CMOS器件闩锁现象分析与讨论-Good

CMOS器件的输入端电平如超出电源电压或地电平，将会闩锁

在目前的硬件电路设计中，CMOS器件大量使用，并且器件的速度越来越高，集成度越来越大，因此对器件的可靠性要求也不断提高。随着工艺和器件设计水平的进步，CMOS器件的性能提高很大，但由于CMOS芯片本身的工艺结构问题，它存在一个天生的缺陷——闩锁(Latch-up)。闩锁现象会使CMOS器件不能正常工作，严重时损坏器件。虽然在芯片设计时已采取一定的抗闩锁措施来避免降低闩锁产生的几率，但如果在电路设计中使用不当还是可能出现闩锁的现象，因此在日益复杂的通信和计算机电路设计中，需要认真对待闩锁的问题。
1 闩锁产生的机理
CMOS芯片的基本构成单元是P沟道MOS管和N沟道MOS管，以最简单的N阱反向器（如图1）为例，它的工艺结构如图2(a)所示。在这个结构中除了构成电路的单元外还衍生了两个双极型晶体管。首先，由P+源—漏扩散区和N阱及P型衬底构成了纵向PNP双极型晶体管(VPNP)，其次，由N+源—漏扩散区和P型衬底及N阱形成了横向NPN双极型晶体管(LNPN)。N阱和P型衬底分别起两个作用，N阱既是VPNP管的基区，又是LNPN管的集电区；同样，P型衬底既是LNPN管的基区，又是VPNP管的集电区。在基极和集电极接触以及扩散区接触之间都会产生电压降，可以用电阻来模拟，分别表示为RS1、RS2、 Rw1、Rw2。
衍生三极管和等效电阻构成了图2(b)所示的基本PNPN结构，这是一个典型的可控硅电路结构，外界的某种因素如果触发其中的一个三极管导通，通过正反馈将使另一个三极管也导通，两者的相互作用使整个电路迅速进入低阻抗状态，此时芯片电源与地之间的电流会增加到极大值，使芯片失效或者烧毁。这就是芯片的闩锁现象。

 

2 应用电路中的闩锁分析
在实际应用中，CMOS芯片产生闩锁的常见原因有以下几种：(1)器件I/O管脚电压的上冲或下冲；(2)器件I/O管脚上有大的电流灌入或拉出；(3)器件电源引脚上有大的电压或电流浪涌。
在电路设计时应设法避免出现上述的情况，这样才能保证CMOS芯片的可靠工作。芯片使用中闩锁现象的表现形式及诱发原因是多种多样的，因此在具体应用中如果CMOS芯片出现异常，首先需要判断是否闩锁，再分析产生的原因，寻找解决的方法。本文结合几个实际的应用电路，分析了闩锁的表现形式及产生的原因，提出了解决的方法，为应用电路的抗闩锁设计提供参考。
2.1 热插拔电路中的闩锁
一个光纤有线电视通信系统中的电路板要求能够热插拔，其电路结构如图3(a)。工作时电路板插到已供电的背板上，获得电源，并完成与其它板的通信功能，其中MPU采用89C51，它的三个I/O口直接连接到背板，在背板上被接到+5V或地，MPU通过查询这三个引脚的电平来确定该板所插的槽位编号以实现系统对各硬件板的识别和网络管理。在系统工作时发现很多电路板热插拔时会出现MPU迅速发烫的现象，严重时整个芯片都可能烧毁，而非热插拔则从不出现。
           
图3  带电插拔电路接线图
这是一个典型的闩锁现象，为找到触发闩锁的原因，用闩锁测试仪对89C51进行了测试分析，方法是对芯片P1口的各引脚设置不同的拉出电流值，在每种电流下对某一个口线步进施加不同的电压，测试是否发生闩锁。测试电流步进值为10mA，电压步进值0.2V。
测试结果表明，当P1口施加正电压时不会发生闩锁，而当施加的电压小于-1.8V并且拉出电流大于240mA时就发生闩锁。即P1口的引脚在对地电压和拉出电流均满足一定的条件时就会产生闩锁，而89C51资料给出的I/O口闩锁触发条件是输出电流大于200mA，与测试结果吻合。
根据以上结果，分别对电路板和背板的各连接脚做实验测试，发现当P1口的这三个引脚中只要有一个是通过背板直接接地的，在热插拔时就可能引起异常，而断开这个连线就不会产生问题，其它的连线与闩锁无关。分析接插件各引脚在插板时的接触顺序，不可能同时接触，因此当电源引脚和P1口的引脚首先接触，而地线引脚尚未接触时，整个电路板包括89C51的地悬空，地电位接近电源电压值，当P1口的某一个引脚通过背板接地，该引脚的瞬时电位就低于芯片的地，而且由于直接接地，可以没有限制地输出电流，触发闩锁。这就是该电路触发闩缩的原因，如果接插件能够保证地线首先接触，则问题可以避免，但实现不易。简单有效的措施是在P1口线上串接了200Ω的电阻，如图3(b)，限制最大输出电流，使该电流远远小于闩缩触发电流，该电路的闩锁问题得以解决。
2.2 双电源系统中的闩锁
目前电路系统中常使用多种电源供电，电源处理不当可能引起多种问题，闩锁就是其中之一。图4是一个双电源供电的E1接口电路，其中LXT385是3.3V工作的E1接口芯片，E1映射/解映射电路为5V工作器件，LXT385芯片可以承受5V信号，因此从降低系统复杂性考虑MPU总线和映射/解映射电路都直接与它相连而没有使用电压转换芯片。电路的电源由一套-48V的缓启动电路提供，分别经过两个开关电源及π型滤波电路产生5V和3.3V电压。
应用中采用该电路的一些电路板经常出现工作不正常的情况，经过测试分析发现问题出现在LXT385芯片上，有问题的芯片表现为无解码输出或输出混乱，但芯片工作温度正常。将问题芯片与正常芯片对调能够恢复正常工作，而且对芯片的解剖分析表明芯片没有损坏，排除其它因素后断定芯片产生了闩锁，并且分析电路结构后判定可能由于双电源供电而引发。

对5V和3.3V两路电源做测试表明电源的上电顺序有差别，5V电源的建立比3.3V约早10 ms，因此在系统上电时，5V总线信号和其它信号施加到LXT385后，该芯片还没有加上3.3V电源，此时芯片的部分信号引脚电压将远高于它的电源引脚电压，因此产生闩锁，并且在3.3V电源建立之后也不能恢复，使器件工作实效。该器件的闩锁不产生发热现象，这与器件的内部设计有关。在定位问题之后，对电源系统进行了改进，在系统允许范围之内修改π型滤波电路参数，减少3..3V电源的容性负载和感性负载，同时增加5V电源的容性负载和感性负载，使3.3V电源的建立早于5V电源，改进之后3.3V电源的建立时间比5V早了约13ms，对多块电路板的测试及应用表明闩锁问题得到了彻底解决。
在一般的系统中，由于各芯片都接有去耦电容，因此容性负载都较大，有时增加电源的容性负载可能超出电源允许的范围，使充电电流过大，导致电源模块关断或损坏，因此修改电源参数需综合考虑其它的问题。较好的解决办法是通过升压器件由3.3V电源产生5V电源，这样可以完全保证低电压电源首先建立而避免闩锁的发生。采用该方法进行的设计也完全消除了闩锁现象。
对于多电源系统，上电顺序不当很容易引发闩锁，因此必须控制各电源的建立和稳定时间，保证低电压的建立要早于高电压，并且各电源之间有基本固定的上电时间关系。
2.3 信号完整性与闩锁
电路系统中高速信号的信号完整性是必须注意的一个问题，高速信号传输过程中阻抗不匹配引起的反射将产生过冲(上冲和下冲)，过冲的幅度过大可能产生信号的串扰，影响电路的EMC性能，甚至击穿器件。在有些情况下，过冲也会引起闩锁，导致器件功能失效。
图5(a)是一个高速数据采集系统的前端处理电路，模拟信号经过信号调理电路之后送到5阶巴特沃斯滤波器芯片LTC1063做滤波，之后再对滤波输出的信号进行AD转换，其中滤波器LTC1063的截止频率与外部输入的时钟频率相关，该时钟的输出及频率选择由FPGA控制。由于FPGA的速度等级较高，时钟的边沿比较陡峭，因此在滤波器的接收端产生了过冲，其中下冲的幅度为-1.6V。
该电路在工作中，LTC1063有时会出现芯片功能失效，随着时间的增加芯片温度越来越高，一般经过2~3分钟温度可以超过80℃，重新上电之后该芯片有的能够恢复工作，但也可能永久失效。
根据该现象判断芯片进入了闩锁状态，分析芯片的接口，除了模拟信号之外只有一个数字时钟输入，因此可能由该时钟信号触发闩锁，在断开时钟信号之后芯片闩锁的现象消失，因此确认该信号即触发源。结合信号波形的下冲，可以判断在该信号的冲击下，芯片产生闩锁，由于闩锁电流较小，所以温度升高速度较慢。
该问题通过图5(b)的改进措施来解决。首先在FPGA的时钟输出端串接一个100Ω的电阻来改善信号的阻抗匹配，使LTC1063接收端的下冲幅值减小到-0.3V，同时在该芯片的电源引脚串接一个20Ω的电阻，配合原来的去耦电容，组成一个RC滤波电路，既能滤除噪声，也可以限制芯片的最大工作电流和减轻浪涌电流，防止闩锁的产生。正常工作时芯片的工作电流很小，在20Ω电阻上产生的压降不到0.1V，不影响芯片的使用。改进之后消除了滤波器芯片的闩锁现象。

3 闩锁现象的分析与讨论
根据以上的讨论可知不同芯片闩锁的表现形式各不相同，大体有三种类型，第一种是一旦满足触发条件芯片就迅速进入闩锁状态，芯片阻抗降低，电源电流很大导致芯片发热或烧毁；第二种为闩锁电流较小时，芯片进入闩锁状态后逐渐发热并可能导致永久失效；第三种表现是芯片工作失效，但本身可能不发热，也就是进入闩锁状态时闩锁电流很小，不会造成芯片的永久损伤。表现形式的差别主要源于芯片自身的结构和抗闩锁的能力，因此在系统中需要根据具体情况来分析判断。
闩锁的触发机制也可以分成三类：一是I/O口引脚电压高于电源电压或低于地；二是拉出或灌入电流过大；三是大的浪涌电压及电流。本文讨论的三种电路的闩锁情况分别代表了前两种机制，对于电压和电流浪涌的预防及处理相对容易，因此未作讨论。实际电路系统中产生触发条件的原因是复杂和多样的，因此寻找触发的原因是解决闩锁问题的关键。
防止闩锁需要综合考虑电路的设计，一般对于芯片的I/O口、使能信号、片选信号等不应直接接地或接电源，而应根据需要串接一定阻值的电阻，同时避免直接驱动大电流的器件。对于有速度要求的电路应尽可能选用满足条件的低速器件，减少信号的反射和干扰。多电源系统设计不当很容易引发闩锁，因此必须认真设计系统的电源控制电路。抗闩锁的措施有很多种，但应当尽可能简单以降低系统的复杂性。