仅仅十年前，用意念控制电子设备即便有可能做到，似乎离我们还很遥远。但是如今，脑-机介面已成为正在开发的最有前景、最激励人心的可穿戴技术之一。凭借先进的头戴式耳机，人们能够通过思考来控制应用程式。比如，这种技术可以帮助瘫痪者通过思维控制自己的轮椅或通讯设备，从而大大提高他们的自理能力和生活品质。

脑-机介面只是全球可穿戴式装置市场的一个缩影，按照Business Insider的观点，未来五年预计这个市场将以35%的复合年增长率成长。鉴于设备的互联互通，穿戴式装置行业的快速增长正在影响技术发展的其他方面，包括物联网（IoT）。大部分的穿戴式装置，包括健身手表和智慧眼镜，必须连接智慧手机或平板电脑才能向使用者提供资料。这些智慧手机和平板电脑称为整个物联网上的节点或连接用户住宅、办公室和汽车的设备。

穿戴式装置整合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。由于穿戴式装置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，穿戴式装置的感测器电路、电池充电介面、按钮或资料登录/输出埠有可能被静电放电（ESD）损坏。一旦穿戴式装置失效，与它们连接的设备也会失效—直接威胁整个网路的可靠性。

本文将讨论保护穿戴式装置及其使用者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表明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，并有助于建构更加可靠的物联网。

用小物理尺寸实现稳健的ESD保护

为穿戴式装置提供电路保护的挑战在于一方面（人们要求）穿戴式装置的尺寸越来越小，而另一方面又对设备性能提出了越来越高的要求。过去，需要大结构二极体和大封装尺寸（如0603和0402）来实现出色的ESD性能和更低的钳位元电压。随着晶元制造技术和后端元件的稳定提高，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）二极体能耐受30 kV接触放电（IEC 61000-4-2）。而其动态阻值也只有不到1?。

ESD保护为何如此重要？虽然现代积体电路的人体放电模型（HBM）测试水准能达到2,000V，但大部分应用设计人员保证其设备至少达到IEC 61000-4-2测试标准的4级水准（接触电压8 kV，空气放电电压15 kV）。在各种可?式和穿戴式装置实例中，接触放电水准被提高到15或20 kV，部分公司甚至高达30 kV。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二极体最常见的离散形状系数是外形尺寸为1.0mm x 0.6mm的SOD882封装。形状系数改为0201（0.6mm x 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，节约水准更提高到逾85%。

尽管穿戴式装置的尺寸不断缩小，但TVS二极体器件的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坚固水准（接触放电电压30 kV）和低钳位元性能（动态电阻

TVS二极体的选型和配置因素

正如前面所讨论的那样，今天的TVS二极体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二极体选型和配置的建议将?明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体

TVS二极体有单向和双向两种配置。单向二极体一般在直流电路（包括按钮和开关）和数位电路中使用。双向二极体则在包含负分量大于-0.7V的任何信号的交流电路中使用。这些电路包括音讯、类比视频、传统资料埠和RF介面。

设计人员应尽可能选择单向二极体配置，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，钳位元电压将基于二极体的正向偏压（一般小于1.0V）。双向二极体配置在负电压冲击期间提供的钳位元电压基于反向击穿电压，比单向二极体的正向偏压高。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。

确定二极体位置

大部分可穿戴设计不需要在每个积体电路引脚上都使用板级TVS二极体。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。如果使用者能触及通讯/控制线路，这可能成为ESD进入积体电路的一个途径。典型电路包括USB、按钮/开关控制和其他资料汇流排。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二极体保护积体电路引脚，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，包括能直接装在资料车道上的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是描述运行可携式装置或穿戴式装置的积体电路（包括处理器、记忆体和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准，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十分敏感的晶片作为结束，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元电压，保护高度敏感的积体电路。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体钳制并将ESD暂态对地转移的程度。它能帮助确定在二极体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二极体供应商确定该参数值的方法是增大ESD电压，直到二极体失效，它描述的是二极体的坚固性。这个参数的值越高越好。越来越多的Littelfuse TVS二极体能达到20 kV乃至30 kV的接触放电电压，这远远超过IEC 61000-4-2规定的最高水准（4级水准的接触放电电压为8 kV）。

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二极体这样的小型电路保护器件将有效防止ESD破坏穿戴式装置，给使用者带来可靠的应用体验。为穿戴式装置内部的敏感积体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。

（ 本文作者James Colby现担任Littelfuse公司半导体业务发展经理）