可穿戴設(shè)備電路保護(hù)如何設(shè)計(jì)？

電路保護(hù)技術(shù)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(shù)存在一個不可能出現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)中的弱點(diǎn)：人體在移動時產(chǎn)生靜電。靜電可能損壞支撐物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的敏感電子設(shè)備。

為了理解這個問題，我們從人體放電模型(H B M)開 始，應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｏ嗨频?國際HBM標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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(shè)備設(shè)計(jì)為可以貼身使用，它們持續(xù)受到 因?yàn)榕c用戶近距離相互作用而產(chǎn)生的靜電沖擊。如果沒有適 當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，可穿戴設(shè)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(yàn)中產(chǎn)生的相似的 程度靜電放電(ESD)損壞。一旦可穿戴設(shè)備失效，整個網(wǎng)絡(luò) 的功能和可靠性也會受到影響。

先進(jìn)電路保護(hù)技術(shù)和電路板布局策略能保護(hù)可穿戴設(shè) 備及其使用者。盡早在設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用這些建議將幫助電路 設(shè)計(jì)者們提高其可穿戴技術(shù)設(shè)計(jì)的性能、安全性和可靠性， 并有助于構(gòu)建更加可靠的物聯(lián)網(wǎng)。

1 封裝尺寸雖小，但ESD保護(hù)作用不小

可穿戴設(shè)備電路保護(hù)的一個設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是可穿戴設(shè)備的 尺寸越來越小。過去，需要大結(jié)構(gòu)二極管和大封裝尺寸(如

圖1 TVS二極管兩種結(jié)構(gòu)

圖2 IEC 61000-4-2評級、

設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡可能選擇單向二極管配置，因?yàn)樗鼈冊?負(fù)電壓ESD沖擊事件中的表現(xiàn)更好。負(fù)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(fù)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(fù)電壓沖擊期間對系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力。

合理確定二極管位置。大部分可穿戴設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)人員應(yīng)該確定哪些引腳暴露在可能發(fā)生用戶可能產(chǎn)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(jìn)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(guān)控制和其他數(shù)據(jù)總線。由于添加這些分 立器件設(shè)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(yīng)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(hù)應(yīng)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(hù)設(shè)計(jì)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(hù)的電路轉(zhuǎn)移到ESD參考點(diǎn)。

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(yīng)該越短越好。寄生電感會導(dǎo)致感應(yīng)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(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(jī)器放電模型(MM)和帶電 設(shè)備模型(CDM)的定義。除了HBM模型之外，MM和CDM 也是描述運(yùn)行便攜設(shè)備或可穿戴設(shè)備的集成電路ESD耐受能 力的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。不少半?dǎo)體廠家認(rèn)為MM模型已經(jīng)過時。人 們傾向于在堅(jiān)固性和產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)化。

包括處理器、內(nèi)存和ASIC在內(nèi)的芯片都會用這三個模 型中的一種或幾種來描述。半導(dǎo)體供應(yīng)商在制造期間使用這 些模型保證電路的健壯性。對于供應(yīng)商來說，當(dāng)前趨勢是降 低電壓測試水平，因?yàn)檫@樣能節(jié)省晶片空間，也因?yàn)榇蟛糠?供應(yīng)商遵守嚴(yán)格的內(nèi)部ESD政策。

嚴(yán)格的ESD政策通過運(yùn)行較低的片上ESD保護(hù)，能使供 應(yīng)商受益，電路設(shè)計(jì)人員還是以對應(yīng)用級ESD十分敏感的芯 片，決不允許因?yàn)楝F(xiàn)場ESD或用戶致ESD而失效。為了保護(hù) 高度敏感的集成電路，設(shè)計(jì)人員選擇的保護(hù)器件不僅要能防止增強(qiáng)的靜電應(yīng)力，還要能提供足夠低的鉗位電壓。評價(jià)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)描述的是二極管鉗制并將ESD瞬 態(tài)對地轉(zhuǎn)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(yīng)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(diǎn)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(dá)到20 kV乃至30 kV的接觸放電電壓，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(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，在設(shè)計(jì)過程的早期考慮 ESD保護(hù)和適當(dāng)?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(hù)器件將有效保護(hù)可 穿戴設(shè)備內(nèi)部的敏感集成電路，維護(hù)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值主張。

可靠的長時間跟蹤算法。該算法研究的出發(fā)點(diǎn)是單獨(dú)地運(yùn)用現(xiàn)有跟蹤算法或檢測算法都無法長時間地跟蹤目標(biāo)。Kalal創(chuàng)造性地將跟蹤算法和檢 測算法相結(jié)合來解決跟蹤目標(biāo)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(jìn)的在線學(xué)習(xí)機(jī)制不斷 更新跟蹤模塊的“顯著特征點(diǎn)”和檢測模塊的目標(biāo)模型。

圖8 飛行器識別出地面機(jī)器人

圖9 飛行器保持在地面機(jī)器人上

圖10 油門行程與飛行器高度

圖11 基于開關(guān)控制的飛行器高度控制響應(yīng)曲線

在此系統(tǒng)中，為了保持好的追蹤效果。根據(jù)地面機(jī)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(jī)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(shí)際捕捉到的地面機(jī)器人在圖像中的位置，控制框圖如圖7所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)整PD參數(shù)而使地面機(jī)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(jī)器人， 圖9顯示飛行器正在跟蹤地面機(jī)器人。

2.2 高度控制算法

根據(jù)實(shí)際飛行器實(shí)驗(yàn)和悟空控制系統(tǒng)的說明，測試到 油門信號與飛行器的實(shí)際升降有對應(yīng)關(guān)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(dāng) 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(dāng)前高度，根據(jù)這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)了開關(guān)控制器，當(dāng)高度低于給 定值將占空比分子設(shè)置成1580，這樣飛行器會緩緩上升。當(dāng) 高度高于給定值時設(shè)成1430，這樣飛行器緩緩下降。并設(shè)置 實(shí)際值在給定值上下5cm不作控制，即自動鎖定當(dāng)前高度。 如圖11，實(shí)驗(yàn)時給定值在0.5m—1m—1.5m切換時，飛行器 能及時達(dá)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(diào)整達(dá)到設(shè)定高度。圖11中直線表示 給定高度，綠線表示飛行器的實(shí)際高度，在時間10s附近開 啟高度控制器。

3 結(jié)束語

基于國際空中機(jī)器人大賽第7代任務(wù)，本文提出了一種 機(jī)載設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方法，并詳細(xì)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(jī)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(biāo)，上層的策略 模塊還需要進(jìn)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(shí)驗(yàn)以增加系統(tǒng)的魯棒性。