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1 引言 在某物理層線(xiàn)路驅動(dòng)電路的熱關(guān)斷(TSD)電路是作為過(guò)熱保護電路。RS-485物理層電路的低阻抗輸出驅動(dòng)器需要TSD功能用于保護其免受故障或因使用不當而造成損壞。TSD電路的基本功能是檢測器件結溫(封裝硅片溫度)是否超過(guò)其允許值，并關(guān)斷驅動(dòng)器輸出電路，以降低結溫,使之返回其容許值。 TSD電路不應干擾器件的正常工作。具體地說(shuō),如果器件結溫未超過(guò)推薦的工作條件，則不能啟用TSD電路。在器件正常工作時(shí)啟用TSD可能中斷數據傳輸，這是由于TSD觸發(fā)時(shí)低阻抗三態(tài)輸出，驅動(dòng)器關(guān)斷。TSD電路通常與其他故障保護功能相配合。由于TSD觸發(fā)對數據傳輸的破壞性，因此TSD電路是器件免受損壞的最后一道保護機制。 了解TSD如何實(shí)現過(guò)熱保護有助于正確設計系統,避免誤觸發(fā)TSD。同時(shí)還能了解TSD的可靠性、TSD不啟動(dòng)的條件及其局限性。 2 過(guò)熱保護的起因 2．1 故障條件 2．1．1 短路 短路是產(chǎn)生TSD觸發(fā)的最常見(jiàn)故障。短路時(shí)器件結溫迅速上升，直至超出所推薦的工作條件。短路分為硬短路(低阻抗)和軟短路(中度阻抗)。短路可能在器件總線(xiàn)引腳與電源(電池、穩壓電源)、總線(xiàn)引腳與地、總線(xiàn)引腳與總線(xiàn)引腳之間產(chǎn)生，如圖1所示。硬短路通常導致TSD在器件的低阻抗輸出端觸發(fā)，這是由于驅動(dòng)器輸出端吸入或源出的電流大大高于正常電流,并且驅動(dòng)電流通常超出正常工作電流幾個(gè)數量級。例如,器件正常工作時(shí)RS-485驅動(dòng)電流約為30 mA，而短路時(shí)則高于200 mA。軟短路可能導致電路TSD觸發(fā),主要取決于短路阻抗、短路電壓、驅動(dòng)器輸出能力、器件封裝、電路板的散熱特性以及短路持續時(shí)間等因素。當結溫超過(guò)TSD觸發(fā)點(diǎn)時(shí)，TSD開(kāi)啟，線(xiàn)路驅動(dòng)器輸出關(guān)閉。 2．1．2 總線(xiàn)競爭 總線(xiàn)競爭屬于數據傳輸總線(xiàn)故障，可能導致線(xiàn)路TSD觸發(fā)。當掛接在一條數據總線(xiàn)上的兩個(gè)或兩個(gè)以上驅動(dòng)器同時(shí)將總線(xiàn)驅動(dòng)為相反狀態(tài)時(shí)，則產(chǎn)生總線(xiàn)競爭，如圖2所示�？偩�(xiàn)競爭是短路的另一種表現形式,一般是在兩個(gè)或兩個(gè)以上驅動(dòng)器的總線(xiàn)引腳之間產(chǎn)生,而不是在總線(xiàn)引腳與電源之間或同一驅動(dòng)器的總線(xiàn)引腳之間產(chǎn)生。地電壓偏置VOFFSET會(huì )加劇總線(xiàn)競爭,地電壓偏置越大，驅動(dòng)器之間的電位差越高,則短路電流越大，短路電流超過(guò)門(mén)限時(shí)驅動(dòng)器處入短路狀態(tài)。短路電流門(mén)限越高，地電壓偏置量恒定時(shí)器件結溫越高，結溫超過(guò)極限時(shí)TSD觸發(fā)，同時(shí)調節器件結溫。 2．2 雙極型晶體管的熱耗散 雙極型晶體管集電極電流IC具有正溫度系數。雙極型晶體管溫度越高，輸出電流IC就越大。高溫下，雙極型晶體管內部載流子濃度nI，較大。由于IC與nI成正比，因此輸入電壓Vbe相同時(shí)，電流較大。 高溫時(shí)雙極型晶體管輸出電流較大，如果電路設計不當，無(wú)法限制輸出電流，容易產(chǎn)生熱失控，如圖3(a)所示。雙極晶體管采用共射極接法，構成低側驅動(dòng)器，帶小阻值電阻負載。當雙極型晶體管導通時(shí)射極電流增加使結溫上升，這樣流過(guò)雙極晶體管的電流更大。如果大電流使得結溫進(jìn)一步上升，則形成正反饋,導致溫度和電流無(wú)限上升，直至雙極晶體管由于熱擊穿而被燒壞。通過(guò)短路電流(OOS)限制、射極負反饋和／或熱關(guān)斷等方法來(lái)避免雙極晶體管熱失控，且不宜單獨啟用TSD。如圖3(b)和3(e)所示。TSD電路應與上述方法相配合，最大限度提高承受雙極晶體管熱失控能力。 2．3 高環(huán)境溫度或高信號速率 環(huán)境溫度過(guò)高導致數據傳輸期間器件結溫超過(guò)絕對最大額定值，這是過(guò)熱的另一種表現。當器件從電源吸收足夠電流，造成結溫升高直至高于環(huán)境溫度時(shí)，啟用TSD電路降低器件結溫。由于TSD電路能關(guān)斷驅動(dòng)器，因此只有當線(xiàn)路驅動(dòng)器傳輸數據時(shí)才使用TSD降低器件結溫。 高信號傳輸速率也能導致數據傳輸期間器件結溫超過(guò)絕對最大額定值，這也是過(guò)熱的另一表現。由于驅動(dòng)器的高信號速率是造成電路功耗過(guò)高的主要原因,因此通常使用TSD降低器件結溫。接收器的功耗通常比驅動(dòng)器小得多，因此，當信號速率較高時(shí),接收器不會(huì )導致結溫大幅上升。 若對環(huán)境溫度、負載條件、信號傳輸速率以及應用中電路板的熱環(huán)境遵循器件制造商推薦的參數進(jìn)行控制，可避免產(chǎn)生上述兩種過(guò)熱。 3 過(guò)熱保護的實(shí)施 3．1 驅動(dòng)器輸出電流與結溫的關(guān)系 電路設計時(shí)加入TSD電路主要是應對某些故障事件。造成結溫升高的主要故障是短路及總線(xiàn)競爭。將驅動(dòng)器輸出置為三態(tài)可使器件在過(guò)熱時(shí)免于損壞,因為可對因短路或總線(xiàn)競爭事件導致的較高結溫進(jìn)行調節，使其暫時(shí)維持一個(gè)較低值。圖4為驅動(dòng)器輸出電流與結溫的曲線(xiàn)圖。當結溫升至觸發(fā)點(diǎn)時(shí),TSD發(fā)出信號使驅動(dòng)器進(jìn)入三態(tài)，可使驅動(dòng)器輸出電流降低至0 mA且結溫也隨之下降。那么，當結溫降至觸發(fā)點(diǎn)時(shí)，驅動(dòng)器再次打開(kāi)。需要注意的是,溫度升高至超過(guò)結溫觸發(fā)點(diǎn)和溫度降低至低于結溫觸發(fā)點(diǎn)時(shí)均存在遲滯，可避免TSD電路輸出的噪聲和電壓彈跳躍。 3．2 過(guò)熱保護時(shí)驅動(dòng)器輸出電流與時(shí)間的關(guān)系 圖5為短路時(shí)SN65LBC176A驅動(dòng)器輸出電流隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖，測試裝置如圖6所示。示波器的通道1是總線(xiàn)引腳電壓Vbus。通道2是短路時(shí)總線(xiàn)引腳的短路電流。A點(diǎn)，由于短路時(shí)器件結溫升高導致的熱效應使TSD觸發(fā)，驅動(dòng)器輸出三態(tài),電流降低至0 mA。約2 μs后，電路結溫下降，驅動(dòng)器返回B點(diǎn),如果A點(diǎn)后2μs內排除故障，驅動(dòng)器返回到打開(kāi)狀態(tài)并正常工作。然而，短路依然存在，因此TSD循環(huán)打開(kāi)和關(guān)閉,直至短路消失。短路消失后驅動(dòng)器正常工作，而無(wú)需再次對器件上電。 由圖5看出，TSD的持續時(shí)間約為4 μs。電流和電壓波形均具有瞬變噪聲信號，是由寄生電感、總線(xiàn)電容以及測試裝置的電阻產(chǎn)生。寄生電感的感應沖擊導致總線(xiàn)電壓初始值很高。突變啟動(dòng)電壓、寄生電感、總線(xiàn)電容以及測試裝置的電阻將導致電壓和電流波形振動(dòng)和衰減，主要取決于LRC時(shí)間常數。應用中傳輸線(xiàn)效應使寄生電感減至最低,因此影響并不顯著(zhù)。 3．3 熱關(guān)斷電路 盡管TSD電路可使器件在短路時(shí)免于損壞,但若此類(lèi)故障頻繁產(chǎn)生，則TSD電路也無(wú)法保護器件。TSD電路主要用途是使器件免受短時(shí)間故障損壞，僅增加了可靠性。因此，建議設計人員應限制短時(shí)間故障的次數，從而保證長(cháng)期的可靠性。 3．4 結溫調節 短路電流(IOS)限制、電壓模式檢測、電流折返3種技術(shù)可用于結溫調節。RS-485等數據傳輸標準通常需要限制IOS，可防止器件供電電源吸收電流過(guò)大，使器件不會(huì )由于故障立即損壞。由于TSD電路的時(shí)間常數比IOS限制電路的時(shí)間常數大，因此IOS限制是結溫調節的主要措施。IOS電路可立即工作，而觸發(fā)TSD電路則需要數百毫秒到幾秒鐘的時(shí)間。當器件的總線(xiàn)I／O電壓超出推薦工作條件時(shí),可采用電壓模式檢測關(guān)閉驅動(dòng)器輸出。Vbus增加時(shí)IOS下降，采用電流折返調節器件功耗。SN65HVD2X系列器件如SN65HVD20、SN65HVD21、SN65HVD22、SN65HVD23和SN65HVD24均支持此類(lèi)短路限制。電流折返不僅限制功耗，更是為了使驅動(dòng)器能夠在驅動(dòng)共模負載時(shí)保持導通。例如SN65HVD2X系列器件支持-20 V～+25 V的總線(xiàn)電壓，當總線(xiàn)電壓低于-20 V或超出+25 V時(shí)，檢測啟動(dòng)電壓模式,但不會(huì )限制支持的共模電壓范圍內的功耗。 4 過(guò)熱保護的可靠性 為了保護器件，需使用TSD電路實(shí)現過(guò)熱保護。當器件由于某些故障而處于過(guò)熱時(shí),TSD電路以及其他電路(包括穩壓器)是可靠的解決方案。 4．1 不同熱關(guān)斷觸發(fā)點(diǎn) 理論上TSD觸發(fā)點(diǎn)可以不同,是TSD保護器件不受過(guò)熱損壞的主要因素。如果TSD在高溫下觸發(fā)，會(huì )危及器件的可靠性。如果TSD在低溫下觸發(fā),則會(huì )干擾器件正常工作。構建TSD電路的具體方式取決于不同的觸發(fā)點(diǎn)。 器件參數指標中一般未給出熱關(guān)斷觸發(fā)點(diǎn)。原因在于：第一，TSD觸發(fā)點(diǎn)的生產(chǎn)試驗周期很長(cháng),成本過(guò)高。TSD需要幾百毫秒到幾秒鐘才觸發(fā),具體由硅的熱時(shí)間常數決定。對于RS一485器件,通常試驗時(shí)間為數百毫秒，因此，TSD觸發(fā)點(diǎn)未經(jīng)生產(chǎn)測試。第二，通過(guò)模擬或手工方式計算的TSD觸發(fā)點(diǎn)極值通常并不精確。主要在于仿真模型和工藝技術(shù)數據一般僅限于溫度不大于150°C。TSD電路在高于150°C觸發(fā)時(shí)，模擬器或手工計算無(wú)法很好地對其仿真。TSD電路通常用簡(jiǎn)化公式來(lái)設計,手動(dòng)歸一化，然后在硅中調整規定的觸發(fā)點(diǎn)。如果將額定觸發(fā)點(diǎn)刻意調整至低于150°C，模擬器可以給出有關(guān)TSD觸發(fā)點(diǎn)相對變化情況的信息。但是，不能提供絕對觸發(fā)點(diǎn)的精確信息，除非模擬器設計為工作在150°C以下，而這并非器件所處的典型環(huán)境。 4．2 半導體材料最大允許溫度 4．2．1 硅材料及擴散 硅本身能耐受遠遠超過(guò)150°C的高溫。硅的熔點(diǎn)是1 415°C。不過(guò)，硅的有用溫度范圍受臨界溫度限制，臨界溫度遠低于熔點(diǎn)。生產(chǎn)工藝過(guò)程中溫度高于150°C且遠低于1 415°C時(shí),根據摻雜濃度的不同，半導體在某溫度點(diǎn)變?yōu)楸菊鲬B(tài)。半導體變?yōu)楸菊鲬B(tài),意味著(zhù)形成半導體結的雜質(zhì)的摻雜濃度不再是主導載體濃度。 4．2．2 電子遷移及閉鎖 高溫工作時(shí)還需要考慮電子遷移和閉鎖。當半導體長(cháng)時(shí)間暴露在高溫下且流過(guò)大電流時(shí)，發(fā)生電子遷移,導致金屬系統或互連半導體成為高阻狀態(tài)。溫度恒定時(shí)，如果施加足夠大的電流且時(shí)間足夠長(cháng)，金屬會(huì )變成阻性,最終熔斷并導致器件發(fā)生故障。高溫會(huì )加劇電子遷移，影響器件的長(cháng)期可靠性，且與依靠TSD來(lái)應對的短時(shí)間故障無(wú)關(guān)。 閉鎖是器件I／O或電源從I／O端連接的電源或器件電源吸收大量電流(通常為數百毫安秒)時(shí)產(chǎn)生的現象。引腳流出超過(guò)絕對最大額定值電流的時(shí)間太長(cháng)或交流信號耦合機制的影響會(huì )造成閉鎖。電源電壓瞬變引發(fā)器件閉鎖,導致I／O端出現振鈴，振鈴信號能量耦合I／O從而使其閉鎖。閉鎖的破壞性，取決于鎖存引腳的阻抗、鎖存時(shí)電源阻抗及兼容性以及結溫。軟閉鎖不會(huì )破壞器件，但需要電源復位。閉鎖是由半導體內部的雙極性結引起的，由于雙極增益隨溫度增加,因此高溫時(shí)容易誘發(fā)閉鎖事件。TSD電路可使器件結溫保持在合理的水平，有助于防止閉鎖。 4．2．3 封裝材料 過(guò)熱應力下需要考慮封裝部分如引線(xiàn)框架、塑封料及焊線(xiàn)的材料。新興的綠色和無(wú)鉛化合物支持高焊接溫度，允許在260°C時(shí)短時(shí)焊接，濕度敏感等級為1。然而，綠色和無(wú)鉛型塑封料也會(huì )降低高溫儲存壽命(HTSL)。 4．2．4 長(cháng)期高溫的影響 新興的綠色和無(wú)鉛塑封料在140°C時(shí)的HTSL限制約為10年。在可靠性測試中可導致器件失效的主要機制是kirkendall空洞現象。隨著(zhù)時(shí)間推移，半導體中連接焊線(xiàn)和焊盤(pán)的球鍵強度會(huì )被塑封料減弱。一旦球形結點(diǎn)的鍵合強度減弱到一定程度，就變?yōu)殚_(kāi)路，最終導致器件故障。在對抗kirkendall空洞方面，銅的鍵合強度遠遠好于摻銅鋁焊盤(pán)。 負偏壓溫度不穩定性(NBTl)也是造成器件高溫故障的一個(gè)重要原因。pMOS晶體管參數有較大漂移，NBTI便是其中一種表現形式。測試NBTI時(shí)，pMOS的柵極負壓偏置，其他端均為地電位(圖7)，測試裝置處于高溫。pMOS的參數在時(shí)間零點(diǎn)測量，通過(guò)測試確定這些條件下的參數偏移度，從而定義NBTI。溫度和偏置電壓足夠高時(shí)，pMOS的NBTI可以限制或完全影響晶體管性能。注意：由于pMOSNBTI的影響，閾值電壓Vt、電流驅動(dòng)Id、和柵極電容Cg的漂移比較明顯。 4．2．5 半導體材料最大允許溫度 器件結溫較高時(shí)，會(huì )出現許多潛在的危險因素。采用綠色和無(wú)鉛封裝以及標準銅摻鋁焊墊時(shí)器件的HTSL較低，最有可能引發(fā)長(cháng)期可靠性問(wèn)題，因為形成kirkendall空洞效應的溫度低于造成電子遷移的溫度。TSD電路調節器件結溫，可防止短路故障。TSD也有助于預防閉鎖。如果器件持續短路，TSD有助于器件持續工作更長(cháng)的時(shí)間，但不能指望TSD可使器件始終在故障下工作。 5 結束語(yǔ) 在某些短時(shí)間故障下，TSD電路具有保護器件的功能。雖然TSD有助于器件長(cháng)期可靠性，但它們并不是專(zhuān)門(mén)用于改善長(cháng)期可靠性的。在器件的建議工作條件下正確使用是增強長(cháng)期可靠性的唯一途徑。故障時(shí)短時(shí)間工作在絕對最大額定值是允許的,但長(cháng)期工作在絕對最大額定條件下可能會(huì )影響器件的可靠性。 大多數TSD電路根據實(shí)驗測試設計,因為仿真器只限于工作在溫度低于TSD觸發(fā)點(diǎn)的環(huán)境。TSD電路的觸發(fā)點(diǎn)范圍相當嚴格，應保護器件同時(shí)不應干擾正常工作�？刹捎枚喾N反應速度快于TSD的技術(shù)來(lái)進(jìn)一步限制器件結溫,從而保護器件。 |
