单片机闩锁发生的机理?

描述

  什么是“闩锁效应”?这对刚开始做单片机开发的新手来说有点陌生。单片机开发工程师解释,从构造上来看,单片机由大量的PN结组成。有一个由四重结构“PNPN”组成的部分,其中连接了两个PN结。PNPN的结构是用作功率开关元件的“晶闸管”(Thyristor)的结构,并且单片机中的PNPN部分被称为“寄生晶闸管”。

  单片机开发工程师介绍,晶闸管由三个端子组成:阳极(正极),阴极(负极)和栅极(门)。通常,电流不从阳极流向阴极,但是当信号输入到栅极时,电流从阳极流向阴极。流。一旦电流开始流动,除非电源关闭,否则它将继续流动。由于此时的导通电阻非常小,因此流过大电流。在单片机的寄生晶闸管中发生相同现象的现象称为“闩锁”。

  当单片机发生闩锁时,大电流流入内部,不仅导致无法正常工作,而且还可能导致单片机内部的导线熔化并损坏元件。如果使用正确,将不会发生闩锁,但是如果您错误地启动电源或陡峭的高压噪声进入引脚,则会发生闩锁。图1是单片机表面上的金属布线的图片,该金属布线实际上已被闩锁电流熔化。

  闩锁效应

  图1:闩锁电流使单片机表面的金属线熔化

  一、晶闸管结构是什么样的?

  图2显示了晶闸管(PNPN)的结构。当将正电势施加到阳极而将负电势施加到阴极时,由于J1和J3为正向,而J2为反向,因此没有电流从阳极流向阴极。

  闩锁效应

  图2:晶闸管结构

  然而,当将电压施加到栅极并且电流流动时,J2的反向电流被栅极电流加速,并且电流流过J2。由于J1和J3本质上是向前的,因此当发生这种现象时,电流开始从阳极流向阴极。

  一旦电流开始流动,除非阳极电源关闭,否则它将继续流动。

  这是晶闸管切换操作。利用这种操作,晶闸管被用作电力设备中的开关元件。

  PNPN结被认为是PNP晶体管和NPN型的组合,如图2-b所示。电路图显示了如图2-c所示的双晶体管配置。

  Tr1的发射极(E)成为晶闸管阳极,基极是Tr1的集电极(C),Tr2的基极(B),阴极是Tr2的发射极(E)。

  二、闩锁发生的机理?

  图3显示了应用于单片机CMOS中的两个晶体管。

  闩锁效应

  图3:闩锁发生的机制

  上图中的示例适用于N-SUB。此外,存在P-SUB的情况,但在两种情况下均会形成寄生PNPN结,因此可以以相同方式考虑闩锁的原理。

  Tr1由PMOS的源极的Pch形成,该PMOS的源极连接到N-SUB的电源,然后再连接到P-WELL。然后,Tr2由从N-SUB连接到P-WELL和GND的NMOS源极的Nch路径形成。

  Tr1和Tr2形成为如图3的CMOS中的黄线所示。电源侧为阳极,GND侧为阴极,而栅极等效于NMOS P-WELL。

  CMOS输入线连接到NMOS的栅极。栅极和P-WELL在插入栅极氧化膜的情况下形成与电容器相同的结构。电容器很容易通过高频信号,因此,如果噪声进入输入线,并且噪声的dV/dt大(高频分量大),则它会穿过栅氧化膜并到达P-WELL。这将触发PNPN结导通,从而导致大电流从电源流向GND。

  另外,如果电源线急剧波动,特别是如果它向负侧波动,则栅极电压将高于电源电压,并且状态将与噪声进入栅极时相同。如果在建立单片机的电源之前在端子上施加了电压,则会发生此状态。

  单片机开发工程师表示,由于单片机内部有无数个PNPN结,因此我们无法得知哪个PNPN结会引起闩锁。

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