HK32MCU应用笔记（七）| 航顺HK32MCU闩锁效应问题研究及预防措施

闩锁效应简介

可控管(SCR)是一种PNPN结构，是CMOS工艺的固有结构之一，它由NMOS的有源区、P衬底、N阱、PMOS的有源区构成SCR结构(PNPN结构)，当其中一个三极管正偏时，就会构成正反馈形成闩锁。闩锁效应是CMOS工艺所特有的寄生效应，严重会导致电路的失效，甚至烧毁芯片。避免闩锁的方法就是要减小衬底和N阱的寄生电阻，使寄生的三极管不会处于正偏状态。

静电是一种看不见的破坏力，会对电子元器件产生影响。静电放电(ESD)和相关的电压瞬变都会引起闩锁效应（latch-up），是半导体器件失效的主要原因之一。应该看到，如果有一个强电场施加在器件结构中的氧化物薄膜上，则该氧化物薄膜就会因介质击穿而损坏。很细的金属化迹线会由于大电流而损坏，并会由于浪涌电流造成的过热而形成开路。这就是所谓的“闩锁效应”。在闩锁情况下，器件在电源与地之间形成短路，造成大电流、EOS（电过载）和器件损坏。

由于MOS工艺含有许多内在的双极型晶体管，在CMOS工艺下，阱与衬底结合会导致寄生的n-p-n-p结构。这些结构会导致VDD和VSS线的短路，从而通常会破坏芯片，或者引起系统错误。

闩锁效应原理

如下图所示，Q1为一垂直式PNP BJT(双极结型晶体管), 基极(base)是nwell, 基极到集电极(collector)的增益可达数百倍；Q2是一侧面式的NPN BJT，基极为P substrate，到集电极的增益可达数十倍；其中，Rwell是nwell的寄生电阻；Rsub是substrate电阻。

原理示意图

闩锁效应的产生机理

①以上四元件构成可控硅（SCR）电路，当无外界干扰未引起触发时，两个BJT处于截止状态，集电极电流是C-B的反向漏电流构成，电流增益非常小，此时Latch up不会产生。
②当其中一个BJT的集电极电流受外部干扰突然增加到一定值时，会反馈至另一个BJT，从而使两个BJT因触发而导通（通常情况下是PNP比较容易触发起来），VDD至GND（VSS）间形成低抗通路。之后就算外界干扰消失，由于两三极管之间形成正反馈，还是会有电源和地之间的漏电，即锁定状态。闩锁效应（latch-up）由此而产生。

闩锁效应触发场景模拟

航顺HK32MCU的HK32F0系列和HK32F1系列之软硬件都兼容国外品牌MCU，已大批量应用于各种电子产品中。其工作电压支持2.0V~5.5V，为了方便模拟触发闩锁效应（latch-up），下面几个应用场景测试条件都是VCC=5.5V的工作电压。

场景一

测试条件：VCC=5.5V，VCC脚没有去耦电容，所有GPIO悬空。
测试方法：给VCC快速上电

测试结果：触发闩锁效应（latch-up）

分析：如下图所示，VCC上电速度符合要求，理论不会触发Latch up，但从上电波形上看，上电后VCC有过冲至6V~7V，甚至更高，推测过冲触发闩锁效应（latch-up）。

场景一：VCC波形图

场景二

测试条件：VCC=5.5V，VCC脚有0.1uF去耦电容，所有GPIO悬空。
测试方法：给VCC快速上电

测试结果：触发闩锁效应（latch-up）

分析：VCC上电速度符合要求，但从上电波形上看，上电后VCC有过冲现象，甚至比场景一更严重，推测过冲触发闩锁效应（latch-up）。

场景二：VCC波形图

场景三

测试条件：VCC=5.5V，VCC脚有0.1uF+1uF去耦电容，所有GPIO悬空。
测试方法：给VCC快速上电

测试结果：触发闩锁效应（latch-up）

分析：VCC上电速度符合要求，但从上电波形上看，上电后VCC仍有过冲至6V~7V现象，和接0.1uF去耦电容差别不大，推测过冲触发闩锁效应（latch-up）。

场景三：VCC波形图

场景四

测试条件：VCC=5.5V，VCC脚有0.1uF+1uF去耦电容，所有GPIO悬空。
测试方法：给VCC快速下电（模拟外部强负载情形）

测试结果：触发闩锁效应（latch-up）

分析：VCC电压快速跌落，形成VCC下冲至过低现象，推测下冲触发闩锁效应（latch-up）。由于触发了闩锁效应（latch-up）以及设置了200mA限流, VCC无法重新恢复到5.5V。

场景四：VCC波形图

场景五

测试条件：VCC=5.5V，VCC脚有0.1uF+1uF去耦电容，并串有1欧姆电阻，将某IO口直接接到电源。
测试方法：给VCC快速上电

测试结果：触发闩锁效应（latch-up）

分析：上电瞬间，IO口电压高于VCC，容易触发Latch up。

场景五：电路图

以上五种场景都是可能触发闩锁效应(latch-up)问题的场景，改善措施及参考原理图如下：

1. 抑制MCU端VCC在上电或下电瞬间产生过冲或下冲现象，在电源和芯片VCC之间串入1欧姆电阻，并在芯片VCC上加0.1uF和1uF去耦电容。

2.避免默认需要高电平的IO口直接接到电源现象，需要通过1K或以上的上拉电阻上拉至电源。

参考原理图

通过以上改善措施，测得VCC电源波形如下，由于有电阻和电容的抑制，VCC上没有出现过冲现象，测试结果完全不会触发触发闩锁效应（latch-up）。

改善后的VCC波形

闩锁效应预防措施总结

从上述闩锁效应的产生机理、触发场景模拟和改善措施的测试结果可以看到，触发闩锁效应（latch-up）问题的有很多的因素，要防止闩锁效应（latch-up），大致有两方面措施：一是从芯片的角度讲，可以通过芯片工艺的改进和设计的优化来消除闩锁的危险，二是从应用的角度讲，可以通过一些预防措施，降低触发闩锁效应（latch-up）的几率，具体如：

1）在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不超过规定电压。

2）芯片的电源输入端加去耦电容，防止VCC端出现瞬间的高压。

3）在VCC和外电源之间加限流电阻，即使有大的电流也不让它进去。

4）当系统由几个电源分别供电时，开关要按下列顺序：开启时，先开启CMOS电路的电源，再开启输入信号和负载的电源；关闭时，先关闭输入信号和负载的电源，再关闭CMOS电路的电源。

来源：航顺芯片

　　审核编辑：汤梓红