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)今先進制程的進步對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)足以面對這種威脅的保護元件益發(fā)成為IC設(shè)計工程師的挑戰(zhàn)。

當我們使用具有SCR (Silicon Controller Rectifier) 結(jié)構(gòu)的ESD保護元件時，其 I-V 曲線具有snap-back的特性 (如圖一)。本文將會說明SCR架構(gòu)之ESD保護元件特殊的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)必須透過突波的觸發(fā)使保護元件進入導通狀態(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元件依舊會處于啟動導通的狀態(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，將會使元件持續(xù)維持在導通狀態(tài)無法被截止。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)在低電壓導通狀態(tài)會導引大量電流經(jīng)由TVS流向GND，使得TVS持續(xù)升溫甚至燒毀。另一個顯著的影響是由于TVS持續(xù)導通的關(guān)系，訊號線或電源的位準被鉗制在低電壓，使得訊號無法正常傳輸或是電源無法達到正常的電壓位準造成系統(tǒng)異常。

如何降低閂鎖效應(yīng)的風險?

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)高風險之下 (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

如利用負載線來進行閂鎖效應(yīng)的評估，由于TVS的Ihold會隨著環(huán)境溫度有很大的變化，且此評估方式對于系統(tǒng)設(shè)計工程師來說不夠直觀，導致增加設(shè)計時程及選料錯誤的風險。而晶焱科技直接確保TVS的Vhold必須大于VRWM，以提供客戶無閂鎖效應(yīng)風險的TVS。

閂鎖效應(yīng)的真實案例

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

此實驗中以終端客戶的HDMI1.4接口外接螢?zāi)粊碜鲩V鎖效應(yīng)的功能實測，同時以示波器觀察IO訊號的電壓位準變化。在確認系統(tǒng)正常運作于BIOS Mode后，以ESD Gun對HDMI Port進行1kV靜電放電，與此同時放置在HDMI訊號線上的TVS會導通來保護后端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. 選用錯誤的TVS造成的閂鎖效應(yīng)

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

圖六. 帶有閂鎖效應(yīng)風險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在訊號線的短路輸出電流最大可達50 mA，而此TVS受突波觸發(fā)導通后即滿足IC輸出短路到地的低阻抗路徑條件，這樣的電流驅(qū)動能力使得TVS進入閂鎖狀態(tài)后無法關(guān)閉。此時，若無透過外部插拔連接器使IC斷電，則無法回復屏幕顯示與電壓位準。在這個Latch-up實例所觀察到的長時間電流導通情況下，對于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，以力求兼顧保護能力與系統(tǒng)設(shè)計安全。 晶焱科技保證不提供具有Latch-up風險的產(chǎn)品，在設(shè)計時即確保Vhold > VRWM來隔絕任何發(fā)生閂鎖效應(yīng)的可能性。無閂鎖效應(yīng)風險的 TVS可以確保系統(tǒng)產(chǎn)品的穩(wěn)定運作，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