AMAZINGIC晶焱科技預(yù)防TVS閂鎖風(fēng)險(xiǎn)的方法與實(shí)際案例分析

摘要：

仰賴先進(jìn)制程的進(jìn)步，電子產(chǎn)品得以在更小的面積及體積下實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能與更低的功耗，在這樣的趨勢(shì)下卻也使得主芯片的靜電耐受度降低。由于靜電導(dǎo)致的失效與市場(chǎng)返修率息息相關(guān)，因此各廠牌針對(duì)這些易受突波干擾影響的介面接口訂定測(cè)試規(guī)格，并依照IEC 61000-4-2的系統(tǒng)級(jí)靜電耐受測(cè)試才能將系統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行量產(chǎn)到市場(chǎng)販?zhǔn)邸?

然而隨著日益嚴(yán)苛的測(cè)試條件與需被保護(hù)的晶片耐受程度降低，市面上開(kāi)始出現(xiàn)許多為了提供更低鉗制電壓卻具有閂鎖風(fēng)險(xiǎn)的保護(hù)器件。本文將針對(duì)TVS與閂鎖效應(yīng)進(jìn)行實(shí)例探討，并提出方法該如何正確選擇保護(hù)元件避免閂鎖效應(yīng)發(fā)生。

實(shí)例一：HDMI1.4介面ESD保護(hù)器件與閂鎖效應(yīng)

高速通訊界面常使用Re-timer或Re-driver來(lái)重塑訊號(hào)的完整性，而最常見(jiàn)的就是USB與HDMI Re-timer, 功能包含通訊協(xié)議間的轉(zhuǎn)換并增加PCB線路設(shè)計(jì)上的彈性。然而這樣的線路應(yīng)用除了上拉電阻直接接到電源之外，其IC的Output driver會(huì)有較高的電流驅(qū)動(dòng)能力，也造成了TVS 發(fā)生Latch-up的來(lái)源之一。

我們以終端產(chǎn)品的HDMI 1.4連接螢?zāi)粊?lái)做閂鎖效應(yīng)的實(shí)測(cè)，同時(shí)以示波器擷取TMDS channel的電平變化。實(shí)驗(yàn)過(guò)程我們將確認(rèn)系統(tǒng)正常運(yùn)作后，以ESD Gun對(duì)HDMI Port進(jìn)行靜電放電，此時(shí)ESD保護(hù)元件會(huì)導(dǎo)通來(lái)保護(hù)后端IC，如下圖表示。

Fig. 1具有閂鎖風(fēng)險(xiǎn)之TVS在HDMI介面ESD實(shí)驗(yàn)流程圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程觀察螢?zāi)辉贓SD放電后黑屏，利用示波器觀察被閂鎖TVS(非晶焱科技產(chǎn)品)的電壓從正常顯示的2.8V被拉低到1.8V的低電平使得通訊失效。我們將此TVS使用曲線追蹤儀Tektronix 370A量測(cè)大電流下的IV特性，發(fā)現(xiàn)此TVS進(jìn)入低阻抗導(dǎo)通狀態(tài)后，其導(dǎo)通的最低電壓Vhold即為1.8V，如下圖表示。 (此TVS使用SCR架構(gòu)，有回彈的特性可達(dá)到更低的鉗制電壓表現(xiàn))

Fig. 2具閂鎖風(fēng)險(xiǎn)的TVS電氣特性圖

根本原因探討：HDMI 1.4 Re-timer輸出電壓為2.8V(最低輸出電壓為2.6V)，而TVS Vhold則在1.8V，查找Re-timer規(guī)格書(shū)中TMDS短路輸出電流最大可到50 mA (因?yàn)門(mén)VS導(dǎo)通后會(huì)形成極低阻抗路徑，可視為IC 輸出短路到地的情況)，這樣的電流驅(qū)動(dòng)能力可以令TVS進(jìn)入閂鎖后無(wú)法關(guān)閉。若無(wú)透過(guò)外部拔除插頭使IC斷電，則無(wú)法回復(fù)屏幕顯示與電壓位準(zhǔn)，在長(zhǎng)時(shí)間的電流導(dǎo)通情況下，對(duì)于IC本身與TVS皆可能造成不可逆的潛在威脅，如熱失效或漏電大幅增加…等等。

因此在HDMI TMDS Channel，晶焱科技推薦客戶使用 VRWM≧3.3V的TVS作為保護(hù)元件，如: AZ1143-04F for HMDI 1.4/2.0與AZ1123-04F for HDMI 2.1，晶焱科技秉持著對(duì)可靠度與品質(zhì)的最高要求，在追求低鉗制電壓的保護(hù)器同時(shí)，確保Vhold>VRWM，晶焱全系列TVS皆無(wú)Latch-up風(fēng)險(xiǎn)!

實(shí)例二：Power Management Circuit Protection in Portable Device

電池與其電源管理IC - LDO(低壓降穩(wěn)壓器)是移動(dòng)式裝置供電的核心，為了達(dá)成裝置的電壓輸出穩(wěn)定與最佳可靠度，在電壓輸出的腳位建議使用TVS來(lái)做靜電保護(hù)。然而在電源輸出的腳位不慎采用具有Latch-up風(fēng)險(xiǎn)的TVS更是大忌，因?yàn)槠潆娏鬏敵瞿芰O強(qiáng)，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)造成電池耗電并使得TVS導(dǎo)通大電流，嚴(yán)重可能會(huì)造成元件燒毀引發(fā)硬件損壞。

實(shí)際案例中，客戶對(duì)3.3VLDO輸出進(jìn)行ESD測(cè)試后發(fā)現(xiàn)異常，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程量測(cè)電壓位準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)原3.3V已被下拉至2.85V，與LDO輸出不符，并且必須將電池拔除斷電后才能回復(fù)正常工作電壓，研判此現(xiàn)象非常有可能是TVS發(fā)生了閂鎖效應(yīng)。我們與客戶確認(rèn)此TVS的規(guī)格書(shū)，發(fā)現(xiàn)標(biāo)示3.3V工作電壓VRWM的TVS其Vhold電壓最低為2.8V，因此確認(rèn)是不當(dāng)?shù)腡VS選擇導(dǎo)致閂鎖造成的系統(tǒng)失效。

此案更換為晶焱科技VRWM 3.3V的AZ5123-01H后，成功幫助客戶解決問(wèn)題。

Fig.3在LDO測(cè)試ESD造成的TVS閂鎖效應(yīng)分析

總結(jié)，晶焱科技仍在持續(xù)努力提供更低鉗制電壓的TVS開(kāi)發(fā)，同時(shí)也幫助客戶提升產(chǎn)品規(guī)格與可靠度。從系統(tǒng)面替客戶著想，不將風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)嫁于客戶，提供低鉗制電壓以及無(wú)閂鎖風(fēng)險(xiǎn)的保護(hù)器件是我們對(duì)客戶的承諾。