Перейти к содержанию

Latch-up (тиристорный эффект)

Микросхема вдруг начинает греться, потребление скачет до сотен миллиампер, а помогает только выключение питания. Так выглядит latch-up — открывание паразитного тиристора, который неизбежно есть в любой КМОП-структуре. Запустить его может сигнал на входе, который на мгновение вышел за пределы питания.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Latch-up (тиристорный эффект, защёлкивание КМОП) — включение паразитной четырёхслойной p-n-p-n-структуры, которая образуется между n- и p-карманами любой КМОП-микросхемы. Эта структура ведёт себя как тиристор: после запуска она сама поддерживает своё открытое состояние и замыкает питание на землю через малое сопротивление. Выключить её можно только снятием питания.

Что его запускает

Infineon формулирует условие так: как и в любом КМОП-приборе, перевод паразитных диодов микросхемы в прямую проводимость или в обратный пробой может запустить паразитный тиристор (Managing Transients, разд. 5). На практике это:

  • Сигнал за пределами питания. Вход выше VDD или ниже земли — ток идёт через защитные диоды. Подробнее о допустимом токе — в статье о наведённом токе.
  • Сигнал раньше питания. Соседняя плата уже включена, а эта ещё нет: ток через защитный диод паразитно питает её шину VDD, а в момент подачи собственного питания вход на время оказывается выше шины — Kuphaldt называет включение питания самым вероятным моментом такой ситуации (Vol. III, разд. 8.13).
  • Выбросы ниже земли в силовой части. У драйверов полумоста опасен выброс средней точки VS ниже земли, особенно когда он превышает напряжение VBS.

Чем опасен

Последствия, по Infineon, непредсказуемы: от временных сбоев до полного отказа. Пример цепочки для драйвера ключей: latch-up переводит оба выхода в высокий уровень, через ключи идёт сквозной ток, и разрушаются и ключи, и сама микросхема. Kuphaldt отдельно описывает защёлкивание выхода ОУ: у TL082 оно наступает, когда вход подходит к отрицательной шине ближе примерно 0,7 В, а вход за пределами шин может ОУ разрушить (Vol. III, разд. 8.13).

Как нормируют

Стойкость к latch-up проверяют по стандарту JEDEC JESD78: в выводы инжектируют ток и подают повышенное напряжение на выводы питания. STM32F103 прошёл статические испытания по EIA/JESD 78A и отнесён к классу II level A при 105 °C (DS5319, табл. 34), у аналогового ключа TS5A3157 стойкость превышает 100 мА. Это предел, при котором тиристор ещё не включился, а не допустимый рабочий ток — тот задают предельно допустимые параметры.

Как защититься

  1. Не подавать сигналы на выводы микросхемы, пока на неё не подано питание, или ограничивать ток последовательным резистором.
  2. Ставить резисторы в цепи входов, которые идут к разъёмам и внешним устройствам.
  3. В силовых схемах снижать индуктивность контура ключей, чтобы уменьшить выбросы ниже земли, — этому посвящена карточка драйвера IR2110.
  4. При согласовании уровней не допускать, чтобы сторона с более высоким питанием поднимала вход обесточенной стороны, — пример разобран в схеме преобразователя уровней.

Частые вопросы

Как отличить latch-up от обычной неисправности?

По поведению: потребление резко растёт, микросхема греется и перестаёт работать, а после полного снятия и повторной подачи питания всё восстанавливается — если она не успела перегреться. Infineon подчёркивает, что последствия непредсказуемы: от временных сбоев до полного отказа микросхемы (Managing Transients, разд. 5).

Почему опасно подавать сигнал на микросхему без питания?

Ток через защитный диод входа обесточенной микросхемы обычно уходит в её шину VDD и паразитно питает её — схема «наполовину включается» от сигнала. Само защёлкивание опаснее в момент подачи питания: Kuphaldt описывает, что если полный сигнал приходит раньше, чем собственное питание успело зарядить конденсаторы фильтра, входное напряжение на время выходит за шины, а при отказе собственного питания — на неопределённо долгое время (Vol. III, разд. 8.13). Поэтому вход ограничивают резистором и не подают сигнал раньше питания.

Что означает стойкость к latch-up 100 мА в даташите?

Что микросхема прошла испытания по стандарту JEDEC JESD78: в выводы инжектировали ток заданной величины, и паразитный тиристор не включился. У TS5A3157 уровень превышает 100 мА, STM32F103 отнесён к классу II level A при 105 °C (DS5319, табл. 34). Допустимый ток инжекции при работе нормируется отдельно и намного меньше: у STM32F103 — до ±5 мА на обычных выводах (DS5319, табл. 35).

Источники

  1. Infineon. Managing Transients in Control IC Driven Power Stages, Application note, Revision 1.01 (2024-11-20) — разд. 5 «Avoiding Latch-Up»: как и в любом КМОП-приборе, перевод паразитных диодов управляющей микросхемы в прямую проводимость или обратный пробой может запустить паразитный тиристор (latch-up); последствия непредсказуемы — от временных сбоев до полного отказа; пример цепочки: оба выхода драйвера в высоком уровне, сквозной ток через ключи, разрушение ключей и микросхемы; риск появляется, когда выброс VS ниже земли превышает VBS
  2. STMicroelectronics. STM32F103x8, STM32F103xB Datasheet, DS5319 Rev 20 (July 2025) — разд. 5.3.11, «Static latch-up»: два дополняющих статических теста на шести образцах — повышенное напряжение на каждом выводе питания и инжекция тока в каждый вход, выход и настраиваемый вывод; соответствует стандарту EIA/JESD 78A; табл. 34: класс LU — II level A при TA = +105 °C; разд. 5.3.12, табл. 35: инжекции тока при напряжении ниже VSS или выше VDD в нормальной работе следует избегать; функциональная устойчивость — до −5/+5 мА на обычных выводах, −5/0 мА на выводах FT
  3. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Vol. III — Semiconductors, ch. 8 «Operational Amplifiers» (CC BY) — разд. 8.13: защёлкивание выхода некоторых ОУ при выходе синфазного напряжения за допустимые пределы; у ОУ с полевым входом вроде TL082 — при приближении входа к отрицательной шине примерно на 0,7 В; никогда не допускать входного напряжения выше положительной или ниже отрицательной шины питания, даже у ОУ с защитой от latch-up; в худшем случае такое защёлкивание разрушает ОУ; разд. 8.13.1: при включении питания полный сигнал может прийти раньше, чем зарядятся конденсаторы фильтра собственного источника, и синфазное напряжение на время выходит за шины, а при отказе собственного питания — надолго
  4. Texas Instruments. TS5A3157 10-Ω SPDT Analog Switch, SCDS219D (revised July 2025) — Features: стойкость к latch-up превышает 100 мА по JESD 78

Нашли ошибку?

Смотрите также