【应用】littelfuse瞬态电压抑制二极管和ESD保护器件为增强现实(AR)和物联网应用提供解决方案

对于那些戴眼镜矫正视力的人来说，我们习惯于通过镜片看世界。然而，新技术将允许虚拟世界建立在我们通常看到的真实世界之上。换句话说，这些镜头将成为显示屏，让我们能够看到叠加了信息和图像的“真实”世界，创建了一个增强现实(AR)。例如，将导航集成到AR眼镜中，允许用户使用路口指示(视觉或语言)在城镇中穿行，帮助他们轻松到达目的地。其它示例包括面部识别、健康跟踪、第一人称照片和视频，以及健康感知和旅游应用。

随着微处理器尺寸的不断减小和计算能力的反向增长，这些镜头现在有可能成为可以增强我们所看到的世界的显示器。预测前景确实是光明的。有预测表明，从现在到2024年，将增长约150%。为了获得广泛的市场认可，产品必须兑现技术的承诺，以增强我们对周围世界的感知，并在整个生命周期内保证质量和可靠性。

要将这些AR眼镜融入我们的生活以及更广阔的物联网世界，需要先进的技术来保护敏感的电子元件和电路，以维持功能和物联网连接。由于眼镜会戴在我们的脸上和皮肤上，因此会不断受到与使用者密切互动产生的静电的轰击。如果没有适当的保护，设备的传感器电路、电池充电接口、按钮或数据I/O端口可能会被静电放电(ESD)损坏。

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。在设计过程的早期应用这些建议，将有助于当今的电路设计人员提高可穿戴技术设计的性能、安全性和可靠性，并有助于建立一个更可靠的物联网生态系统。

外形小巧的强大的ESD保护

为可穿戴设备提供足够的电路保护也有其自身的挑战，因为需要继续缩小处理器、内存等，从而使AR眼镜有更多的计算能力。在过去需要大的二极管结构和大的封装尺寸(如0603和0402)来获得优异的ESD性能和低钳位电压。然而，随着晶片制造工艺和后端组件的不断改进，现在可以以小尺寸获得非常强大的ESD保护。例如，LITTELFUSE的通用01005封装瞬态电压抑制(TVS)二极管可以承受30kV的接触放电(IEC 61000-4-2)。它将强大的ESD性能封装到一个尺寸只有0.4mm x 0.2mm的包装中。

为什么强大的ESD保护如此重要?虽然现代集成电路的人体模型(HBM)规范中使用的测试级别可以达到2,000V，但大多数应用程序设计人员应确保他们的系统至少满足IEC 61000-4-2测试标准的第4级(8kV接触、15kV空气放电)。在许多便携式设备和可穿戴设备的示例中，接触放电级别已经提高到15kV或20kV，一些公司将其设置为30kV。这种处理器的生存能力和现场经验之间的“不匹配”，需要像Littelfuse提供的强大的ESD抑制技术来解决，以确保长期运行和可靠性。

选择和应用现代ESD技术可大大节省电路板面积。 例如，ESD二极管最常见的分立封装技术是SOD882封装，其外形尺寸为1.0 mm x 0.6 mm。 通过采用0201封装技术（0.6 mm x 0.3 mm），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，改成01005外形可节省85％以上的成本。

尽管减小了可穿戴设备的外形尺寸，但如今的ESD二极管仍能够在不降低ESD性能的情况夏提供出色的性能。 实际上，与较小的分立半导体（例如，SOD323和SOD123）相比，具有小尺寸的分立半导体可以具有相同水平的ESD鲁棒性（30kV接触放电）和低钳位性能（动态电阻<1Ω）。 然而，组件的小尺寸可能带来制造方面的挑战。01005封装的尺寸为0.4mm x 0.2mm时，将需要进行精心设计的电路板处理，比如焊盘和厚模板，以确保组件在回流焊过程中不会滑动或形成“翘立”。

TVS二极管的选择和配置

如前所述，如今的ESD二极管因小尺寸的优势，为增强现实应用提供了各种性能优势。 以下有关ESD二极管技术选择和结构的建议将有助于设计工程师优化其未来的电路设计。

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、键盘以及数字电路。 双向二极管用于交流电路，它可以包含负分量大于-0.7 V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(RF)接口。

设计工程师应尽可能选择单向二极管结构，因为这样会改善负电压ESD冲击期间的性能。在这些冲击期间，钳位电压将基于二极管的正向偏压(通常小于1.0 V)。双向二极管结构会在负向冲击期间提供基于反向击穿电压的钳位电压，该电压比单向二极管的正向偏压高。 因此，单向结构可以显著降低系统在负瞬态期间的压力。

确定二极管的位置。大多数电路不需要在每个集成电路(IC)的引脚上安装板级ESD二极管。相反，设计人员应确定哪些引脚暴露在可能发生用户产生的ESD事件的应用外部。如果用户可以触摸通信/控制线路，则可能会成为ESD进入集成电路的通道。典型的电路包括USB，音频，按钮/开关，射频(RF)天线和其他数据总线。逐步添加这些分立器件将占用电路板空间，因此减小其尺寸以适合0201或01005的轮廓非常重要。对于一些可穿戴应用，也有能够节省空间的多通道阵列可用。

考虑“ESD”布线。为了用ESD二极管保护集成电路(IC)的引脚，从I/O到地的布线有几个主要考虑因素。与雷电瞬态不同，ESD不会长时间释放大量电流。为了有效处理ESD，重要的是尽快将电荷从受保护的电路移至ESD参考。从I/O线到ESD组件以及从ESD组件到地的布线长度是最重要的因素，而不是到地的布线宽度。布线的长度应尽可能短，以限制寄生电感。这种电感会导致电感性过冲，这是一个短暂的电压尖峰，如果布线足够长，可以达到数百伏。最新的封装开发包括µDFN轮廓，这些轮廓适合直接用于数据通道，从而完全消除了对存根的需求。

了解HBM，机器模型(MM)和带电器件模型(CDM)的定义。HBM，MM和CDM是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)的集成电路的ESD鲁棒性的测试模型。半导体供应商使用它们来确保制造过程中电路的鲁棒性性。目前的趋势是供供应商降低电压测试水平，因为它可以节省芯片空间，并且大多数供应商都遵守出色的内部ESD策略。

尽管严格的ESD策略使供应商受益，但应用程序设计人员最终只能使用对应用程序级ESD非常敏感的芯片，但绝不能使它因为现场级或用户诱发的ESD而失效。为了取得成功，设计人员必须选择一种板级器件，该器件应具有足够的强度以抵抗强烈的电应力，同时又要提供足够低的钳位以保护高度敏感的集成电路。 在评估ESD保护装置时，请考虑以下参数：

1.动态电阻：该值是二极管钳位和将ESD瞬变接地的程度的度量。它有助于确定二极管导通后的电阻有多低。动态电阻值越低越好。

2. IEC 61000-4-2规定限值：ESD二极管供应商通过增加ESD电压直到二极管出现故障来确定该值，这表明了二极管的鲁棒性。对于此参数，值越高越好。越来越多Littelfuse ESD二极管可以达到20kV和30kV接触放电，远远超过了IEC 61000-4-2的最高水平（4级= 8kV接触放电）。

结论

VR眼镜这个新兴市场为消费者提供了许多有趣和有用的机会。 但是，如果眼镜无法承受佩戴者日常产生的静电瞬变的轰炸，那么所有这些惊人的功能将无法被识别。 因此，在设计过程的早期就考虑ESD保护和正确的电路板布局实践比以往任何时候都更加重要，以确保应用在使用寿命内可靠。 像ESD二极管之类的电路保护装置被设计成即使在外形尺寸较小的情况下也具有很强的鲁棒性。 防止ESD损坏AR耳机，并为用户提供多年的可靠服务。为了维护物联网生态系统的价值主张，必须对可穿戴设备内部的敏感集成电路进行安全保护设计。