AMAZINGIC晶焱科技如何正確選用SCR架構(gòu)TVS以避免閂鎖效應(yīng)

現(xiàn)今先進(jìn)制程的進(jìn)步對(duì)于晶片中高速介面的影響與日俱增，由于制程微縮使得晶片對(duì)于ESD/EOS的耐受力下降以致于更容易受到外在突波損傷，研發(fā)足以面對(duì)這種威脅的保護(hù)元件益發(fā)成為IC設(shè)計(jì)工程師的挑戰(zhàn)。

當(dāng)我們使用具有SCR (Silicon Controller Rectifier) 結(jié)構(gòu)的ESD保護(hù)元件時(shí)，其 I-V 曲線具有snap-back的特性 (如圖一)。本文將會(huì)說(shuō)明SCR架構(gòu)之ESD保護(hù)元件特殊的I-V特性與閂鎖(Latch-up) 效應(yīng)的關(guān)系，以避免為了更低的鉗位電壓而選錯(cuò)TVS，闡述發(fā)生閂鎖效應(yīng)的條件以及如何避免發(fā)生閂鎖效應(yīng)。

圖一. SCR TVS I-V 曲線

閂鎖效應(yīng)的定義

要形成閂鎖效應(yīng)必須透過(guò)突波的觸發(fā)使保護(hù)元件進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，譬如ESD、surge、或是EMI造成的感應(yīng)電壓等。如閂鎖效應(yīng)被觸發(fā)，即使是外界的突波已經(jīng)衰減，但ESD元件依舊會(huì)處于啟動(dòng)導(dǎo)通的狀態(tài)，這就是閂鎖效應(yīng)典型的現(xiàn)象 (如圖二) 。

圖二. SCR TVS持續(xù)維持在導(dǎo)通狀態(tài)

如果外界能量提供足夠的bias電壓 (Vbias) 及bias電流 (Ibias) 施加在TVS之上，將會(huì)使元件持續(xù)維持在導(dǎo)通狀態(tài)無(wú)法被截止。如果要將閂鎖效應(yīng)解除，必須使系統(tǒng)斷電，亦或使Vbias < Vhold或是Ibias < Ihold。 TVS持續(xù)在低電壓導(dǎo)通狀態(tài)會(huì)導(dǎo)引大量電流經(jīng)由TVS流向GND，使得TVS持續(xù)升溫甚至燒毀。另一個(gè)顯著的影響是由于TVS持續(xù)導(dǎo)通的關(guān)系，訊號(hào)線或電源的位準(zhǔn)被鉗制在低電壓，使得訊號(hào)無(wú)法正常傳輸或是電源無(wú)法達(dá)到正常的電壓位準(zhǔn)造成系統(tǒng)異常。

如何降低閂鎖效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)?

由于CMOS制程持續(xù)不斷的推陳出新，使得IC本體的ESD耐受度不若以往，所以改善外部TVS保護(hù)元件的鉗位電壓 (Vclamp) 就扮演著更重要的角色。但如果為了追求更低的鉗位電壓而使得Vhold < Vbias，TVS將曝露在發(fā)生閂鎖效應(yīng)高風(fēng)險(xiǎn)之下 (如圖三) 。

圖三. Vhold超出安全操作區(qū)間

(如圖四) TVS的安全操作區(qū)間介于信號(hào)傳輸?shù)碾妷簠^(qū)間(Vbias+10% ) 以及后端IC發(fā)生硬體毀損的電壓區(qū)間 (Vmax) 之間。

圖四. Vhold于安全的操作區(qū)間

如利用負(fù)載線來(lái)進(jìn)行閂鎖效應(yīng)的評(píng)估，由于TVS的Ihold會(huì)隨著環(huán)境溫度有很大的變化，且此評(píng)估方式對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)不夠直觀，導(dǎo)致增加設(shè)計(jì)時(shí)程及選料錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。而晶焱科技直接確保TVS的Vhold必須大于VRWM，以提供客戶無(wú)閂鎖效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的TVS。

閂鎖效應(yīng)的真實(shí)案例

高速通訊界面常使用Re-timer或Re-driver來(lái)重整訊號(hào)的品質(zhì)，在此案例中客戶使用HDMI Re-timer來(lái)強(qiáng)化HDMI1.4的訊號(hào)，減少jitter的影響并增大訊號(hào)的震幅使得在PCB訊號(hào)線長(zhǎng)設(shè)計(jì)上更具有展延的彈性。在HDMI的應(yīng)用中，訊號(hào)線上有pull-up電阻連接到電源，如此將使訊號(hào)線可以具有較高的電流驅(qū)動(dòng)能力，但若TVS選料不當(dāng)此電流源將成為發(fā)生Latch-up的重要背景因素。

此實(shí)驗(yàn)中以終端客戶的HDMI1.4接口外接螢?zāi)粊?lái)做閂鎖效應(yīng)的功能實(shí)測(cè)，同時(shí)以示波器觀察IO訊號(hào)的電壓位準(zhǔn)變化。在確認(rèn)系統(tǒng)正常運(yùn)作于BIOS Mode后，以ESD Gun對(duì)HDMI Port進(jìn)行1kV靜電放電，與此同時(shí)放置在HDMI訊號(hào)線上的TVS會(huì)導(dǎo)通來(lái)保護(hù)后端Re-timer。如圖五所示，在1kV ESD放電后立即可以觀察到螢?zāi)怀霈F(xiàn)黑屏的現(xiàn)象，利用示波器量測(cè)到被閂鎖TVS (非晶焱科技產(chǎn)品) 的電壓，從正常顯示的2.8V被拉低到1.8V的低電位使得HDMI通訊中止。

圖五. 選用錯(cuò)誤的TVS造成的閂鎖效應(yīng)

我們使用曲線追蹤儀Tektronix 370A量測(cè)此TVS在大電流下的IV特性并進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)此TVS進(jìn)入低阻抗導(dǎo)通狀態(tài)后，其導(dǎo)通的最低電壓Vhold即為1.8V，如圖六所示。

圖六. 帶有閂鎖效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)TVS的IV-Curve

經(jīng)查詢HDMI1.4 Re-timer規(guī)格書電性規(guī)格，輸出電壓為2.8V (最低輸出電壓為2.6V)，而此造成閂鎖效應(yīng)的TVS Vhold則僅為1.8V。此外，HDMI Re-timer在訊號(hào)線的短路輸出電流最大可達(dá)50 mA，而此TVS受突波觸發(fā)導(dǎo)通后即滿足IC輸出短路到地的低阻抗路徑條件，這樣的電流驅(qū)動(dòng)能力使得TVS進(jìn)入閂鎖狀態(tài)后無(wú)法關(guān)閉。此時(shí)，若無(wú)透過(guò)外部插拔連接器使IC斷電，則無(wú)法回復(fù)屏幕顯示與電壓位準(zhǔn)。在這個(gè)Latch-up實(shí)例所觀察到的長(zhǎng)時(shí)間電流導(dǎo)通情況下，對(duì)于IC本身與TVS皆可能造成如燒毀或漏電大幅增加…等等不可逆的潛在威脅。 因此在HDMI TMDS Channels，晶焱科技推薦客戶使用 VRWM≧3.3V的TVS作為保護(hù)元件，如: AZ1143-04F for HMDI 1.4/2.0與AZ1123-04F for HDMI 2.1，以力求兼顧保護(hù)能力與系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全。 晶焱科技保證不提供具有Latch-up風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)時(shí)即確保Vhold > VRWM來(lái)隔絕任何發(fā)生閂鎖效應(yīng)的可能性。無(wú)閂鎖效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的 TVS可以確保系統(tǒng)產(chǎn)品的穩(wěn)定運(yùn)作，采用晶焱科技的產(chǎn)品將是您最好的選擇。

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審核編輯 黃宇