Proteggere i dispositivi indossabili con diodi Tvs

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La tecnologia dei dispositivi indossabili è una delle tendenze più forti nel mercato dell'elettronica al consumo. Dagli smart glass ai polsini per il monitoraggio del fitness, i wearable stanno diventando rapidamente parte della vita di tutti i giorni del consumatore medio. Infatti, Business Insider prevede che il mercato globale dei dispositivi indossabili crescerà a un tasso composto del 35% per i prossimi cinque anni e raggiungerà 148 milioni di unità spedite ogni anno entro il 2019. La rapida crescita dei wearable genera una grande responsabilità da parte dei produttori di dispositivi. Poiché tali dispositivi sono indossati in prossimità della pelle, sono costantemente bombardati dall'elettricità statica generata dall'utente. Un semplice tocco umano può generare una scarica elettrostatica che danneggia i circuiti dei sensori dei dispositivi non protetti, le interfacce per il caricamento delle batterie, i pulsanti o gli I/O per dati, senza possibilità di riparazione. Man mano che i consumatori accrescono la dipendenza dai dispositivi indossabili, i progettisti di circuiti devono affrontare la sfida di incorporare tecnologie avanzate per la protezione dei circuiti che salvaguardino il dispositivo nonché l'utente. Offrire una protezione adeguata dei circuiti per i dispositivi indossabili è un compito con difficoltà intrinseche, derivanti dal fattore di forma continuamente ridotto della maggior parte dei dispositivi indossabili e dalla domanda di migliori prestazioni dei dispositivi. Il presente articolo esaminerà le tecnologie per la protezione dei circuiti e le strategie di layout delle schede che vanno applicate nelle prime fasi del processo di progettazione. Evidenzierà inoltre quattro passaggi per selezionare i diodi Tvs in grado di migliorare la sicurezza e l'affidabilità della progettazione dei dispositivi indossabili.


Protezione dei circuiti robusta e compatta
Con costanti miglioramenti nei processi di realizzazione dei wafer e dei gruppi di back-end, ora è possibile avere una protezione Esd molto robusta con un fattore di forma ridotto senza alcun degrado nelle prestazioni Esd. Ad esempio, il diodo 01005 Tvs per uso generico di Littelfuse può resistere a una scarica per contatto da 30 kV (Iec 61000-4-2) e ha un valore di resistenza dinamica inferiore a 1 Ω. Questo diodo offre lo stesso livello di robustezza Esd e le basse prestazioni di livellamento (resistenza dinamica) delle sue controparti di dimensioni maggiori (ad esempio SOD323 e SOD123). Una robusta protezione dei circuiti è vitale per condizioni operative esigenti. Mentre il livello di test del modello per il corpo umano dei moderni circuiti integrati può raggiungere 2.000 V, la maggior parte dei progettisti di applicazioni assicura che le proprie apparecchiature soddisfino almeno il livello 4 dello standard di test Iec 61000-4-2 (contatto 8 kV, scarica in aria 15 kV). Un punto ancora più impegnativo è che molti dispositivi portatili e dispositivi indossabili hanno visto il loro livello di scarica da contatto aumentare a 15 o 20 kV, con alcune aziende che lo hanno impostato a ben 30 kV. Questa decisione di progettazione assicura che i dispositivi Esd compatti siano abbastanza robusti da soddisfare queste condizioni impegnative per l'affidabilità e il funzionamento a lungo termine. Le moderne tecniche di produzione per la protezione da Esd possono ridurre l'utilizzo dell'area dei circuiti dei componenti. Ad esempio, il fattore di forma discreto più comune per i diodi Tvs è il pacchetto SOD882, che ha un profilo esterno di 1,0 x 0,6 mm. Passando al fattore di forma 0201 (0,6 x 0,3 mm), il progettista può risparmiare circa il 70% nell'area del circuito. Inoltre, il passaggio al profilo esterno 01005 comporta un risparmio di oltre l'85% rispetto al pacchetto SOD882. È essenziale prendere queste decisioni nelle prime fasi del processo di progettazione, quando è disponibile flessibilità nella configurazione e nel layout della scheda.

Guida in quattro passaggi alla selezione dei diodi Tvs
Le seguenti linee guida per la selezione dei diodi Tvs aiuteranno i progettisti a ottimizzare le loro progettazioni di wearable.

1. Specificare se unidirezionali o bidirezionali - I diodi Tvs unidirezionali sono tipicamente utilizzati per circuiti Cc, compresi pulsanti e interruttori, nonché per i circuiti digitali. I diodi bidirezionali sono utilizzati nei circuiti Cc, che possono comprendere qualsiasi segnale con un componente negativo maggiore di -0,7 V. I circuiti Cc comprendono porte dati meno recenti, interfacce Rf, audio e video analogici. Se possibile, i progettisti dovranno scegliere configurazioni con diodi unidirezionali in quanto le loro prestazioni sono migliorate durante le Esd a tensione negativa. Durante queste scariche, la tensione di livellamento sarà basata sulla polarizzazione diretta del diodo, che è tipicamente inferiore a 1,0 V. Un diodo bidirezionale fornisce una tensione di livellamento durante una scarica negativa che si basa sulla tensione inversa con scarica, che è maggiore della polarizzazione diretta del diodo unidirezionale. Per questo motivo, la configurazione unidirezionale può ridurre drasticamente lo stress sul sistema durante le scariche negative.

2. Decidere la posizione - Per la maggior parte, le progettazioni di dispositivi indossabili non richiedono diodi Tvs a livello di scheda in ciascuno dei pin del circuito integrato. Invece, il progettista dovrà determinare quali pin abbiano esposizione all'esterno dell'applicazione dove si verificano probabilmente gli eventi Esd generati dall'utente. Se la linea di comunicazione/controllo può essere toccata dall'utente, potrebbe diventare un percorso di ingresso della Esd nel circuito integrato. I circuiti tipici comprendono Usb, audio, controllo di pulsanti/interruttori e altri bus di dati. I progettisti dovranno ridurre la dimensione della piastra del layout per adattarla ai profili interni 0201 o 01005 e ottimizzare l'utilizzo dello spazio nel circuito.

3. Rivedere la lunghezza della traccia - Per proteggere i pin del circuito integrato utilizzando un diodo Tvs, esistono diversi punti da prendere in considerazione per l'instradamento della traccia, dall'I/O alla massa. A differenza dei transienti da fulmine, la Esd non libera una grande quantità di corrente per un tempo prolungato. Per gestire la Esd, è necessario spostare la carica dal circuito protetto al riferimento Esd quanto più rapidamente possibile. Il fattore prevalente è la lunghezza della traccia, dalla linea di I/O al componente Esd e dal componente Esd alla massa, non la larghezza della traccia alla massa. La lunghezza della traccia va mantenuta quanto più ridotta possibile per limitare l'induttanza parassita. Questa induttanza comporta un overshoot induttivo, che è un breve picco di tensione in grado di raggiungere centinaia di volt se la traccia di raccordo è abbastanza lunga. I recenti sviluppi dei pacchetti includono profili esterni µDFN che si inseriscono direttamente sui percorsi dei dati per eliminare l'esigenza di tracce di raccordo.

4. Esaminare le definizioni di Hbm, modello macchina e modello di dispositivo carico - Questi modelli di test sono utilizzati dal fornitore di semiconduttori per caratterizzare la robustezza Esd dei circuiti integrati che percorrono il dispositivo portatile o indossabile. La maggior parte dei fornitori riduce i livelli di test della tensione per ridurre lo spazio delle piastrine e poiché i fornitori rispettano eccellenti politiche Esd interne. Mentre queste rigide politiche Esd sono vantaggiose per il fornitore, il progettista di applicazioni finisce per avere un chip molto sensibile all'Esd a livello di applicazione. Inoltre, non deve essere consentito il guasto a causa di Esd a livello di campo o indotta dall'utente. Per riuscire, il progettista deve selezionare un dispositivo a livello di scheda che sia abbastanza robusto da proteggere contro l'intensificazione degli stress elettrici, ma con livellamento abbastanza basso da proteggere i sensibili circuiti integrati. Nella valutazione di un dispositivo di protezione Esd, prendere in considerazione la sua resistenza dinamica e la classificazione IEC 61000-4-2.

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