闩锁Latch-up及其保护措施-（3PEAK）.pdf

【闩锁（Latch-up）原理及保护措施】 闩锁（Latch-up）现象是集成电路设计中一个重要的考虑因素，尤其在CMOS工艺中。它源于电路内部的寄生四层PNPN结构，即SCR（Silicon Controlled Rectifier）结构。这个结构具有正反馈机制，一旦被激活，将导致电流不断放大，最终可能导致芯片烧毁。由于寄生的SCR结构通常没有SPICE模型支持仿真，设计者往往难以预测和防止 latch-up的发生。 SCR结构由两个双极型晶体管（PNP和NPN）组成，它们的基极和集电极相互连接，形成一个自维持的正反馈环路。当施加适当的触发电流（Itn或Itp）到其中一个晶体管的基极，使得该晶体管进入放大区，它的集电极电流会通过另一个晶体管的基极进一步放大，形成正向循环，导致 latch-up。此外，电源电压（VDD）或地线（GND）的快速变化（"dv/dt"效应）也可能触发 latch-up，因为反偏结的快速电压变化会产生结电流，当这个电流足够大时，会激活SCR结构。 除了电流触发和电压触发模式，温度升高也会增加流经SCR的漏电流，从而更容易引发 latch-up。过压脉冲，无论是连续还是瞬时，都有可能触发 latch-up。 【CMOS输出的SCR结构与触发模式】 CMOS输出电路中，PMOS和NMOS管的源极（Source）分别连接到电源VDD和地GND，漏极（Drain）并联作为输出，栅极（Gate）共接作为输入。最常见的 latch-up触发情况是输出电压超出电源或地电压。当输出电压达到一定阈值（Vlatch），流过的电流（Ilatch）将触发 latch-up。这种阈值电压和电流条件是设计者在设计电路时需要避免达到的极限。 【防止 latch-up的策略】 1. **电路设计**：可以通过增加隔离区（Isolation Region）来减少PMOS和NMOS管之间的电容耦合，降低 latch-up的风险。同时，选择合适的工作电压和电流限制，避免超过阈值。 2. **版图设计**：优化版图布局，确保电源和地线的宽度和距离，以减小dv/dt效应的影响。 3. **保护电路**：采用保护二极管（CLamping Diode）或雪崩二极管（Avalanche Diode）来限制输入/输出电压的范围，防止过压触发 latch-up。 4. **封装设计**：在封装级别加入 ESD（Electrostatic Discharge）保护电路，可以防止静电冲击引起的 latch-up。 5. **测试与筛选**：在生产过程中进行 latch-up测试，筛选出易受 latch-up影响的芯片，确保产品的可靠性。 通过深入理解 latch-up现象，结合以上策略，设计者能够有效地防止 latch-up事件，提升集成电路的稳定性和安全性。对于芯片设计工程师和系统设计工程师来说，对 latch-up的清晰理解至关重要，能够在设计初期采取预防措施，提高整体系统的抗 latch-up能力。