應盡可能選擇單向二極管配置，以改善抗負電壓ESD沖擊的性能。 在這些沖擊期間，鉗位電壓將基于二極管的正向偏置，通常小于1.0V。 雙向二極管配置在負向沖擊期間提供基于反向擊穿電壓的鉗位電壓，該電壓高于單向二極管的正向偏置電壓。 因此，單向配置可以在負瞬態(tài)期間顯著降低系統(tǒng)上的壓力。

3.確定二極管位置

大多數(shù)電路不需要在每個集成電路針腳上安裝板級ESD二極管。 但是，設計人員應確定哪些針腳可能會暴露于應用外部用戶產(chǎn)生的ESD事件。如果用戶可以觸碰到通信/控制線，則它可能會成為ESD進入集成電路的途徑。 典型的電路包括USB，音頻，按鈕，開關，射頻天線和其它數(shù)據(jù)總線。添加這些分立器件將占用電路板空間，因此減小其尺寸至0201或01005大小非常重要。對于某些可穿戴應用來說，力特還提供了可節(jié)省空間的多通道陣列。一般建議將ESD器件放置在盡可能靠近ESD入口點的位置，通常是連接器或I / O口。

4.考慮“ ESD”走線的布線

為了用ESD二極管保護集成電路的針腳，從I / O到地的走線布線有幾個主要因素需要考慮。 與雷電瞬變不同，ESD不會長時間釋放大量電流。為了有效地處理靜電放電，必須盡快將被保護電路中的電荷轉移到ESD元件上。從I / O線到ESD元件以及從ESD元件到電源地的走線長度是最重要的因素，而不是走線寬度。 走線的長度應盡可能短，以限制寄生電感。 該電感將導致電感過沖，產(chǎn)生一個短暫的電壓尖峰；如果余線足夠長，這個脈沖電壓有可能達到數(shù)百伏。 最新開發(fā)的封裝包括μDFN和晶圓級芯片規(guī)模封裝（WLCSP），這些封裝方式非常適合數(shù)據(jù)通道，從而完全消除了余線可能引起的ESD防護需求。

5.了解HBM（人體模型），機器模型（MM）和充電設備模型（CDM）的定義

HBM，MM和CDM幾種測試模型，用于表征運行便攜式設備或可穿戴設備（包括處理器，存儲器和ASIC）集成電路的ESD耐受等級。 半導體供應商使用它們來確保制造過程中電路的堅固性。當前的趨勢是半導體供應商在降低這些測試的電壓水平，這樣可以節(jié)省芯片空間。 此外，大多數(shù)電子設備制造商都提供了ESD防護措施，并在組裝過程中采取了適當?shù)膶Σ摺?/p>

圖4.包括SP3522系列在內的低電容雙向離散式TVS二極管陣列在存在交流信號時為高速數(shù)據(jù)線提供對稱的ESD保護。 它們還被設計用于消費電子產(chǎn)品，例如健身帶，智能手表，智能手機，平板電腦和電子書閱讀器。

如果僅在裝配期間提供ESD防護措施，那么一旦設備到達消費者手中，該設備就很容易在消費者環(huán)境中受到ESD損壞。 如果電子設備沒有內置適當?shù)腅SD保護，則在用戶環(huán)境中將逐漸損壞或發(fā)生災難性故障。 為了保證客戶滿意并減少與ESD相關的現(xiàn)場故障，設計人員必須選擇足夠堅固的板級器件，以抵抗強烈的電應力，并提供最終用戶產(chǎn)品所需的帶寬和性能。 在評估ESD保護設備時，需要考慮以下參數(shù)：

·動態(tài)電阻：定義二極管對從阻斷器到電子能量管道的狀態(tài)變化的電阻。該值顯示二極管鉗制ESD瞬變脈沖并將其轉移到地的速度有多快。它有助于展示雪崩二極管如何有效地將超出的電壓和電流傳導到地。I-V或TLP曲線越垂直，雪崩二極管的效率就越高，表示的動態(tài)電阻也越低。

·IEC 61000-4-2額定值：在設計和定型過程中經(jīng)過測試和確認，該額定值反映了ESD二極管在不降低直流性能的情況下能夠反復承受的能力。對于此參數(shù)，通常數(shù)值越大越好。越來越多的Littelfuse ESD二極管在接觸放電條件下達到20kV和30kV，這通常會超過現(xiàn)場電子設備的行業(yè)標準，即標稱為8kV空氣放電。

·DC（直流）性能：設計需要保護的電路時，有幾個重要注意事項：

• 浪涌容限（8/20us）
• 寄生電容
• 寄生電感
• 標稱和最大漏電流

根據(jù)受保護接口的性能特征，方法會有所不同。

本文由美國伊利諾伊州芝加哥Littelfuse公司電子業(yè)務部全球市場經(jīng)理Todd Phillips撰寫。