如何正确选用SCR架构TVS以避免闩锁效应

AMAZINGIC晶焱科技如何正确选用SCR架构TVS以避免闩锁效应

现今先进制程的进步对于晶片中高速介面的影响与日俱增，由于制程微缩使得晶片对于ESD/EOS的耐受力下降以致于更容易受到外在突波损伤，研发足以面对这种威胁的保护元件益发成为IC设计工程师的挑战。 

当我们使用具有SCR (Silicon Controller Rectifier) 结构的ESD保护元件时，其 I-V 曲线具有snap-back的特性 (如图一)。本文将会说明SCR架构之ESD保护元件特殊的I-V特性与闩锁(Latch-up) 效应的关系，以避免为了更低的钳位电压而选错TVS，阐述发生闩锁效应的条件以及如何避免发生闩锁效应。

 图一. SCR TVS I-V 曲线

闩锁效应的定义

要形成闩锁效应必须透过突波的触发使保护元件进入导通状态，譬如ESD、surge、或是EMI造成的感应电压等。如闩锁效应被触发，即使是外界的突波已经衰减，但ESD元件依旧会处于启动导通的状态，这就是闩锁效应典型的现象 (如图二) 。

图二. SCR TVS持续维持在导通状态

如果外界能量提供足够的bias电压 (Vbias) 及bias电流 (Ibias) 施加在TVS之上，将会使元件持续维持在导通状态无法被截止。如果要将闩锁效应解除，必须使系统断电，亦或使Vbias < Vhold或是Ibias < Ihold。 TVS持续在低电压导通状态会导引大量电流经由TVS流向GND，使得TVS持续升温甚至烧毁。另一个显著的影响是由于TVS持续导通的关系，讯号线或电源的位准被钳制在低电压，使得讯号无法正常传输或是电源无法达到正常的电压位准造成系统异常。

如何降低闩锁效应的风险?

由于CMOS制程持续不断的推陈出新，使得IC本体的ESD耐受度不若以往，所以改善外部TVS保护元件的钳位电压 (Vclamp) 就扮演着更重要的角色。但如果为了追求更低的钳位电压而使得Vhold < Vbias，TVS将曝露在发生闩锁效应高风险之下 (如图三) 。

图三. Vhold超出安全操作区间

(如图四) TVS的安全操作区间介于信号传输的电压区间(Vbias+10% ) 以及后端IC发生硬体毁损的电压区间 (Vmax) 之间。

图四. Vhold于安全的操作区间

如利用负载线来进行闩锁效应的评估，由于TVS的Ihold会随着环境温度有很大的变化，且此评估方式对于系统设计工程师来说不够直观，导致增加设计时程及选料错误的风险。而晶焱科技直接确保TVS的Vhold必须大于VRWM，以提供客户无闩锁效应风险的TVS。

闩锁效应的真实案例

高速通讯界面常使用Re-timer或Re-driver来重整讯号的品质，在此案例中客户使用HDMI Re-timer来强化HDMI1.4的讯号，减少jitter的影响并增大讯号的震幅使得在PCB讯号线长设计上更具有展延的弹性。在HDMI的应用中，讯号线上有pull-up电阻连接到电源，如此将使讯号线可以具有较高的电流驱动能力，但若TVS选料不当此电流源将成为发生Latch-up的重要背景因素。 

此实验中以终端客户的HDMI1.4接口外接萤幕来做闩锁效应的功能实测，同时以示波器观察IO讯号的电压位准变化。在确认系统正常运作于BIOS Mode后，以ESD Gun对HDMI Port进行1kV静电放电，与此同时放置在HDMI讯号线上的TVS会导通来保护后端Re-timer。如图五所示，在1kV ESD放电后立即可以观察到萤幕出现黑屏的现象，利用示波器量测到被闩锁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的低电位使得HDMI通讯中止。

图五. 选用错误的TVS造成的闩锁效应

我们使用曲线追踪仪Tektronix 370A量测此TVS在大电流下的IV特性并进行分析，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，如图六所示。

图六. 带有闩锁效应风险TVS的IV-Curve

经查询HDMI1.4 Re-timer规格书电性规格，输出电压为2.8V (最低输出电压为2.6V)，而此造成闩锁效应的TVS Vhold则仅为1.8V。此外，HDMI Re-timer在讯号线的短路输出电流最大可达50 mA，而此TVS受突波触发导通后即满足IC输出短路到地的低阻抗路径条件，这样的电流驱动能力使得TVS进入闩锁状态后无法关闭。此时，若无透过外部插拔连接器使IC断电，则无法回复屏幕显示与电压位准。在这个Latch-up实例所观察到的长时间电流导通情况下，对于IC本身与TVS皆可能造成如烧毁或漏电大幅增加…等等不可逆的潜在威胁。 因此在HDMI TMDS Channels，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，以力求兼顾保护能力与系统设计安全。 晶焱科技保证不提供具有Latch-up风险的产品，在设计时即确保Vhold > VRWM来隔绝任何发生闩锁效应的可能性。无闩锁效应风险的 TVS可以确保系统产品的稳定运作，采用晶焱科技的产品将是您最好的选择。

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审核编辑 黄宇