电路系统中的闩锁效应及其预防设计

摘要：针对CMOS集成电路的闩锁效应，围绕实际应用的电路系统中易发生闩锁效应的几个方面进行了详细说明，提出了采用严格的上电时序、基于光耦的电路隔离设计和热插拔模块的接口方法，可以有效地降低发生闩锁效应的概率，从而提高电路系统的可靠性。
关键词：闩锁效应：上电时序；光耦；热插拔

O 引言
毫无疑问，基于CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)技术的集成电路是目前广泛应用的一种电路结构，其主要优点是低功耗、较佳的噪声抑制能力、很高的输入阻抗等。而且，CMOS所特有的闩锁效应(latch-up)较早就引起了关注，在1997年，EIA／JEDEC协会就制定了一个半静态的闩锁效应测试方法，用以测量集成电路产品的抗闩锁能力，并定义闩锁效应的失效判定标准。
目前，公认的几个引起IC闩锁效应的内在原因有：
(1)外界信号或者噪声干扰，一般为I／O口处的信号翻转易使寄生NPN与PNP获得正偏状态；
(2)寄生三极管的电流放大系数偏大，满足βn×βp≥1；
(3)衬底和阱内分布电阻分布不合理；
(4)电源能提供的电流大于等于寄生晶闸管的维持电流。
因此，在制造CMOS集成电路时，可采用如外延衬底、倒掺杂阱、绝缘体基硅外延技术和保护环等技术，以避免闩锁效应。
具体应用集成电路时，应避免如下情况：
(1)器件I／O管脚电压超过器件供电电压或低于地电压；
(2)信号在I／O管脚上电压或电流变化太快；
(3)器件电源管脚上出现浪涌或跌落。
为克服具体应用时出现的闩锁效应，宋慧滨等在功率集成电路的高低压之间做了一道接地的保护环，将闩锁触发电压提高一个数量级；程晓洁等设计了稳压器的foldback过流保护电路，不仅较好地保护稳压器，降低系统损失的功耗，同时也降低了可能出现的闩锁效应概率；王源等提出了一种新型ESD钳位保护电路结构，以期达到抑制闩锁效应的目的；张伟功等研究表明：辐射感生的闩锁与电气感生的闩锁在很多方面是相同的，但在触发机理和动态行为上存在一定差异，并提出基于LDO的限流技术，以期在闩锁效应发生时，首先能安全防护不损伤器件，其次能受控恢复。文献从版图级、工艺级、电路应用级等三个方面介绍了抗闩锁措施，特别指出：具体应用时，应在电源线较长的地方注意电源退耦和对电火花箝位，以及输入信号不得超过电源电压、加限流电阻等方法。这些措施都有助于避免、降低或消除闩锁的形成。
迄今，尽管闩锁效应的发生机理也比较清楚，但由于器件尺寸愈来愈小，操作频率愈来愈快，其承受过电流的能力持续降低，发生瞬时触发闩锁效应的威胁与日俱增，其触发机制依然错综复杂，很难经过简单的安全区计算或简单的工艺措施将其避免，闩锁现象是一个一直并将继续影响CMOS器件可靠性的潜在的严重问题。