Эффект защелкивания (latch-up) и способы предотвращения рисков latch-up с использованием TVS.

Благодаря прогрессу производственного процесса, в электронных продуктах реализуются все более сложные функции и достигается более низкое энергопотребление, при этом размеры устройств становятся меньше. Однако эта тенденция делает микросхемы более уязвимыми к электростатическим разрядам. Поскольку большое количество поломок во многом связана со сбоями, вызванными электростатическими разрядами, основные производители определили спецификации испытаний для интерфейсных портов, уязвимых к переходным процессам, а продукты тестируются во время массового производства в соответствии с испытанием на электростатическую стойкость на системном уровне в соответствии с IEC 61000-4-2 до выхода на рынок.

Однако по мере того, как условия испытаний становятся все более жесткими, а защищаемые микросхемы становятся все более и более уязвимыми, появляется все больше защитных устройств, которые обеспечивают более низкое напряжение ограничения (Clamping Voltage). В данной статье проводится два тематических исследования TVS и latch-up, а также предлагаются решения от Amazing Microelectonic для верного выбора TVS для предотвращения эффекта защелкивания (latch-up).

Исследование 1. ESD-защита интерфейса HDMI 1.4 и эффект latch-up.

Для удлинения линий связи в высокоскоростном коммуникационном интерфейсе часто используются ретаймер (re-timer) и редрайвер (re-driver). Наиболее часто используются ретаймеры USB и HDMI, которые обеспечивают преобразование между протоколами и гибкость в проектировании печатных плат. С другой стороны, применение такой схемы приводит к прямому подключению подтягивающих резисторов к источнику питания, а выходной драйвер интегральной микросхемы имеет бОльшую способность управления мощностью, что является одним из источников latch-up в TVS.

Для исследования эффекта latch-up дисплей подключается через порт HDMI 1.4, а осциллограф используется для регистрации уровня изменений в канале TMDS. Для проверки системы используется симулятор ESD (для ввода электростатических зарядов в порт HDMI), и устройство ESD-защиты, как показано ниже.

Рис. 1 Эксперимент HDMI с неправильным выбором TVS

В эксперименте наблюдается, что после ESD разряда экран гаснет. Осциллограф используется для отображения того, что напряжение защелкнутого TVS (не продукта Amazing Microelectronic) падает с нормальных 2,8 В до 1,8 В, что достаточно для нарушения связи. Анализатор кривой Tektronix 370A используется для измерения ВАХ TVS при большой мощности. Обнаружено, что самое низкое напряжение включения, Vhold, составляет 1,8 В, поскольку TVS находится в состоянии проводимости с низким сопротивлением, как показано ниже. (Этот TVS имеет структуру SCR, а ВАХ-характеристика обеспечивает более низкое напряжение ограничения.)

Рис. 2 ВАХ TVS с риском защелкивания

Основная причина поломки: выходное напряжение ретаймера HDMI 1.4 составляет 2,8 В (минимум 2,6 В) и 1,8 В для TVS Vhold. В техническом описании ретаймера указано, что выходной ток короткого замыкания TMDS может достигать 50 мА, поскольку после TVS-проводимости создается путь с чрезвычайно низким сопротивлением, который считается коротким замыканием выхода микросхемы на землю. Подобная особенность «подталкивает» TVS к защелкиванию и делает невозможным его отключение после срабатывания. Работоспособность дисплея и уровень напряжения не получится восстановить до тех пор, пока кабель питания не будет отсоединен от розетки. При подаче тока в течение длительного периода времени могут возникнуть необратимые потенциальные угрозы для микросхемы и TVS, такие как тепловой отказ или значительное увеличение утечки тока.

Поэтому для каналов HDMI TMDS компания Amazing Microelectronic рекомендует TVS с VRWM≥3,3 В в качестве элемента защиты, например, AZ1143-04F для HMDI 1.4/2.0 и AZ1123-04F для HDMI 2.1. Помня о высочайшем качестве и надежности, Amazing Microelectronic усердно работает над тем, чтобы обеспечить Vhold>VRWM и нулевой риск защелкивания во всех сериях TVS Amazing Microelectronic, поскольку Amazing Microelectronic создает защиту от электростатического разряда с низким напряжением фиксации!

Исследование 2. Защита цепи управления питанием в портативном устройстве.

Аккумулятор и его микросхема управления питанием — LDO (регулятор падения напряжения низкого напряжения) — это основа​​ питания портативного устройства. Для стабильного выходного напряжения и максимальной надежности устройства рекомендуется защита от электростатического разряда с помощью TVS на выводах подачи напряжения. Однако введение TVS с риском latch-up на выводах питания представляет собой большую проблему, поскольку выходной ток очень велик и может привести к разрядке батареи за очень короткое время и большому току в TVS. В некоторых худших случаях компоненты перегорают, а оборудование повреждается. В одном реальном случае клиент обнаружил проблему на выходе LDO 3,3 В после теста ESD. Мы измерили уровень напряжения во время эксперимента и обнаружили, что напряжение упало с 3,3 В до 2,85 В, что не соответствует выходному сигналу LDO. Приходилось отключать аккумулятор и отключать питание, чтобы восстановить нормальное рабочее напряжение. Это явление является явным признаком latch-up в TVS. Мы проверили технические характеристики TVS вместе с клиентом и обнаружили, что Vhold составляет всего 2,8 В для TVS с рабочим напряжением VRWM 3,3 В. Было подтверждено, что неправильный выбор TVS привел к сбою системы, вызванному защелкиванием. Этот случай был успешно решен заменой Amazing Microelectronic AZ5123-01H с VRWM 3,3В.

Рис.3 Тест ESD LDO и диаграмма сигнала

Подводя итог, Amazing Microelectronic усердно работает над разработкой TVS с еще более низким напряжением фиксации, помогая клиентам улучшать характеристики и надежность своей продукции. Компания всегда ставит себя на место клиентов, не подвергая их риску. Amazing Microelectronic предоставляет клиентам TVS с низким напряжением фиксации и нулевым риском защелкивания.

Amazing предлагает TVS, где V_hold > V_RWM≧V_operating!

Компания Ультран – официальный дистрибьютор Amazing Microelectonic Corp. в России. Инженеры компании Ультран совместно с коллегами из Amazing оказывают консультации и обеспечивают техническую поддержку разработчиков.

Для размещения заказа, заказа образцов или по техническим вопросам по продукции Amazing Microelectonic звоните по телефону +7 (812) 318-18-95 доб. 1209 или пишите по адресу электронной почты aokunev@ultran.ru.