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穿戴式裝置與物聯網:電路保護連接揭秘
 

【作者: James Colby】   2016年03月03日 星期四

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僅僅十年前,用意念控制電子設備即便有可能做到,似乎離我們還很遙遠。但是如今,腦-機介面已成為正在開發的最有前景、最激勵人心的可穿戴技術之一。憑藉先進的頭戴式耳機,人們能夠通過思考來控制應用程式。比如,這種技術可以幫助癱瘓者通過思維控制自己的輪椅或通訊設備,從而大大提高他們的自理能力和生活品質。


腦-機介面只是全球可穿戴式裝置市場的一個縮影,按照Business Insider的觀點,未來五年預計這個市場將以35%的複合年增長率成長。鑒於設備的互聯互通,穿戴式裝置行業的快速增長正在影響技術發展的其他方面,包括物聯網(IoT)。大部分的穿戴式裝置,包括健身手錶和智慧眼鏡,必須連接智慧手機或平板電腦才能向使用者提供資料。這些智慧手機和平板電腦稱為整個物聯網上的節點或連接用戶住宅、辦公室和汽車的設備。


穿戴式裝置整合到物聯網空間對保護電子元件和需要維持IoT連接的電路提出了更高的技術要求。由於穿戴式裝置設計成可以貼身使用,它們持續受到因為與用戶近距離相互作用而產生的靜電轟擊。如果沒有適當的保護,穿戴式裝置的感測器電路、電池充電介面、按鈕或資料登錄/輸出埠有可能被靜電放電(ESD)損壞。一旦穿戴式裝置失效,與它們連接的設備也會失效—直接威脅整個網路的可靠性。


本文將討論保護穿戴式裝置及其使用者的先進電路保護技術和電路板佈局策略。儘早在設計過程中運用這些建議將表明電路設計者們提高其可穿戴技術設計的性能、安全性和可靠性,並有助於建構更加可靠的物聯網。


用小物理尺寸實現穩健的ESD保護

為穿戴式裝置提供電路保護的挑戰在於一方面(人們要求)穿戴式裝置的尺寸越來越小,而另一方面又對設備性能提出了越來越高的要求。過去,需要大結構二極體和大封裝尺寸(如0603和0402)來實現出色的ESD性能和更低的鉗位元電壓。隨著晶元製造技術和後端元件的穩定提高,現在已經可以用更小的物理尺寸實現十分堅固的ESD保護。例如,Littelfuse的通用01005瞬態抑制(TVS)二極體能耐受30 kV接觸放電(IEC 61000-4-2)。而其動態阻值也只有不到1?。


ESD保護為何如此重要?雖然現代積體電路的人體放電模型(HBM)測試水準能達到2,000V,但大部分應用設計人員保證其設備至少達到IEC 61000-4-2測試標準的4級水準(接觸電壓8 kV,空氣放電電壓15 kV)。在各種可?式和穿戴式裝置實例中,接觸放電水準被提高到15或20 kV,部分公司甚至高達30 kV。這種配置確保小型ESD器件的可靠性足以應付長期運行的苛刻條件。


運用現代ESD技術可以大大縮小電路板面積。比如,TVS二極體最常見的離散形狀係數是外形尺寸為1.0mm x 0.6mm的SOD882封裝。形狀係數改為0201(0.6mm x 0.3mm)之後,設計人員可以節省大約70%的電路板面積。此外,與SOD882封裝相比,改為01005後,節約水準更提高到逾85%。


儘管穿戴式裝置的尺寸不斷縮小,但TVS二極體器件的ESD保護性能絲毫沒有降低。實際上,小尺寸離散半導體能達到與大尺寸器件(如SOD323和SOD123)相同的ESD堅固水準(接觸放電電壓30 kV)和低鉗位元性能(動態電阻< 1?)。然而,小尺寸器件存在製造難度大的問題。在0.4mm x 0.2mm的區域上,01005封裝需要合理地設計電路板處理(如焊盤和厚範本),保證回流焊過程中器件不會滑動或「墓碑」。


TVS二極體的選型和配置因素

正如前面所討論的那樣,今天的TVS二極體能為以小尺寸為特點的可穿戴應用帶來各種性能好處。以下針對TVS二極體選型和配置的建議將?明設計工程師優化他們的未來可穿戴設計。


選擇單向還是雙向二極體

TVS二極體有單向和雙向兩種配置。單向二極體一般在直流電路(包括按鈕和開關)和數位電路中使用。雙向二極體則在包含負分量大於-0.7V的任何信號的交流電路中使用。這些電路包括音訊、類比視頻、傳統資料埠和RF介面。


設計人員應盡可能選擇單向二極體配置,因為它們在負電壓ESD衝擊中的性能已經得以提高。負電壓ESD衝擊期間,鉗位元電壓將基於二極體的正向偏壓(一般小於1.0V)。雙向二極體配置在負電壓衝擊期間提供的鉗位元電壓基於反向擊穿電壓,比單向二極體的正向偏壓高。因此,單向配置能大大減小負電壓衝擊期間對系統產生的壓力。


確定二極體位置

大部分可穿戴設計不需要在每個積體電路引腳上都使用板級TVS二極體。相反,設計人員應該確定哪些引腳暴露在可能發生用戶產生的ESD事件的應用之外。如果使用者能觸及通訊/控制線路,這可能成為ESD進入積體電路的一個途徑。典型電路包括USB、按鈕/開關控制和其他資料匯流排。由於添加這些離散設備需要佔用電路板空間,因此必須按照0201或01005輪廓縮小它們的尺寸。對某些可穿戴應用來說,可採用節省空間的多通道陣列。


考慮走線長度

為了用TVS二極體保護積體電路引腳,有幾個關鍵的走線佈線(從I/O到地)考慮。與雷電暫態不同,ESD不會長時間釋放出大量電流。處理ESD時,儘快把電荷從受保護的電路轉移到ESD參考十分重要。首要因素是從I/O線到ESD器件和從ESD器件到地的走線長度,而非到地的走線寬度。為了限制寄生電感,走線長度應該越短越好。寄生電感會導致感應超調,這是一種短促的電壓尖峰,如果樁線夠長的話,這個電壓尖峰可能達到數百伏特。近期的封裝技術進步,包括能直接裝在資料車道上的μDFN輪廓,這樣樁線就不再需要了。


理解人體放電模型(HBM)、機器放電模型(MM)和帶電設備模型(CDM)的定義。

HBM、MM和CDM是描述運行可攜式裝置或穿戴式裝置的積體電路(包括處理器、記憶體和ASIC)ESD堅固性的試驗模型。半導體供應商也用這些模型確保製造過程中電路的堅固性。對於供應商來說,當前趨勢是降低電壓測試水準,因為這樣能節省晶片空間,也因為大部分供應商遵守出色的內部ESD政策。


雖然嚴格的ESD政策使供應商受益,但應用設計人員還是以對應用級ESD十分敏感的晶片作為結束,但決不允許因為現場級ESD或用戶致ESD而失效。要做到這點,設計人員選擇的板級器件不僅能阻止靜電應力增強,還能提供足夠低的鉗位元電壓,保護高度敏感的積體電路。評價ESD保護器件時應考慮以下參數:


1. 動態電阻

這個參數描述的是二極體鉗制並將ESD暫態對地轉移的程度。它能幫助確定在二極體打開後其電阻會低到什麼程度。動態電阻越低越好。


2. IEC 61000-4-2評級

TVS二極體供應商確定該參數值的方法是增大ESD電壓,直到二極體失效,它描述的是二極體的堅固性。這個參數的值越高越好。越來越多的Littelfuse TVS二極體能達到20 kV乃至30 kV的接觸放電電壓,這遠遠超過IEC 61000-4-2規定的最高水準(4級水準的接觸放電電壓為8 kV)。


結論

隨著可穿戴市場的繼續成長和新設備的不斷開發,電路保護需求也在日益增長。事實上,為了保證應用安全和可靠性,在設計過程的早期考慮ESD保護和適當的電路板佈局比以往任何時候都顯得更加重要。諸如TVS二極體這樣的小型電路保護器件將有效防止ESD破壞穿戴式裝置,給使用者帶來可靠的應用體驗。為穿戴式裝置內部的敏感積體電路設計適當的保護是維護物聯網生態系統價值主張的基礎。


( 本文作者James Colby現擔任Littelfuse公司半導體業務發展經理)


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