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【技术】可穿戴设备和物联网的电路保护连接

导读: 先进电路保护技术和电路板布局策略能保护可穿戴设备及其使用者。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。

电路保护技术和电路板布局策略有助于提高安全性、可靠性和连通性。可穿戴技术存在一个不可能出现在物联网新闻标题中的弱点:人体在移动时产生静电。静电可能损坏支撑物联网应用的敏感电子设备。

为了理解这个问题,我们从人体放电模型(HBM)开始,应用于描述集成电路对静电放电(ESD)破坏的敏感性。使用最普遍的HBM概念是军用标准MIL-STD-883、方法3015.8、静电放电灵敏度分类中定义的试验模型。相似的国际HBM标准是JEDEC JS-001。无论在JEDEC JS-001还是在MIL-STD-883中,都用100pF电容器和1.5kΩ放电电阻器模拟带电人体。测试中,电容器在250V到8kV的电压范围内完全充电,然后通过与受试器件串联的1.5kΩ电阻器放电。

由于可穿戴设备设计为可以贴身使用,它们持续受到因为与用户近距离相互作用而产生的静电冲击。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/输出端口有可能被与HBM试验中产生的相似的程度静电放电(ESD)损坏。一旦可穿戴设备失效,整个网络的功能和可靠性也会受到影响。

先进电路保护技术和电路板布局策略能保护可穿戴设备及其使用者。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。

封装尺寸虽小,但ESD保护作用不小

可穿戴设备电路保护的一个设计挑战是可穿戴设备的尺寸越来越小。过去,需要大结构二极管和大封装尺寸(如

可穿戴设备和物联网的电路保护连接

图1 TVS二极管两种结构

可穿戴设备和物联网的电路保护连接

图2 IEC 61000-4-2评级

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冲击事件中的表现更好。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1.0V)。反之,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。

合理确定二极管位置。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二极管。相反,设计人员应该确定哪些引脚暴露在可能发生用户可能产生ESD事件的。如果用户能接触通讯/控制线路,这可能成为ESD进入集成电路的一个途径。倾向于存在这种途径的典型电路包括USB、按钮/开关控制和其他数据总线。由于添加这些分立器件设备需要占用电路板空间,因此需要能装入0201或

01005封装的器件。对某些可穿戴应用来说,可采用节省空间的多通道阵列。无论采用什么封装类型,ESD抑制器的位置要尽量靠近ESD源。比如,USB端口的保护应靠近USB连接器。

缩短走线长度。走线布线在针对集成电路引脚的TVS二极管保护设计中非常重要。与雷电瞬态不同,ESD不会长时间释放出大量电流。处理ESD时,一定要尽快把电荷从受保护的电路转移到ESD参考点。

首要因素是从信号线到ESD器件和从ESD器件到地的走线长度,而非地的走线宽度。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过压,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。

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