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          人體移動產生靜電,可穿戴設備電路保護如何設計?

          作者: 時間:2017-06-03 來源:網(wǎng)絡 收藏

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/346814.htm

          技術和電路板布局策略有助于提高安全性、可靠性和連通性??纱┐骷夹g存在一個不可能出現(xiàn)在中的弱點:人體在移動時產生靜電。靜電可能損壞支撐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,應用于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的電壓范圍內完全 充電,然后通過與受試器件串聯(lián)的1.5kΩ電阻器放電。


          由于可穿戴設備設計為可以貼身使用,它們持續(xù)受到 因為與用戶近距離相互作用而產生的靜電沖擊。如果沒有適 當?shù)谋Wo,可穿戴設備的傳感器電路、電池充電接口、按鈕 或數(shù)據(jù)輸入/輸出端口有可能被與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(wǎng)絡 的功能和可靠性也會受到影響。


          先進技術和電路板布局策略能保護可穿戴設 備及其使用者。盡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, 并有助于構建更加可靠的。


          1 封裝尺寸雖小,但ESD保護作用不小
          可穿戴設備的一個設計挑戰(zhàn)是可穿戴設備的 尺寸越來越小。過去,需要大結構二極管和大封裝尺寸(如


          圖1 TVS二極管兩種結構


          圖2 IEC 61000-4-2評級、


          設計人員應盡可能選擇單向二極管配置,因為它們在 負電壓ESD沖擊事件中的表現(xiàn)更好。負電壓ESD沖擊期間, 鉗位電壓將基于二極管的正向偏壓(一般小于1.0 V)。反之, 雙向二極管配置在負電壓沖擊期間提供的鉗位電壓基于反向 擊穿電壓,比單向二極管的正向偏壓高。因此,單向配置能 大大減小負電壓沖擊期間對系統(tǒng)產生的壓力。

          合理確定二極管位置。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二極管。相反,設計人員應該確定哪些引腳暴露在可能發(fā)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。傾向于存在這種途徑的典型電路包 括USB、按鈕/開關控制和其他數(shù)據(jù)總線。由于添加這些分 立器件設備需要占用電路板空間,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,可采用節(jié)省空 間的多通道陣列。無論采用什么封裝類型,ESD抑制器的位 置要盡量靠近ESD源。比如,USB端口的保護應靠近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(tài)不同,ESD不會長時 間釋放出大量電流。處理ESD時,一定要盡快把電荷從受保 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(shù) 百伏特。近期的封裝技術進步包括能直接裝在數(shù)據(jù)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 們傾向于在堅固性和產生的失效模式上跟蹤HBM,盡管有 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,然后觸及接地表面。按CDM分類的器件 在指定電壓水平上接觸電荷,然后測試存活率。如果器件仍 然功能正常,就在下一個電壓水平上繼續(xù)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在內的芯片都會用這三個模 型中的一種或幾種來描述。半導體供應商在制造期間使用這 些模型保證電路的健壯性。對于供應商來說,當前趨勢是降 低電壓測試水平,因為這樣能節(jié)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(xiàn)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(shù):

          1. 動態(tài)電阻:這個參數(shù)描述的是二極管鉗制并將ESD瞬 態(tài)對地轉移的能力。它能幫助確定在二極管打開后其電阻會 低到什么程度。動態(tài)電阻越低越好。

          2. IEC 61000-4-2評級:TVS二極管供應商確定該參數(shù) 值的方法是增大ESD電壓,直到二極管失效。失效點描述 的是二極管的健壯性。這個參數(shù)值越高越好。越來越多的 Littelfuse TVS二極管能達到20 kV乃至30 kV的接觸放電電壓,遠遠超過IEC 61000-4-2規(guī)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(xù)成長和新設備的不斷開發(fā),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?shù)碾娐钒宀季肿兊帽纫酝魏螘r候都更加重 要。諸如TVS二極管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(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)價值主張。


          可靠的長時間跟蹤算法。該算法研究的出發(fā)點是單獨地運用現(xiàn)有跟蹤算法或檢測算法都無法長時間地跟蹤目標。Kalal創(chuàng)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(fā)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“顯著特征點”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 基于開關控制的飛行器高度控制響應曲線


          在此系統(tǒng)中,為了保持好的追蹤效果。根據(jù)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??刂破鞯妮斎胧菙z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(jù)實驗調整PD參數(shù)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(jù)實際飛行器實驗和悟空控制系統(tǒng)的說明,測試到 油門信號與飛行器的實際升降有對應關系,具體如圖10所 示。油門PWM信號占空比分子在1000到2000之間變化,當 在1450到1550之間時,悟空控制系統(tǒng)會使飛行器會自動鎖定 當前高度,根據(jù)這一特點設計了開關控制器,當高度低于給 定值將占空比分子設置成1580,這樣飛行器會緩緩上升。當 高度高于給定值時設成1430,這樣飛行器緩緩下降。并設置 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
          基于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(xiàn)方法,并詳細介紹了該方法的硬件平臺和軟 件模塊。此方法完成了定位、高度控制、障礙物規(guī)避和單一 地面機器人識別與跟蹤。飛行器續(xù)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(tǒng)的魯棒性。



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