保護智慧手環的健康

以前，我有一個計步器，可放於口袋，用來測量我的每日步數。不過事物改變得非常快，同樣的功能，我已改為智慧手環來追蹤我的日常活動，包括完成的步數、行走的距離、消耗的卡路里、心率和呼吸模式，甚至還可以量測血氧。另外我還可以透過智慧手環接收訊息、接聽電話、收聽我的最愛播客節目以及查看天氣。這些功能除了能夠準確顯示時間外，都有助於健康意識強的人們保持健康。由於這些新穎的功能，智慧手環作使用趨勢在全球逐漸流行。然而，這些可穿戴裝置有助於人們保持健康，但製造商需要特別注意保護這些裝置免受人體產生的電氣過載（EOS）和靜電放電（ESD）的影響。

智慧手環連接埠和介面的靜電放電保護

當一個帶有較高電荷的物體接觸到一個帶有較低電荷的物體時，電荷會從一個物體流到另一個物體。這種電荷（電子）的轉移可能會導致靜電放電事件達到數千伏特。當人體接觸到電子裝置時，靜電會被放電，可能會導致破壞性的靜電放電事件。智慧手環會有 USB 端口、通訊天線、顯示器觸控面板和多個側邊按鈕等介面和端口。任何智慧手環都擁有多個感測器，用於監測佩戴者的活動和健康狀態。請參考圖1以瞭解智慧手環相關的介面示意圖。由於智慧手環具有多個介面、感測器和數據接口，因此非常容易因人體接觸而遭受多次靜電放電損壞。這些事件可能會損壞智慧手環作複雜的電路，也可能會對佩戴者造成嚴重傷害。因此，靜電放電保護不僅對智慧手環作非常重要，而且是必不可少的。

1. 為了保護智慧手環的敏感積體電路免於電氣過載（EOS）和靜電放電事件，TVS 二極體需要符合IEC 61000-4-2所規定的ESD放電標準，至少為接觸放電±8kV和空氣放電±15kV。在大多數情況下，為了更好地保護追蹤器免受多次ESD/EOS事件的影響，最好選擇具有更高規格的TVS二極體，例如空氣放電±30kV和接觸放電±30kV。
2. 智慧手環作使用多種通訊協議，在智慧手機、平板電腦或其他智慧手環作之間傳輸數據。這些數據傳輸是通過無線連接（例如藍牙、近場通訊（NFC））、有線連接（例如USB 2.0（D+/D-））或低功耗Wi-Fi介面來進行。由於這些是高速差分數據線會通過TVS二極體的線對線電容的，電容將會影響到訊號的完整度，因此需要較低的電容量，從而防止信號強度變差。由於這些差分線在保持高速度傳輸數據，因此擁有超低線對線電容的TVS二極體是確保信號完整性的關鍵。
3. 最後要記住的一點是，TVS二極體的尺寸應該盡可能小，以適合智慧手環的微小封裝。對於智慧手環來說，一個0201（0.024" x 0.012"）封裝的TVS二極體是一個適合的解決方案。在公制單位中，這個封裝被稱為0603（0.6毫米x 0.3毫米）。

藍牙和近場通訊（NFC）天線

智慧手環中使用的天線在連接到人體時，對於收集和交換設備中的數據相當重要。藍牙支持的最大數據速率為1Mbps到2Mbps，通常使用2.4GHz的傳輸信號進行通信。另一方面，NFC天線的工作頻率為13.56MHz。藍牙或NFC天線通常通過智慧手環上的接觸點與控制器IC相連。ESD事件可能會侵入這些接觸點。因此，必須在天線和控制器之間放置TVS二極體（請參見圖2作為參考圖）。此為雙向的ESD保護元件，具有超低的接面電容，以保持這個高頻範圍的天線信號完整性。這些信號的峰對峰值電壓也應保持穩定。

Semtech的RClamp®2451ZA是專為保護天線接口而設計的產品，具有極低的線對線電容，只有0.35pF (請參考圖3)以確保信號完整性，讓RF信號中不會出現諧波失真。RClamp®2451ZA對傳輸線阻抗及插入損耗影響極小，10GHz頻率時的插入損耗為1.2dB(請參考圖4)，這使它成為智慧手環天線的最佳 ESD 保護元件。它可保護一條工作電壓為24V的雙向高速數據線，根據IEC 61000-4-2（ESD）第4級，可承受超過1000次的ESD衝擊，實際規格為±18kV（空氣）和±14kV（接觸）。該設備採用微型化的0201（0.6x0.3x0.25mm）封裝。

圖 2. 天線的 ESD 保護接線方式

圖3. RClamp2451ZA的電容量 vs 反向電壓

圖4. RClamp2451ZA的插入損耗 (S21)

顯示器觸控面板

智慧手環上最常見的顯示器是電容式觸控螢幕顯示器。它在觸摸感測器中使用序列電極來感應。電極是一塊導電材料，觸控控制器監測電極周圍產生的電場並將該信息提供給處理器。當用戶用手指觸摸螢幕時，靜電很容易經由觸控螢幕傳至其後方的組件。危險的靜電放電事件可能超過電路的耐受度並損壞觸控控制器IC的內部電路。因此，電容式觸控螢幕顯示器必須受到保護。請參閱下面的圖5。

圖 5. 觸控式螢幕的 ESD 保護

Semtech的RClamp3391ZC旨在保護觸控控制器的精密電子零件免於因ESD和EOS事件而損壞。它可保護一條工作電壓為3.3V的雙向高速數據線路。它具有優秀的ESD保護特性，如在VR=0V，f=1MHz時的典型電容值為超低0.17pF（圖6），典型動態電阻僅為0.18Ω（圖7）。RClamp3391ZC具有高的靜電放電耐受電壓，符合IEC 61000-4-2標準，接觸放電ESD耐受電壓可達±8kV，空氣放電耐受電壓可達±15kV。RClamp3391ZC還提供標準的0201 DFN封裝（0.6 x 0.3 x 0.25 mm）

圖6. RClamp3391ZC的電容量 vs. 反向電壓

圖7. RClamp3391ZC的TLP特性

保護感測元件

智慧手環依賴感測器來測量人體的運作情況。例如，心率監測器可以測量每分鐘的心跳次數；GPS可以追蹤跑步或騎車的行駛距離；陀螺儀可以偵測人在跑步或走路時的運動情況；皮膚溫度感測器可以偵測體溫的微小變化；而接近感應器則可在需要時喚醒顯螢幕。這些只是一些例子，實際上，一個基本的智慧手環中可能會有十多個感測器。高階智慧手環中還會增加更多感測器，以提供更多的數據給使用者。如果沒有適當的ESD保護，感測器電路就可能被人類的互動所損壞，如圖8所示。

Semtech的RClamp3371ZC是一種超低電容ESD保護器件，適用於保護智慧手環中的感測器，如圖8所示。它具有優秀的ESD保護特性，其典型寄生電容極低，僅為0.23pF（圖9），且動態電阻只有0.14Ω。它可以保護一條數據線，其最小崩潰電壓為5.5V，最大箝位電壓為7V。RClamp3371ZC符合IEC 61000-4-2（ESD）規範保護標準，空氣放電±17kV，接觸放電±10kV。RClamp3371ZC還提供一個小型0201 DFN封裝，其尺寸為0.6 x 0.3 x 0.25毫米。

圖 8. 感測器電路的靜電放電保護

圖 9. RClamp3371ZC 的電容 vs. 反向電壓特性曲線

USB Type-C 接口（VBUS 和 D+/D-）

許多智慧手環都使用USB Type-C接口進行充電。一個USB Type-C連接器可以透過USB Power Delivery（USB PD）提供最高100瓦的功率、5安培的電流和20伏特的電壓。USB Power Delivery是一種透過USB連接器傳送更高功率的技術，它允許更快速充電和更強大的設備支援。如果沒有任何應用需要使用USB PD，VBUS（供電線）可以支援5V，最高3A的電流，提供最高15W的功率輸出。圖10詳細描述了具有ESD保護的USB Type-C連接器的接腳配置。

圖10. USB Type-C介面的ESD保護

 

現今大多數的智慧手環使用5伏特3安培的VBUS接腳來充電。VBUS接腳的安全性需要一個具有快速反應時間和低箝位電壓的單向靜電放電保護器件來保護。通常低電容對於VBUS線路來說不是一個重要考量，因為VBUS本身就包含大電容穩壓。以前述的條件，Semtech的µClamp®1291ZA非常適合保護VBUS接腳。µClamp1291ZA的工作電壓為12伏特。它依據IEC 61000-4-2（靜電放電）的規格提供瞬態保護，在±20kV（空氣放電）和±15kV（接觸放電）下。µClamp1291ZA提供0.29Ω的動態電阻（圖11），峰值脈衝電流為10A（tp=8/20µs）。µClamp1291ZA的ESD箝位電壓（+8kV接觸）如圖12所示。µClamp1291ZA採用超小的DFN 0201 2接腳封裝。

圖 12. µClamp1291ZA 的 ESD 箝位電壓（+8KV 接觸放電）

 

USB Type-C埠中的D+/D-線用於USB 2.0介面。 D+和D-接腳傳輸差分480Mbps數據信號，這些差分線上的電壓在正常工作條件下可達到3.3V。使用Semtech的RClamp2261ZA可保護D+/D-線，同時保持信號完整性 (見圖2)，因為該元件僅具有0.35pF（典型值）的電容量（見圖13）。RClamp2261ZA的工作電壓為22V。 該元件提供10.5V的典型導通電壓（IPP = 18A，tp = 8/20µs）（見圖14）和最小擊穿電壓為24V。 它依據IEC 61000-4-2（ESD）的規格提供瞬態保護，可承受±30kV（空氣放電）和±25kV（接觸放電）的ESD。 這種雙向TVS二極體採用超小的DFN 0201 2接腳封裝

圖13. RClamp2261ZA的TLP特性

側邊按鈕

每個智慧手環都至少有兩個側面按鈕。這些側面按鈕可能會在與使用者直接接觸時受到靜電打擊（見圖15）。這些側面按鈕大多是在5V或更低的工作電壓下工作的直流開關。保護側面按鈕時，超低電容不是必要的要求。Semtech的µClamp5031ZA擁有卓越的ESD保護特性，其動態電阻僅為0.008Ω（見圖16）。它的工作電壓為5V，額定的最大EOS峰值脈衝電流為7.5A（tp=8/20µs）。在峰值電流為4A時，µClamp5031ZA的典型箝位電壓為7.5V。µClamp5031ZA按照IEC 61000-4-2（ESD）的規格提供瞬態保護，空氣放電和接觸放電皆為±30kV。這種雙向TVS二極體也提供微型的0201 DFN封裝（0.6x 0.3 x 0.25 mm）

圖15. 側邊按鈕的靜電放電保護

圖16. µClamp5031ZA的TLP特性

Semtech 提供各種不同的ESD保護二極體，供智慧型智慧手環使用，如表1所示

Part Number	VRWM (V)	Lines	Capacitance (Typ) (pF)	ESD Rating (Air/Contact)	Surge (8x20µs)	Size (mm)
RClamp01811ZA	1.8V	1	0.55pF	±30kV/±20kV	8A	0.6x0.3x0.25mm
RClamp3331Z2C	3.3V	1	0.35pF	±22kV/±18kV	4A	0.43x0.23x0.15mm
µClamp3311Z2C	3.3V	1	3.3pF	±25kV/±20kV	4A	0.43x0.23x0.15mm
µClamp3351ZA	3.3V	1	5pF	±30kV/±20kV	6A	0.6x0.3x0.25mm
µClamp3331ZA	3.3V	1	16.5pF	±30kV/±30kV	5A	0.6x0.3x0.25mm
RClamp03372ZC	3.3V	2	0.22pF	±17kV/±10kV	9A	0.62x0.32x0.25mm
RClamp4041ZA	4.0V	1	0.53pF	±30kV/±30kV	20A	0.6x0.3x0.25mm
µClamp5041Z2C	5V	1	11.8pF	±30kV/±30kV	5A	0.43x0.23x0.15mm
µClamp5501ZV	5.5V	1	445pF	±30kV/±30kV	60A	1.0x0.6x0.25mm
µClamp1211Z	12V	1	19pF	±30kV/±30kV	7A	0.6x0.3x0.25mm
RClamp1851ZA	18V	1	0.35pF	±20kV/±17kV	3A	0.6x0.3x0.25mm

表1：適用於保護智慧手環的Semtech零件廣泛應用

全球對於智慧手環的接受度和使用量不斷增加。根據Fortune Business Insights的報告，全球智慧手環市場預計從2020年的363.4億美元成長至2028年的1,143.6億美元，年複合增長率為15.4％。由於智慧手環受到巨大的歡迎，因此從各個界面、數據和通信接口充分保護每一個裝置，以抵禦所有ESD和EOS的威脅是相當重要的。Semtech的可靠ESD保護產品解決了設計挑戰，為世界上許多最智慧的智慧手環品牌提供保護。在設計和開發下一代安全可靠的智慧手環時，請聯繫Semtech。

FAQ

下方提供Semtech 如何挑選TVS的相關知識的影片

1.問：在選擇單向和雙向TVS保護元件之間，您應該如何做出決定呢？

2.問：為什麼靜電放電（ESD）保護元件的電容值重要？


3.問：是否可以將多個靜電保護元件並聯或串連以提供更好的保護效果？

將多個靜電保護元件並聯使用（並聯保護）可以提供更好的保護效果。這是因為並聯保護會將靜電放電能量分散到多個保護元件，從而降低每個元件上的電壓，提高整體保護效率。相比之下，將多個靜電保護元件串聯使用（串聯保護）會增加串聯電阻並提高箝位電壓。這樣做可能會導致過多的電流落在被保護的元件上，從而降低了其保護能力，反而可能對敏感元件造成損害。


4.問：選擇保護元件時如何選TVS的工作電壓？

「Reverse Stand-Off Voltage」是指TVS（Transient Voltage Suppressor）保護元件的反向截止電壓。這是保護元件在正常工作狀態下可以承受的最大反向電壓，也就是它的反向偏壓。當電路中的反向電壓低於這個值時，保護元件不會導通，不會影響電路的正常運作。這個參數在選擇TVS保護元件時非常重要，特別是在應對過壓保護的情況下。選擇的反向耐壓電壓必須高於電路中可能出現的最大反向電壓，同時又不能太高，以避免影響正常操作。

例如，如果您的電路最大的反向電壓是12伏特，您可以選擇一個反向耐壓電壓稍高於12伏特的TVS保護元件。這樣，當出現一些小的反向過壓時，保護元件不會導通。然而，當出現超過12伏特的反向過壓時，保護元件會迅速導通，將多餘的電壓引導到地，防止過電壓對電路造成損害。總之，理解並選擇適當的TVS保護元件的反向耐壓電壓是確保電路在遭受反向過壓時能夠得到適當保護的重要一環。

5.問：如何選擇適合的靜電保護元件？

選擇適合的靜電保護元件需要考慮多個因素，以確保它能夠有效地保護您的電路免受靜電放電和過電壓的影響。以下是選擇靜電保護元件的一些建議步驟：

1. 了解應用需求： 首先，確定您的應用的需求。考慮您需要保護的工作環境，例如溼度的高低，使用的頻繁度等，都與需要保護的等級有關係。

2. 確定保護位置： 確定保護元件應該放置在電路中的哪個位置。通常情況下，保護元件應該位於電路接口處、輸入/輸出端口，以及敏感元件周圍。

3. 選擇元件類型： 靜電保護元件有多種類型，包括TVS二極管、Varistor、Gas Discharge Tube等。根據您的應用需求，選擇最適合的元件類型。

4. 工作電壓範圍： 根據您的應用的最大操作電壓，選擇具有適當工作電壓範圍的保護元件。

5. 過電壓保護等級： 選擇一個適當的過電壓保護等級，即保護元件導通時的電壓。這應該在不影響電路性能的情況下提供足夠的保護。

6. 最大耐電流： 確保保護元件可以承受可能的瞬態過電流。

7. 反應速度： 不同的保護元件對過電壓的應對速度可能不同。根據您的應用，選擇適合的應對速度。

轉載於 Semtech Anindita Bhattacharya https://blog.semtech.com/protecting-the-health-of-a-fitness-tracker