预防TVS闩锁风险的方法与实际案例分析

摘要：   

仰赖先进制程的进步，电子产品得以在更小的面积及体积下实现更加复杂的功能与更低的功耗，在这样的趋势下却也使得主芯片的静电耐受度降低。由于静电导致的失效与市场返修率息息相关，因此各厂牌针对这些易受突波干扰影响的介面接口订定测试规格，并依照IEC 61000-4-2的系统级静电耐受测试才能将系统产品进行量产到市场贩售。         

AMAIZNGIC晶焱科技预防TVS闩锁风险的方法与实际案例分析

然而随着日益严苛的测试条件与需被保护的晶片耐受程度降低，市面上开始出现许多为了提供更低钳制电压却具有闩锁风险的保护器件。本文将针对TVS与闩锁效应进行实例探讨，并提出方法该如何正确选择保护元件避免闩锁效应发生。

实例一：HDMI1.4介面ESD保护器件与闩锁效应

高速通讯界面常使用Re-timer或Re-driver来重塑讯号的完整性，而最常见的就是USB与HDMI Re-timer, 功能包含通讯协议间的转换并增加PCB线路设计上的弹性。然而这样的线路应用除了上拉电阻直接接到电源之外，其IC的Output driver会有较高的电流驱动能力，也造成了TVS 发生Latch-up的来源之一。         

我们以终端产品的HDMI 1.4连接萤幕来做闩锁效应的实测，同时以示波器撷取TMDS channel的电平变化。实验过程我们将确认系统正常运作后，以ESD Gun对HDMI Port进行静电放电，此时ESD保护元件会导通来保护后端IC，如下图表示。

Fig. 1具有闩锁风险之TVS在HDMI介面ESD实验流程图

实验过程观察萤幕在ESD放电后黑屏，利用示波器观察被闩锁TVS(非晶焱科技产品)的电压从正常显示的2.8V被拉低到1.8V的低电平使得通讯失效。我们将此TVS使用曲线追踪仪Tektronix 370A量测大电流下的IV特性，发现此TVS进入低阻抗导通状态后，其导通的最低电压Vhold即为1.8V，如下图表示。 (此TVS使用SCR架构，有回弹的特性可达到更低的钳制电压表现)

Fig. 2具闩锁风险的TVS电气特性图

根本原因探讨：HDMI 1.4 Re-timer输出电压为2.8V(最低输出电压为2.6V)，而TVS Vhold则在1.8V，查找Re-timer规格书中TMDS短路输出电流最大可到50 mA (因为TVS导通后会形成极低阻抗路径，可视为IC 输出短路到地的情况)，这样的电流驱动能力可以令TVS进入闩锁后无法关闭。若无透过外部拔除插头使IC断电，则无法回复屏幕显示与电压位准，在长时间的电流导通情况下，对于IC本身与TVS皆可能造成不可逆的潜在威胁，如热失效或漏电大幅增加…等等。         

因此在HDMI TMDS Channel，晶焱科技推荐客户使用 VRWM≧3.3V的TVS作为保护元件，如: AZ1143-04F for HMDI 1.4/2.0与AZ1123-04F for HDMI 2.1，晶焱科技秉持着对可靠度与品质的最高要求，在追求低钳制电压的保护器同时，确保Vhold>VRWM，晶焱全系列TVS皆无Latch-up风险!

实例二：Power Management Circuit Protection in Portable Device

电池与其电源管理IC - LDO(低压降稳压器)是移动式装置供电的核心，为了达成装置的电压输出稳定与最佳可靠度，在电压输出的脚位建议使用TVS来做静电保护。然而在电源输出的脚位不慎采用具有Latch-up风险的TVS更是大忌，因为其电流输出能力极强，会在短时间内造成电池耗电并使得TVS导通大电流，严重可能会造成元件烧毁引发硬件损坏。         

实际案例中，客户对3.3VLDO输出进行ESD测试后发现异常，我们在实验过程量测电压位准，发现原3.3V已被下拉至2.85V，与LDO输出不符，并且必须将电池拔除断电后才能回复正常工作电压，研判此现象非常有可能是TVS发生了闩锁效应。我们与客户确认此TVS的规格书，发现标示3.3V工作电压VRWM的TVS其Vhold电压最低为2.8V，因此确认是不当的TVS选择导致闩锁造成的系统失效。                  

此案更换为晶焱科技VRWM 3.3V的AZ5123-01H后，成功帮助客户解决问题。

Fig.3在LDO测试ESD造成的TVS闩锁效应分析

总结，晶焱科技仍在持续努力提供更低钳制电压的TVS开发，同时也帮助客户提升产品规格与可靠度。从系统面替客户着想，不将风险转嫁于客户，提供低钳制电压以及无闩锁风险的保护器件是我们对客户的承诺。

审核编辑：汤梓红