增強現(xiàn)實可穿戴設(shè)備ESD保護(hù)的5個重要注意事項

如何使用最新的電路保護(hù)技術(shù)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(shè)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(xí)慣于通過鏡片看世界。新技術(shù)將使虛擬世界可以疊層在我們通?？吹降恼鎸嵤澜缰稀?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(dǎo)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(dá)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(yīng)用程序（圖1）。

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

圖2.隨著可穿戴設(shè)備中使用的復(fù)雜芯片組變得越來越小，所需的集成電路面積和電路保護(hù)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(dāng)今的ESD二極管以小巧的外形為增強現(xiàn)實應(yīng)用提供了各種性能優(yōu)勢（圖2和3）。以下有關(guān)ESD二極管技術(shù)選擇和配置的建議將幫助設(shè)計工程師優(yōu)化其未來的電路設(shè)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(fù)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(hù)，非常適合AR眼鏡等可用電路板空間很小的應(yīng)用。

設(shè)計工程師應(yīng)盡可能選擇單向二極管配置，以改善抗負(fù)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(fù)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(fù)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(shè)計人員應(yīng)確定哪些針腳可能會暴露于應(yīng)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(jìn)入集成電路的途徑。典型的電路包括USB，音頻，按鈕，開關(guān)，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(yīng)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(hù)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(hù)電路中的電荷轉(zhuǎn)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(yīng)盡可能短，以限制寄生電感。該電感將導(dǎo)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(dá)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(hù)需求。

5.了解HBM（人體模型），機器模型（MM）和充電設(shè)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(shè)備或可穿戴設(shè)備（包括處理器，存儲器和ASIC）集成電路的ESD耐受等級。半導(dǎo)體供應(yīng)商使用它們來確保制造過程中電路的堅固性。當(dāng)前的趨勢是半導(dǎo)體供應(yīng)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(shè)備制造商都提供了ESD防護(hù)措施，并在組裝過程中采取了適當(dāng)?shù)膶Σ摺?/p>

圖4.包括SP3522系列在內(nèi)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(hù)。它們還被設(shè)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(hù)措施，那么一旦設(shè)備到達(dá)消費者手中，該設(shè)備就很容易在消費者環(huán)境中受到ESD損壞。如果電子設(shè)備沒有內(nèi)置適當(dāng)?shù)腅SD保護(hù)，則在用戶環(huán)境中將逐漸損壞或發(fā)生災(zāi)難性故障。為了保證客戶滿意并減少與ESD相關(guān)的現(xiàn)場故障，設(shè)計人員必須選擇足夠堅固的板級器件，以抵抗強烈的電應(yīng)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(hù)設(shè)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(zhuǎn)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(dǎo)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(shè)計和定型過程中經(jīng)過測試和確認(rèn)，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(fù)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(dá)到20kV和30kV，這通常會超過現(xiàn)場電子設(shè)備的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即標(biāo)稱為8kV空氣放電。

·DC（直流）性能：設(shè)計需要保護(hù)的電路時，有幾個重要注意事項：