增强现实可穿戴设备ESD保护的5个重要注意事项

力特奥维斯Littelfuse 2020-09-18

本文将讨论保护可穿戴设备及其用户的先进电路保护技术和电路板布局策略。在设计过程中尽早应用这五项建议将有助于当今的电路设计人员提高其可穿戴技术设计的性能、安全性和可靠性,并有助于构建更可靠的物联网生态系统。


在那些戴视力矫正眼镜的人习惯于通过镜片看世界。新技术将使虚拟世界可以叠层在我们通常看到的真实世界之上。镜片将成为显示器,使我们能够看到叠加了信息和图像的“真实”世界,从而创建了增强现实(AR)。举个例子,导航被集成到AR眼镜中,以允许用户使用逐段指示(视觉或口头指示)在城镇中穿行,以帮助他们轻松到达目的地。其它的例子包括面部识别、健身跟踪、第一人称照片和视频,以及健康感知和旅行应用程序(图1)。


图1:显示飞机航班信息的增强现实(AR)眼镜


可穿戴ESD注意事项:TVS二极管的选择和配置因素


01

小尺寸

当今的ESD二极管以小巧的外形为增强现实应用提供了各种性能优势(图2和图3)。以下有关ESD二极管技术选择和配置的建议将帮助设计工程师优化其未来的电路设计。


02

选择单向或双向二极管

ESD二极管有单向或双向配置。单向二极管通常用于直流电路,包括按钮和键盘,以及数字电路。双向二极管用于交流电路,它可以包括负分量超过-0.7V的任何信号。这些电路包括音频、模拟视频、传统数据端口和射频接口。


图2:随着可穿戴设备中使用的复杂芯片组变得越来越小,所需的集成电路面积和电路保护器件的外形尺寸也必须做得很小


图3:诸如Littelfuse的SP1020之类的产品以非常节省空间的01005封装提供了强大的ESD保护,非常适合AR眼镜等可用电路板空间很小的应用


设计工程师应尽可能选择单向二极管配置,以改善抗负电压ESD冲击的性能。在这些冲击期间,钳位电压将基于二极管的正向偏置,通常小于1.0V。双向二极管配置在负向冲击期间提供基于反向击穿电压的钳位电压,该电压高于单向二极管的正向偏置电压。因此,单向配置可以在负瞬态期间显著降低系统上的压力。


03

确定二极管位置

大多数电路不需要在每个集成电路针脚上安装板级ESD二极管。但是,设计人员应确定哪些针脚可能会暴露于应用外部用户产生的ESD事件。如果用户可以触碰到通信/控制线,则它可能会成为ESD进入集成电路的途径。典型的电路包括USB、音频、按钮、开关、射频天线和其它数据总线。添加这些分立器件将占用电路板空间,因此减小其尺寸至0201或01005大小非常重要。对于某些可穿戴应用来说,力特还提供了可节省空间的多通道阵列。一般建议将ESD器件放置在尽可能靠近ESD入口点的位置,通常是连接器或I / O口。


04

考虑“ESD”走线的布线

为了用ESD二极管保护集成电路的针脚,从I / O到地的走线布线有几个主要因素需要考虑。与雷电瞬变不同,ESD不会长时间释放大量电流。为了有效地处理静电放电,必须尽快将被保护电路中的电荷转移到ESD元件上。从I / O线到ESD元件以及从ESD元件到电源地的走线长度是最重要的因素,而不是走线宽度。走线的长度应尽可能短,以限制寄生电感。该电感将导致电感过冲,产生一个短暂的电压尖峰;如果余线足够长,这个脉冲电压有可能达到数百伏。最新开发的封装包括μDFN和晶圆级芯片规模封装(WLCSP),这些封装方式非常适合数据通道,从而完全消除了余线可能引起的ESD防护需求。


05

了解HBM(人体模型)、机器模型(MM)和充电设备模型(CDM)的定义



HBM,MM和CDM几种测试模型,用于表征运行便携式设备或可穿戴设备(包括处理器,存储器和ASIC)集成电路的ESD耐受等级。半导体供应商使用它们来确保制造过程中电路的坚固性。当前的趋势是半导体供应商在降低这些测试的电压水平,这样可以节省芯片空间。此外,大多数电子设备制造商都提供了ESD防护措施,并在组装过程中采取了适当的对策。


图4:包括SP3522系列在内的低电容双向离散式TVS二极管阵列在存在交流信号时为高速数据线提供对称的ESD保护。它们还被设计用于消费电子产品,例如健身带、智能手表、智能手机、平板电脑和电子书阅读器


如果仅在装配期间提供ESD防护措施,那么一旦设备到达消费者手中,该设备就很容易在消费者环境中受到ESD损坏。如果电子设备没有内置适当的ESD保护,则在用户环境中将逐渐损坏或发生灾难性故障。为了保证客户满意并减少与ESD相关的现场故障,设计人员必须选择足够坚固的板级器件,以抵抗强烈的电应力,并提供最终用户产品所需的带宽和性能。在评估ESD保护设备时,需要考虑以下参数:

  • 动态电阻:定义二极管对从阻断器到电子能量管道的状态变化的电阻。该值显示二极管钳制ESD瞬变脉冲并将其转移到地的速度有多快。它有助于展示雪崩二极管如何有效地将超出的电压和电流传导到地。I-V或TLP曲线越垂直,雪崩二极管的效率就越高,表示的动态电阻也越低。

  • IEC 61000-4-2额定值:在设计和定型过程中经过测试和确认,该额定值反映了ESD二极管在不降低直流性能的情况下能够反复承受的能力。对于此参数,通常数值越大越好。越来越多的Littelfuse ESD二极管在接触放电条件下达到20kV和30kV,这通常会超过现场电子设备的行业标准,即标称为8kV空气放电。

  • DC(直流)性能:设计需要保护的电路时,有几个重要注意事项:

                 - 浪涌容限(8/20μs)

                 - 寄生电容

                 - 寄生电感

                 - 标称和最大漏电流

根据受保护接口的性能特征,方法会有所不同。


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