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

腦-機(jī)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(diǎn)，未來五年預(yù)計這個市場將以35%的複合年增長率成長。鑒於設(shè)備的互聯(lián)互通，穿戴式裝置行業(yè)的快速增長正在影響技術(shù)發(fā)展的其他方面，包括物聯(lián)網(wǎng)（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(jī)或平板電腦才能向使用者提供資料。這些智慧手機(jī)和平板電腦稱為整個物聯(lián)網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)或連接用戶住宅、辦公室和汽車的設(shè)備。

穿戴式裝置整合到物聯(lián)網(wǎng)空間對保護(hù)電子元件和需要維持IoT連接的電路提出了更高的技術(shù)要求。由於穿戴式裝置設(shè)計成可以貼身使用，它們持續(xù)受到因?yàn)榕c用戶近距離相互作用而產(chǎn)生的靜電轟擊。如果沒有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，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(shè)備也會失效—直接威脅整個網(wǎng)路的可靠性。

本文將討論保護(hù)穿戴式裝置及其使用者的先進(jìn)電路保護(hù)技術(shù)和電路板佈局策略。儘早在設(shè)計過程中運(yùn)用這些建議將表明電路設(shè)計者們提高其可穿戴技術(shù)設(shè)計的性能、安全性和可靠性，並有助於建構(gòu)更加可靠的物聯(lián)網(wǎng)。

用小物理尺寸實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的ESD保護(hù)

為穿戴式裝置提供電路保護(hù)的挑戰(zhàn)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(shè)備性能提出了越來越高的要求。過去，需要大結(jié)構(gòu)二極體和大封裝尺寸（如0603和0402）來實(shí)現(xiàn)出色的ESD性能和更低的鉗位元電壓。隨著晶元製造技術(shù)和後端元件的穩(wěn)定提高，現(xiàn)在已經(jīng)可以用更小的物理尺寸實(shí)現(xiàn)十分堅固的ESD保護(hù)。例如，Littelfuse的通用01005瞬態(tài)抑制（TVS）二極體能耐受30 kV接觸放電（IEC 61000-4-2）。而其動態(tài)阻值也只有不到1?。

ESD保護(hù)為何如此重要？雖然現(xiàn)代積體電路的人體放電模型（HBM）測試水準(zhǔn)能達(dá)到2,000V，但大部分應(yīng)用設(shè)計人員保證其設(shè)備至少達(dá)到IEC 61000-4-2測試標(biāo)準(zhǔn)的4級水準(zhǔn)（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(shí)例中，接觸放電水準(zhǔn)被提高到15或20 kV，部分公司甚至高達(dá)30 kV。這種配置確保小型ESD器件的可靠性足以應(yīng)付長期運(yùn)行的苛刻條件。

運(yùn)用現(xiàn)代ESD技術(shù)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(shù)是外形尺寸為1.0mm x 0.6mm的SOD882封裝。形狀係數(shù)改為0201（0.6mm x 0.3mm）之後，設(shè)計人員可以節(jié)省大約70%的電路板面積。此外，與SOD882封裝相比，改為01005後，節(jié)約水準(zhǔn)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(hù)性能絲毫沒有降低。實(shí)際上，小尺寸離散半導(dǎo)體能達(dá)到與大尺寸器件（如SOD323和SOD123）相同的ESD堅固水準(zhǔn)（接觸放電電壓30 kV）和低鉗位元性能（動態(tài)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(qū)域上，01005封裝需要合理地設(shè)計電路板處理（如焊盤和厚範(fàn)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(diǎn)的可穿戴應(yīng)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(shè)計工程師優(yōu)化他們的未來可穿戴設(shè)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(guān)）和數(shù)位電路中使用。雙向二極體則在包含負(fù)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(tǒng)資料埠和RF介面。

設(shè)計人員應(yīng)盡可能選擇單向二極體配置，因?yàn)樗鼈冊谪?fù)電壓ESD衝擊中的性能已經(jīng)得以提高。負(fù)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(fù)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(fù)電壓衝擊期間對系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力。

確定二極體位置

大部分可穿戴設(shè)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(shè)計人員應(yīng)該確定哪些引腳暴露在可能發(fā)生用戶產(chǎn)生的ESD事件的應(yīng)用之外。如果使用者能觸及通訊/控制線路，這可能成為ESD進(jìn)入積體電路的一個途徑。典型電路包括USB、按鈕/開關(guān)控制和其他資料匯流排。由於添加這些離散設(shè)備需要佔(zhàn)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(yīng)用來說，可採用節(jié)省空間的多通道陣列。

考慮走線長度

為了用TVS二極體保護(hù)積體電路引腳，有幾個關(guān)鍵的走線佈線（從I/O到地）考慮。與雷電暫態(tài)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(hù)的電路轉(zhuǎn)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(yīng)該越短越好。寄生電感會導(dǎo)致感應(yīng)超調(diào)，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(dá)到數(shù)百伏特。近期的封裝技術(shù)進(jìn)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(jī)器放電模型（MM）和帶電設(shè)備模型（CDM）的定義。

HBM、MM和CDM是描述運(yùn)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(yàn)?zāi)Ｐ汀０雽?dǎo)體供應(yīng)商也用這些模型確保製造過程中電路的堅固性。對於供應(yīng)商來說，當(dāng)前趨勢是降低電壓測試水準(zhǔn)，因?yàn)檫@樣能節(jié)省晶片空間，也因?yàn)榇蟛糠止?yīng)商遵守出色的內(nèi)部ESD政策。

雖然嚴(yán)格的ESD政策使供應(yīng)商受益，但應(yīng)用設(shè)計人員還是以對應(yīng)用級ESD十分敏感的晶片作為結(jié)束，但決不允許因?yàn)楝F(xiàn)場級ESD或用戶致ESD而失效。要做到這點(diǎn)，設(shè)計人員選擇的板級器件不僅能阻止靜電應(yīng)力增強(qiáng)，還能提供足夠低的鉗位元電壓，保護(hù)高度敏感的積體電路。評價ESD保護(hù)器件時應(yīng)考慮以下參數(shù)：

1. 動態(tài)電阻

這個參數(shù)描述的是二極體鉗制並將ESD暫態(tài)對地轉(zhuǎn)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(tài)電阻越低越好。

2. IEC 61000-4-2評級

TVS二極體供應(yīng)商確定該參數(shù)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(shù)的值越高越好。越來越多的Littelfuse TVS二極體能達(dá)到20 kV乃至30 kV的接觸放電電壓，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過IEC 61000-4-2規(guī)定的最高水準(zhǔn)（4級水準(zhǔn)的接觸放電電壓為8 kV）。

結(jié)論

隨著可穿戴市場的繼續(xù)成長和新設(shè)備的不斷開發(fā)，電路保護(hù)需求也在日益增長。事實(shí)上，為了保證應(yīng)用安全和可靠性，在設(shè)計過程的早期考慮ESD保護(hù)和適當(dāng)?shù)碾娐钒鍋丫直纫酝魏螘r候都顯得更加重要。諸如TVS二極體這樣的小型電路保護(hù)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(yīng)用體驗(yàn)。為穿戴式裝置內(nèi)部的敏感積體電路設(shè)計適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)是維護(hù)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)價值主張的基礎(chǔ)。

（ 本文作者James Colby現(xiàn)擔(dān)任Littelfuse公司半導(dǎo)體業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理）