人體移動產生靜電,可穿戴設備電路保護如何設計?

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電路保護技術和電路板布局策略有助於提高安全性、可靠性和連通性。可穿戴技術存在一個不可能出現在物聯網中的弱點：人體在移動時產生靜電。靜電可能損壞支撐物聯網應用的敏感電子設備。

為了理解這個問題，我們從人體放電模型(H B M)開 始，應用於描述集成電路對靜電放電(ESD)破壞的敏感性。 使用最普遍的H B M 概念是軍用標準M I L - ST D - 8 8 3 、 方法3015.8、靜電放電靈敏度分類中定義的試驗模型。相似的 國際HBM標準是JEDEC JS-001。無論在JEDEC JS-001還是在 MIL-STD-883中，都用100pF電容器和1.5kΩ放電電阻器模擬 帶電人體。測試中，電容器在250 V到8 kV的電壓範圍內完全 充電，然後通過與受試器件串聯的1.5kΩ電阻器放電。

由於可穿戴設備設計為可以貼身使用，它們持續受到 因為與用戶近距離相互作用而產生的靜電衝擊。如果沒有適 當的保護，可穿戴設備的傳感器電路、電池充電接口、按鈕 或數據輸入/輸出埠有可能被與HBM試驗中產生的相似的 程度靜電放電(ESD)損壞。一旦可穿戴設備失效，整個網絡 的功能和可靠性也會受到影響。

先進電路保護技術和電路板布局策略能保護可穿戴設 備及其使用者。儘早在設計過程中運用這些建議將幫助電路 設計者們提高其可穿戴技術設計的性能、安全性和可靠性， 並有助於構建更加可靠的物聯網。

1 封裝尺寸雖小，但ESD保護作用不小
可穿戴設備電路保護的一個設計挑戰是可穿戴設備的 尺寸越來越小。過去，需要大結構二極體和大封裝尺寸(如

圖1 TVS二極體兩種結構

圖2 IEC 61000-4-2評級、

設計人員應儘可能選擇單向二極體配置，因為它們在 負電壓ESD衝擊事件中的表現更好。負電壓ESD衝擊期間， 鉗位電壓將基於二極體的正向偏壓(一般小於1.0 V)。反之， 雙向二極體配置在負電壓衝擊期間提供的鉗位電壓基於反向 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。

合理確定二極體位置。大部分可穿戴設計不需要在每 個集成電路引腳上都使用板級T VS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可能產生ESD事件的。如果用戶能接觸通訊/控制線路，這可能成為ESD進入 集成電路的一個途徑。傾向於存在這種途徑的典型電路包 括USB、按鈕/開關控制和其他數據總線。由於添加這些分 立器件設備需要佔用電路板空間，因此需要能裝入0201或01005封裝的器件。對某些可穿戴應用來說，可採用節省空 間的多通道陣列。無論採用什麼封裝類型，ESD抑制器的位 置要儘量靠近ESD源。比如，USB埠的保護應靠近USB連 接器。

縮短走線長度。走線布線在針對集成電路引腳的TVS二 極管保護設計中非常重要。與雷電瞬態不同，ESD不會長時 間釋放出大量電流。處理ESD時，一定要儘快把電荷從受保 護的電路轉移到ESD參考點。

首要因素是從信號線到ESD器件和從ESD器件到地的走 線長度，而非地的走線寬度。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過壓，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數據車道上的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。除了HBM模型之外，MM和CDM 也是描述運行便攜設備或可穿戴設備的集成電路ESD耐受能 力的試驗模型。不少半導體廠家認為MM模型已經過時。人 們傾向於在堅固性和產生的失效模式上跟蹤HBM，儘管有 些廠家仍在使用它。CDM是HBM的另一個替代模型。與模 擬人與集成電路之間的相互影響不同，CDM模擬集成電路 滑向走向或管子，然後觸及接地表面。按CDM分類的器件 在指定電壓水平上接觸電荷，然後測試存活率。如果器件仍 然功能正常，就在下一個電壓水平上繼續測試它，直到它失 效。CDM由JEDEC在JESD22-C101E中標準化。
包括處理器、內存和ASIC在內的晶片都會用這三個模 型中的一種或幾種來描述。半導體供應商在製造期間使用這 些模型保證電路的健壯性。對於供應商來說，當前趨勢是降 低電壓測試水平，因為這樣能節省晶片空間，也因為大部分 供應商遵守嚴格的內部ESD政策。

嚴格的ESD政策通過運行較低的片上ESD保護，能使供 應商受益，電路設計人員還是以對應用級ESD十分敏感的芯 片，決不允許因為現場ESD或用戶致ESD而失效。為了保護 高度敏感的集成電路，設計人員選擇的保護器件不僅要能防止增強的靜電應力，還要能提供足夠低的鉗位電壓。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瞬 態對地轉移的能力。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。失效點描述 的是二極體的健壯性。這個參數值越高越好。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，遠遠超過IEC 61000-4-2規定的最高水平(4級水平的接觸放電電壓為8 kV，如圖2)。

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，在設計過程的早期考慮 ESD保護和適當的電路板布局變得比以往任何時候都更加重 要。諸如TVS二極體這樣的小型電路保護器件將有效保護可 穿戴設備內部的敏感集成電路，維護物聯網生態系統價值主張。

可靠的長時間跟蹤算法。該算法研究的出發點是單獨地運用現有跟蹤算法或檢測算法都無法長時間地跟蹤目標。Kalal創造性地將跟蹤算法和檢 測算法相結合來解決跟蹤目標在被跟蹤過程中發生的形變、 部分遮擋等問題，同時，通過一種改進的在線學習機制不斷 更新跟蹤模塊的「顯著特徵點」和檢測模塊的目標模型及相

圖8 飛行器識別出地面機器人

圖9 飛行器保持在地面機器人上

圖10 油門行程與飛行器高度

圖11 基於開關控制的飛行器高度控制響應曲線

在此系統中，為了保持好的追蹤效果。根據地面機器 人在圖像中的位置，引入一個PD控制器，使飛行器保持在地面機器人上方。控制器的輸入是攝像頭畫面中央的像素位置，反饋值是實際捕捉到的地面機器人在圖像中的位置，控制框圖如圖7所示，根據實驗調整PD參數而使地面機器人保 持在圖像的中央。圖8顯示了飛行器識別出的地面機器人， 圖9顯示飛行器正在跟蹤地面機器人。

2.2 高度控制算法
根據實際飛行器實驗和悟空控制系統的說明，測試到 油門信號與飛行器的實際升降有對應關係，具體如圖10所 示。油門PWM信號佔空比分子在1000到2000之間變化，當 在1450到1550之間時，悟空控制系統會使飛行器會自動鎖定 當前高度，根據這一特點設計了開關控制器，當高度低於給 定值將佔空比分子設置成1580，這樣飛行器會緩緩上升。當 高度高於給定值時設成1430，這樣飛行器緩緩下降。並設置 實際值在給定值上下5cm不作控制，即自動鎖定當前高度。 如圖11，實驗時給定值在0.5m—1m—1.5m切換時，飛行器 能及時達到給定值。在打舵的時候，飛行器高度會有所改 變，該控制器也能及時調整達到設定高度。圖11中直線表示 給定高度，綠線表示飛行器的實際高度，在時間10s附近開 啟高度控制器。

3 結束語
基於國際空中機器人大賽第7代任務，本文提出了一種 機載設備的實現方法，並詳細介紹了該方法的硬體平臺和軟 件模塊。此方法完成了定位、高度控制、障礙物規避和單一 地面機器人識別與跟蹤。飛行器續航能力有限且比賽時間有 一定要求，所以要完成比賽a階段的追趕目標，上層的策略 模塊還需要進一步完善。比賽的b階段增加了飛行器的同臺 博弈，因此還需要更多的實驗以增加系統的魯棒性。