保护健身追踪器的健康
不久以前，我唯一的健身追踪器是口袋里的计步器，用来测量我每天的步数。从那以后，情况发生了非常迅速的变化。我现在在手腕上有一块智能手表来跟踪我的日常活动，包括完成的步数、走的距离、燃烧的卡路里、心率和呼吸模式。我还可以通过智能手表接收信息提醒、接电话、听我最喜欢的播客、查看天气。这些都是除了看到一天的准确时间之外。由于所有这些创新功能，佩戴智能手表并将其用作健身追踪器是全球健康意识人群的趋势。虽然这些可穿戴设备可以帮助人们保持健康，但制造商需要特别注意保护这些可穿戴设备免受佩戴者身体产生的电过度压力(EOS)和静电放电(ESD)的影响。
健身追踪器端口和接口的ESD保护
当一个电荷高的物体与一个电荷低的物体接触时，电荷就从一个物体流向另一个物体。这种电荷(电子)的转移可能导致高达数千伏特的ESD事件。当人体接触电子设备时，会产生静电，有可能导致灾难性的ESD事件。健身追踪器有端口和接口，比如用于电池充电的usb、用于通信的天线、用于视觉显示的触摸面板和几个侧面按钮。任何健身追踪器都有多个传感器，可以监测佩戴者的活动和健康状况。请参考图1健身追踪器的潜在接口示意图。健身追踪器有许多接口、传感器和数据端口，特别容易因人类接触产生的多个ESD事件而损坏。这些事件会损坏健身追踪器复杂的电路，还可能导致佩戴者严重受伤。因此，防静电保护不仅对健身追踪器很重要;这是必须的。
图1。健身追踪器接口的基本框图
在使用瞬态电压抑制(TVS)二极管保护跟踪器时，至少要记住三件重要的事情。
为了保护健康追踪器的敏感集成电路免受电过度应力(EOS)和ESD事件的影响，TVS二极管需要满足IEC 61000-4-2测试标准中规定的ESD放电标准，即接触至少±8kV，空气至少±15kV。在大多数情况下，最好选择更高规格的TVS二极管，如空气±30kV，触点±30kV，以更好地保护多种ESD/EOS事件。
健身追踪器使用多种通信协议在智能手机、平板电脑或其他健身追踪器之间传输数据。这些数据传输通过无线连接(如蓝牙)、近场通信(NFC)、有线连接(如USB 2.0 (D+/D-))或低功耗Wi-Fi接口完成。由于这些是高速差分数据线，TVS二极管需要在瞬态事件期间通过保持低线对线电容来保护电路，以便信号的强度不会降低。由于这些差分线在高速传输数据的同时，具有超低线对线电容的TVS二极管对于确保信号完整性至关重要。
最后一点要记住的是，TVS二极管的尺寸应该是最小的，以适应健身跟踪器的小包装。0201(0.024“x 0.012”)封装的TVS二极管是健身追踪器的合适解决方案。在公制单位中，这个包被称为0603 (0.6mm x 0.3mm)。
蓝牙和NFC天线
健身追踪器中使用的天线在连接到人体时收集和交换数据方面至关重要。蓝牙支持1Mbps到2Mbps的最大数据速率，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天线通常通过健身追踪器上的接触点连接到控制器IC。静电攻击可以通过这些接触点发生。因此，TVS二极管必须放置在天线和控制器之间。(参考图请参见图2。)为了保证天线在该高频范围内信号的完整性，需要采用具有超低结电容的双向ESD保护装置。这些信号的峰值电压也应该保持稳定。
Semtech的RClamp®2451咱采用极低的线对线电容0.35pF(图3)保护天线接口，确保信号完整性和射频信号无谐波失真。该器件对传输线阻抗和浅插入损耗特性的影响最小，在10GHz频率下损耗为1.2dB(图4)，这使其成为健身跟踪器天线的引人注目的ESD保护器件。它保护在24V下工作的双向高速数据线。RClamp2451ZA可以承受超过1000个ESD打击，符合IEC 61000-4-2 (ESD) 4级，规格为±18kV(空气)和±14kV(接触)。它内置在一个微小的0201 (0.6x0.3x0.25mm)包中。
图2。天线的ESD保护
图3。RClamp2451ZA的电容与反向电压的关系
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图4。RClamp2451ZA的插入损耗(S21)
触摸屏显示
健身追踪器上最常见的显示器是电容式触摸屏显示器。它在触摸传感器中使用了一系列电极。电极是一块导电材料。触摸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。当用户用手指触摸触摸屏时，静电很容易通过触摸屏及其下面的部件。危险的ESD事件可以超过电路的最大允许正向电压并损坏触摸控制器IC的内部电路。因此，电容式触摸屏显示必须受到保护。请参考下面的图5。
图5。触摸屏显示的静电保护
Semtech的RClamp3391ZC旨在保护触摸控制器的精密电子元件免受ESD和EOS事件的损坏。它保护一条工作在3.3V的双向高速数据线。它具有优异的ESD保护特性，如VR=0V, f=1MHz时的超低典型电容为0.17pF(图6)，典型动态电阻仅为0.18Ω(图7)。RClamp3391ZC具有高ESD耐压，符合IEC 61000-4-2，接触±8kV和空气±15kV。RClamp3391ZC也可采用行业标准0201 DFN封装(0.6x 0.3 x 0.25 mm)。
图6。RClamp3391ZC的电容与反向电压的关系
图7。RClamp3391ZC的TLP特性
保护传感器
健身追踪器依靠传感器来测量人体的运作方式。例如，心率监测器测量每分钟的心跳。GPS跟踪跑步或骑自行车的距离，陀螺仪检测跑步或走路的人的运动，皮肤温度传感器检测体温的轻微变化，接近传感器在需要时唤醒显示器。这只是几个例子。在现实中，可能会有超过12个传感器在一个基本的健身追踪器中。高端健身追踪器中加入了更多传感器，为用户提供更多数据。如图8所示，如果没有适当的ESD保护，传感器电路可能会因人的交互而损坏。
Semtech的RClamp3371ZC为一种适用于保护健身追踪器传感器的超低电容ESD保护装置，如图8所示。它具有优越的ESD保护特性，突出表现为极低的典型结电容0.23pF(图9)和仅0.14Ω的动态电阻。保护一条数据线，击穿电压最小为5.5V。最大夹紧电压为7V。RClamp3371ZC提供瞬态保护，根据IEC 61000-4-2 (ESD)在±17kV(空气)和±10kV(接触)的规格。RClamp3371ZC也可在小型0201 DFN封装，公称尺寸为0.6 x 0.3 x 0.25 mm。
图8。传感器电路的ESD保护
图9。RClamp3371ZC的电容与反向电压
USB Type-C接口(VBUS和D+/D-)
很多健身追踪器都有USB Type-C接口充电。USB Type-C连接器可以使用USB电源传输(USB PD)提供高达100W的功率，5A的电流和20V的电压。如果任何应用都不需要USB PD, VBUS可以在3A支持5V，使其可交付功率为15W。图10详细说明了USB Type-C引脚配置ESD保护。
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图10。USB Type-C接口ESD保护
大多数现代健身追踪器在VBUS引脚处使用5V的3A电压为电池充电。VBUS引脚的安全性需要单向ESD保护装置，响应时间快，夹紧电压低，以保护VBUS引脚。一般来说，低电容不是VBUS线路的考虑因素，因为它通常对额外的电容不敏感。满足所有这些标准，Semtech的µ夹®1291咱是保护VBUS引脚的理想选择。µClamp1291ZA工作电压为12V。根据IEC 61000-4-2 (ESD)的规范提供±20kV(空气)和±15kV(接触)的瞬态保护。µClamp1291ZA的动态电阻为0.29Ω(图11)，峰值脉冲电流为10A (tp=8/20µs)。µClamp1291ZA的ESD夹紧(+8kV触点)如图12所示。µClamp1291ZA采用超小型DFN 0201 2-lead封装。
图11。µClamp1291ZA的TLP特性
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图12。ESD夹紧(+8kV触点)µClamp1291ZA
USB Type-C接口的D+/D-线用于USB 2.0接口。D+和D-引脚携带差分480Mbps数据信号，这些差分线路上的电压在正常工作条件下可以达到5V。D+/D-线可以使用Semtech的保护RClamp2261ZA同时保持信号完整性(图2)，因为它只有0.35pF(典型)电容(图13)。RClamp2261ZA的工作电压为22V。该器件的典型夹紧电压为10.5V (IPP=18A, tp=8/20µs)(图14)，最小击穿电压为24V。根据IEC 61000-4-2 (ESD)的规范提供±30kV(空气)和±25kV(接触)的瞬态保护。这种双向电视二极管采用超小型DFN 0201 2引线封装。
图13。RClamp2261ZA的TLP特性
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图14。RClamp2261ZA的ESD夹紧(+8kV触点)
面按钮
每个健身追踪设备都至少有两个侧边按钮。当这些侧边按钮与用户直接接触时，它们可能遭受ESD打击(图15)。这些侧按钮大多是工作电压为5V或更低的直流开关。超低电容并不是保护侧边按钮的强制要求。Semtech的µClamp5031ZA具有突出的ESD保护特性，突出的是微弱的动态电阻0.008Ω(图16)。它的工作电压为5V，额定最大EOS峰值脉冲电流为7.5A (tp=8/20µs)。峰值电流为4A时的典型夹紧电压为7.5V。µClamp5031ZA根据IEC 61000-4-2 (ESD)的规范在±30kV(空气)和±30kV(接触)提供瞬态保护。这种双向TVS二极管可在一个微小的0201 DFN封装(0.6x 0.3 x 0.25 mm)以及。
图15。侧边键防静电保护
图16。µClamp5031ZA的TLP特性
Semtech为智能健身追踪器提供各种ESD保护二极管，如表1所示。
| 零件号 | VRWM (V) | 行 | 电容(Typ) (pF) | 防静电等级(空气/接触) | 飙升(8 x20µs) | 大小 (毫米) |
| RClamp01811ZA | 1.8 v | 1 | 0.55 pf | ±30 kv /±20 kv | 8 | 0.6 x0.3x0.25mm |
| RClamp3331Z2C | 3.3 v | 1 | 0.35 pf | ±22 kv /±18千伏 | 4 | 0.43 x0.23x0.15mm |
| µClamp3311Z2C | 3.3 v | 1 | 3.3 pf | ±25 kv /±20 kv | 4 | 0.43 x0.23x0.15mm |
| µClamp3351ZA | 3.3 v | 1 | 5 pf | ±30 kv /±20 kv | 6 | 0.6 x0.3x0.25mm |
| µClamp3331ZA | 3.3 v | 1 | 16.5 pf | ±30 kv /±30千伏 | 5 | 0.6 x0.3x0.25mm |
| RClamp03372ZC | 3.3 v | 2 | 0.22 pf | 17±kv /±10 kv | 9 | 0.62 x0.32x0.25mm |
| RClamp4041ZA | 4.0 v | 1 | 0.53 pf | ±30 kv /±30千伏 | 20 | 0.6 x0.3x0.25mm |
| µClamp5041Z2C | 5伏 | 1 | 11.8 pf | ±30 kv /±30千伏 | 5 | 0.43 x0.23x0.15mm |
| µClamp5501ZV | 5.5 v | 1 | 445 pf | ±30 kv /±30千伏 | 60 | 1.0 x0.6x0.25mm |
| µClamp1211Z | 12 v | 1 | 19 pf | ±30 kv /±30千伏 | 7一个 | 0.6 x0.3x0.25mm |
| RClamp1851ZA | 18 v | 1 | 0.35 pf | ±20 kv /±17千伏 | 3 | 0.6 x0.3x0.25mm |
表1:用于保护健身追踪器的广泛适用Semtech部件
在全球范围内，健身追踪器的接受度和使用率正在上升。根据《财富》商业洞察全球健身追踪器市场预计将从2020年的363.4亿美元增长到2028年的1143.6亿美元，CAGR为15.4%。随着健身追踪器的广泛普及，充分保护每个接口、数据和通信端口免受ESD和EOS威胁至关重要。Semtech广泛可靠的ESD保护产品解决了设计难题，为世界上许多最智能的健身追踪器品牌提供了保护。在设计和开发下一个安全可靠的下一代健身追踪器时，请联系Semtech。
Semtech、Semtech标志、RClamp和µClamp是Semtech Corporation或其关联公司的注册商标或服务标记。
