AMAZINGIC晶焱科技如何正確選用SCR架構TVS以避免閂鎖效應

現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，研發足以面對這種威脅的保護元件益發成為IC設計工程師的挑戰。

當我們使用具有SCR (Silicon Controller Rectifier) 結構的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架構之ESD保護元件特殊的I-V特性與閂鎖(Latch-up) 效應的關系，以避免為了更低的鉗位電壓而選錯TVS，闡述發生閂鎖效應的條件以及如何避免發生閂鎖效應。

圖一. SCR TVS I-V 曲線

閂鎖效應的定義

要形成閂鎖效應必須透過突波的觸發使保護元件進入導通狀態，譬如ESD、surge、或是EMI造成的感應電壓等。如閂鎖效應被觸發，即使是外界的突波已經衰減，但ESD元件依舊會處于啟動導通的狀態，這就是閂鎖效應典型的現象 (如圖二) 。

圖二. SCR TVS持續維持在導通狀態

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，將會使元件持續維持在導通狀態無法被截止。如果要將閂鎖效應解除，必須使系統斷電，亦或使Vbias < Vhold或是Ibias < Ihold。 TVS持續在低電壓導通狀態會導引大量電流經由TVS流向GND，使得TVS持續升溫甚至燒毀。另一個顯著的影響是由于TVS持續導通的關系，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異常。

如何降低閂鎖效應的風險?

由于CMOS制程持續不斷的推陳出新，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將曝露在發生閂鎖效應高風險之下 (如圖三) 。

圖三. Vhold超出安全操作區間

(如圖四) TVS的安全操作區間介于信號傳輸的電壓區間(Vbias+10% ) 以及后端IC發生硬體毀損的電壓區間 (Vmax) 之間。

圖四. Vhold于安全的操作區間

如利用負載線來進行閂鎖效應的評估，由于TVS的Ihold會隨著環境溫度有很大的變化，且此評估方式對于系統設計工程師來說不夠直觀，導致增加設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風險的TVS。

閂鎖效應的真實案例

高速通訊界面常使用Re-timer或Re-driver來重整訊號的品質，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訊號線長設計上更具有展延的彈性。在HDMI的應用中，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動能力，但若TVS選料不當此電流源將成為發生Latch-up的重要背景因素。

此實驗中以終端客戶的HDMI1.4接口外接螢幕來做閂鎖效應的功能實測，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幕出現黑屏的現象，利用示波器量測到被閂鎖TVS (非晶焱科技產品) 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

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，發現此TVS進入低阻抗導通狀態后，其導通的最低電壓Vhold即為1.8V，如圖六所示。

圖六. 帶有閂鎖效應風險TVS的IV-Curve

經查詢HDMI1.4 Re-timer規格書電性規格，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，這樣的電流驅動能力使得TVS進入閂鎖狀態后無法關閉。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設計安全。 晶焱科技保證不提供具有Latch-up風險的產品，在設計時即確保Vhold > VRWM來隔絕任何發生閂鎖效應的可能性。無閂鎖效應風險的 TVS可以確保系統產品的穩定運作，采用晶焱科技的產品將是您最好的選擇。

AMAZINGIC晶焱科技原廠深圳辦事處電話0755-82574660，82542001歡迎來詢提供技術方案整改支持。

審核編輯 黃宇