智慧手环连接埠和界面的静电放电保护
当一个带有较高电荷的物体接触到一个带有较低电荷的物体时，电荷会从一个物体流到另一个物体。这种电荷（电子）的转移可能会导致静电放电事件达到数千伏特。当人体接触到电子装置时，静电会被放电，可能会导致破坏性的静电放电事件。智慧手环会有 USB 端口、通讯天线、显示器触控面板和多个侧边按钮等界面和端口。任何智慧手环都拥有多个感测器，用于监测佩戴者的活动和健康状态。请参考图1以了解智慧手环相关的界面示意图。由于智慧手环具有多个界面、感测器和数据接口，因此非常容易因人体接触而遭受多次静电放电损坏。这些事件可能会损坏智慧手环作复杂的电路，也可能会对佩戴者造成严重伤害。因此，静电放电保护不仅对智慧手环作非常重要，而且是必不可少的。
图1.智慧手环界面的基本框架- 为了保护智慧手环的敏感积体电路免于电气过载（EOS）和静电放电事件，TVS 二极体需要符合IEC 61000-4-2所规定的ESD放电标准，至少为接触放电±8kV和空气放电±15kV。在大多数情况下，为了更好地保护追踪器免受多次ESD/EOS事件的影响，最好选择具有更高规格的TVS二极体，例如空气放电±30kV和接触放电±30kV。
- 智慧手环作使用多种通讯协议，在智慧手机、平板电脑或其他智慧手环作之间传输数据。这些数据传输是通过无线连接（例如蓝牙、近场通讯（NFC））、有线连接（例如USB 2.0（D+/D-））或低功耗Wi-Fi界面来进行。由于这些是高速差分数据线会通过TVS二极体的线对线电容的，电容将会影响到讯号的完整度，因此需要较低的电容量，从而防止信号强度变差。由于这些差分线在保持高速度传输数据，因此拥有超低线对线电容的TVS二极体是确保信号完整性的关键。
- 最后要记住的一点是，TVS二极体的尺寸应该尽可能小，以适合智慧手环的微小封装。对于智慧手环来说，一个0201（0.024" x 0.012"）封装的TVS二极体是一个适合的解决方案。在公制单位中，这个封装被称为0603（0.6毫米x 0.3毫米）。
蓝牙和近场通讯（NFC）天线
智慧手环中使用的天线在连接到人体时，对于收集和交换设备中的数据相当重要。蓝牙支持的最大数据速率为1Mbps到2Mbps，通常使用2.4GHz的传输信号进行通信。另一方面，NFC天线的工作频率为13.56MHz。蓝牙或NFC天线通常通过智慧手环上的接触点与控制器IC相连。ESD事件可能会侵入这些接触点。因此，必须在天线和控制器之间放置TVS二极体（请参见图2作为参考图）。此为双向的ESD保护元件，具有超低的接面电容，以保持这个高频范围的天线信号完整性。这些信号的峰对峰值电压也应保持稳定。
Semtech的RClamp®2451ZA是专为保护天线接口而设计的产品，具有极低的线对线电容，只有0.35pF (请参考图3)以确保信号完整性，让RF信号中不会出现谐波失真。RClamp®2451ZA对传输线阻抗及插入损耗影响极小，10GHz频率时的插入损耗为1.2dB(请参考图4)，这使它成为智慧手环天线的最佳 ESD 保护元件。它可保护一条工作电压为24V的双向高速数据线，根据IEC 61000-4-2（ESD）第4级，可承受超过1000次的ESD冲击，实际规格为±18kV（空气）和±14kV（接触）。该设备采用微型化的0201（0.6x0.3x0.25mm）封装。
图 2. 天线的 ESD 保护接线方式
图3. RClamp2451ZA的电容量 vs 反向电压
图4. RClamp2451ZA的插入损耗 (S21)
显示器触控面板
智慧手环上最常见的显示器是电容式触控萤幕显示器。它在触摸感测器中使用序列电极来感应。电极是一块导电材料，触控控制器监测电极周围产生的电场并将该信息提供给处理器。当用户用手指触摸萤幕时，静电很容易经由触控萤幕传至其后方的组件。危险的静电放电事件可能超过电路的耐受度并损坏触控控制器IC的内部电路。因此，电容式触控萤幕显示器必须受到保护。请参阅下面的图5。
图 5. 触控式萤幕的 ESD 保护
Semtech的RClamp3391ZC旨在保护触控控制器的精密电子零件免于因ESD和EOS事件而损坏。它可保护一条工作电压为3.3V的双向高速数据线路。它具有优秀的ESD保护特性，如在VR=0V，f=1MHz时的典型电容值为超低0.17pF（图6），典型动态电阻仅为0.18Ω（图7）。RClamp3391ZC具有高的静电放电耐受电压，符合IEC 61000-4-2标准，接触放电ESD耐受电压可达±8kV，空气放电耐受电压可达±15kV。RClamp3391ZC还提供标准的0201 DFN封装（0.6 x 0.3 x 0.25 mm）
图6. RClamp3391ZC的电容量 vs. 反向电压
图7. RClamp3391ZC的TLP特性
智慧手环依赖感测器来测量人体的运作情况。例如，心率监测器可以测量每分钟的心跳次数；GPS可以追踪跑步或骑车的行驶距离；陀螺仪可以侦测人在跑步或走路时的运动情况；皮肤温度感测器可以侦测体温的微小变化；而接近感应器则可在需要时唤醒显萤幕。这些只是一些例子，实际上，一个基本的智慧手环中可能会有十多个感测器。高阶智慧手环中还会增加更多感测器，以提供更多的数据给使用者。如果没有适当的ESD保护，感测器电路就可能被人类的互动所损坏，如图8所示。
Semtech的RClamp3371ZC是一种超低电容ESD保护器件，适用于保护智慧手环中的感测器，如图8所示。它具有优秀的ESD保护特性，其典型寄生电容极低，仅为0.23pF（图9），且动态电阻只有0.14Ω。它可以保护一条数据线，其最小崩溃电压为5.5V，最大箝位电压为7V。RClamp3371ZC符合IEC 61000-4-2（ESD）规范保护标准，空气放电±17kV，接触放电±10kV。RClamp3371ZC还提供一个小型0201 DFN封装，其尺寸为0.6 x 0.3 x 0.25毫米。
图 8. 感测器电路的静电放电保护
图 9. RClamp3371ZC 的电容 vs. 反向电压特性曲线
USB Type-C 接口（VBUS 和 D+/D-）
许多智慧手环都使用USB Type-C接口进行充电。一个USB Type-C连接器可以透过USB Power Delivery（USB PD）提供最高100瓦的功率、5安培的电流和20伏特的电压。USB Power Delivery是一种透过USB连接器传送更高功率的技术，它允许更快速充电和更强大的设备支援。如果没有任何应用需要使用USB PD，VBUS（供电线）可以支援5V，最高3A的电流，提供最高15W的功率输出。图10详细描述了具有ESD保护的USB Type-C连接器的接脚配置。
图10. USB Type-C界面的ESD保护
现今大多数的智慧手环使用5伏特3安培的VBUS接脚来充电。VBUS接脚的安全性需要一个具有快速反应时间和低箝位电压的单向静电放电保护器件来保护。通常低电容对于VBUS线路来说不是一个重要考量，因为VBUS本身就包含大电容稳压。以前述的条件，Semtech的µClamp®1291ZA非常适合保护VBUS接脚。µClamp1291ZA的工作电压为12伏特。它依据IEC 61000-4-2（静电放电）的规格提供瞬态保护，在±20kV（空气放电）和±15kV（接触放电）下。µClamp1291ZA提供0.29Ω的动态电阻（图11），峰值脉冲电流为10A（tp=8/20µs）。µClamp1291ZA的ESD箝位电压（+8kV接触）如图12所示。µClamp1291ZA采用超小的DFN 0201 2接脚封装。
图11. µClamp1291ZA的TLP特性
图 12. µClamp1291ZA 的 ESD 箝位电压（+8KV 接触放电）
USB Type-C埠中的D+/D-线用于USB 2.0界面。 D+和D-接脚传输差分480Mbps数据信号，这些差分线上的电压在正常工作条件下可达到3.3V。使用Semtech的RClamp2261ZA可保护D+/D-线，同时保持信号完整性 (见图2)，因为该元件仅具有0.35pF（典型值）的电容量（见图13）。RClamp2261ZA的工作电压为22V。 该元件提供10.5V的典型导通电压（IPP = 18A，tp = 8/20µs）（见图14）和最小击穿电压为24V。 它依据IEC 61000-4-2（ESD）的规格提供瞬态保护，可承受±30kV（空气放电）和±25kV（接触放电）的ESD。 这种双向TVS二极体采用超小的DFN 0201 2接脚封装
图13. RClamp2261ZA的TLP特性
侧边按钮
每个智慧手环都至少有两个侧面按钮。这些侧面按钮可能会在与使用者直接接触时受到静电打击（见图15）。这些侧面按钮大多是在5V或更低的工作电压下工作的直流开关。保护侧面按钮时，超低电容不是必要的要求。Semtech的µClamp5031ZA拥有卓越的ESD保护特性，其动态电阻仅为0.008Ω（见图16）。它的工作电压为5V，额定的最大EOS峰值脉冲电流为7.5A（tp=8/20µs）。在峰值电流为4A时，µClamp5031ZA的典型箝位电压为7.5V。µClamp5031ZA按照IEC 61000-4-2（ESD）的规格提供瞬态保护，空气放电和接触放电皆为±30kV。这种双向TVS二极体也提供微型的0201 DFN封装（0.6x 0.3 x 0.25 mm）
图15. 侧边按钮的静电放电保护
图16. µClamp5031ZA的TLP特性
Semtech 提供各种不同的ESD保护二极体，供智能智慧手环使用，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：适用于保护智慧手环的Semtech零件广泛应用
全球对于智慧手环的接受度和使用量不断增加。根据Fortune Business Insights的报告，全球智慧手环市场预计从2020年的363.4亿美元成长至2028年的1,143.6亿美元，年复合增长率为15.4％。由于智慧手环受到巨大的欢迎，因此从各个界面、数据和通信接口充分保护每一个装置，以抵御所有ESD和EOS的威胁是相当重要的。Semtech的可靠ESD保护产品解决了设计挑战，为世界上许多最智慧的智慧手环品牌提供保护。在设计和开发下一代安全可靠的智慧手环时，请联系Semtech。
FAQ
下方提供Semtech 如何挑选TVS的相关知识的影片
1.问：在选择单向和双向TVS保护元件之间，您应该如何做出决定呢？
2.问：为什么静电放电（ESD）保护元件的电容值重要？
3.问：是否可以将多个静电保护元件并联或串连以提供更好的保护效果？
将多个静电保护元件并联使用（并联保护）可以提供更好的保护效果。这是因为并联保护会将静电放电能量分散到多个保护元件，从而降低每个元件上的电压，提高整体保护效率。相比之下，将多个静电保护元件串联使用（串联保护）会增加串联电阻并提高箝位电压。这样做可能会导致过多的电流落在被保护的元件上，从而降低了其保护能力，反而可能对敏感元件造成损害。
4.问：选择保护元件时如何选TVS的工作电压？
“Reverse Stand-Off Voltage”是指TVS（Transient Voltage Suppressor）保护元件的反向截止电压。这是保护元件在正常工作状态下可以承受的最大反向电压，也就是它的反向偏压。当电路中的反向电压低于这个值时，保护元件不会导通，不会影响电路的正常运作。这个参数在选择TVS保护元件时非常重要，特别是在应对过压保护的情况下。选择的反向耐压电压必须高于电路中可能出现的最大反向电压，同时又不能太高，以避免影响正常操作。
例如，如果您的电路最大的反向电压是12伏特，您可以选择一个反向耐压电压稍高于12伏特的TVS保护元件。这样，当出现一些小的反向过压时，保护元件不会导通。然而，当出现超过12伏特的反向过压时，保护元件会迅速导通，将多馀的电压引导到地，防止过电压对电路造成损害。总之，理解并选择适当的TVS保护元件的反向耐压电压是确保电路在遭受反向过压时能够得到适当保护的重要一环。
5.问：如何选择适合的静电保护元件？
选择适合的静电保护元件需要考虑多个因素，以确保它能够有效地保护您的电路免受静电放电和过电压的影响。以下是选择静电保护元件的一些建议步骤：
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了解应用需求： 首先，确定您的应用的需求。考虑您需要保护的工作环境，例如湿度的高低，使用的频繁度等，都与需要保护的等级有关系。
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确定保护位置： 确定保护元件应该放置在电路中的哪个位置。通常情况下，保护元件应该位于电路接口处、输入/输出端口，以及敏感元件周围。
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选择元件类型： 静电保护元件有多种类型，包括TVS二极管、Varistor、Gas Discharge Tube等。根据您的应用需求，选择最适合的元件类型。
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工作电压范围： 根据您的应用的最大操作电压，选择具有适当工作电压范围的保护元件。
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过电压保护等级： 选择一个适当的过电压保护等级，即保护元件导通时的电压。这应该在不影响电路性能的情况下提供足够的保护。
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最大耐电流： 确保保护元件可以承受可能的瞬态过电流。
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反应速度： 不同的保护元件对过电压的应对速度可能不同。根据您的应用，选择适合的应对速度。
转载于 Semtech Anindita Bhattacharya https://blog.semtech.com/protecting-the-health-of-a-fitness-tracker
参考来源