人體移動產生靜電，可穿戴設備電路保護如何設計？

電路保護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。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(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/開關控制和其他數據總線。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 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(tài)電阻：這個參數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 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，維護物聯網生態(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(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。