Latchup 이란?
Latchup이란 CMOS 입력 및 출력 회로에 있는 기생 4단 SCR의 트리거링에 의해 전원과 ground사이에 낮은 임피던스 경로가 생성되는것을 말한다.
Latchup이 발생하면 큰 전류가 흐르며, 전류로 인한 열때문에 배선을 녹이거나 IC 내부 소자들을 파괴할 수 있다.
Latchup은 정상 사용 시에는 발생하지 않지만 전원 동작 시의 peak 또는 터미널 상에서 고전압 노이즈의 급격한 상승 등으로 인해 발생한다. ESD event도 latchup의 원인이 되기도 한다.
PMOS와 NMOS가 나란히 있는 CMOS구조에는 PNPN 사이리스터의 구조가 항상 있다.
즉, Latchup 위험을 항상 고려하고 있어야 한다.
Tr1은 전원공급장치에 연결된 PMOS 소스 Pch, N-SUB, 그리고 P-WELL로 이루어진 회로로 구성된다.
Tr2는 NSUB, P-WELL, 그리고 GND에 연결된 NMOS 소스 Nch로 이루어진 회로로 구 성된다.
CMOS 구조에서 Tr1과 Tr2는 그림 2 에 노란색 선으로 표시한 것과 같이 구성되어 있다.
전력은 양극에 연결되고, 음극 은 GND에 연결되며 게이트는 NMOS 구조의 P-WELL에대응한다.
CMOS 입력 라인은 NMOS 게이트에 연결된다. 게이트, P-WELL, 그리고 이 들 사이에 위치한 게이트 산화막(gate oxide film)이 커패시터를 형성하고, 이 것은 고주파수를 쉽게 통과시킨다.
짧은 시간에 전압변화가 큰노이즈가 입력 라인을 따라 유입되 면, 게이트 산화막 을 통과하여 P-WELL까지 도달할 수 있 다. 이로 인해 PNPN 접합이 온 상태로 전환되어, 전력공급장치로부 터 GND로 공급되는 대전류가 발생할 수 있다.
전원공급이 끊기거나, device가 파괴될때까지 전류는 계속 흐른다.
Slope 1/Rt 기울기가 Latchup에 걸렸을때 저항이다. 기울기가 급하다. 즉, 임피던스가 낮다.
Latchup 원인
1. 단자로부터 유입되는 외부 노이즈
급격한 상승 및 하강 에지 뿐만 아니 라 큰 dV/dt 특성을 가진 외부 노이 즈가 IC내부 까지 도달해, PNPN 접합을 turn 상태 로 전환시킬 수 있다. 노이즈가 일반 적으로 전자기파로 구성되어 있다고 생각할 수 있지만, ESD 높은 전압 역시 원인이 되기도 한다.
2. 전력공급장치 노이즈
노이즈가 전력공급장치에 영향을 미치게 되면 전압이 감소하여 PNPN 접합의 게이트에 유입되는 노이즈와 동일한 조건을 형성하여 Latchup이 발생 하기도 한다.
3. IC 내부 전압 변동으로 인해 발생하는 게이트 노이즈
상대적으로 큰 전류가 IC를 통과 하면 전위차가 그 내부에 형성되고, 이로 인해 PNPN 접합 게이트를 작 동시키는 것과 동일한 현상이 발생할 수 있다. 이것 역시 Latchup의 원인이다. 이러한 현상은 대전류가 전력공 급장치에 유입되거나 GND를 통해 흐를 경우에 발생한다. 단자들을 통과한 대전류가 IC 내부 전압을 변화시켜 Latchup 을 일으킬 수도 있다.
Latchup 방지대책
1. 단자를 통해 유입되는 노이즈의 차단
노이즈가 많은 환경에서 IC를 사 용하고 있다면, 단자로부터의 노이즈 를 차단해야 한다.
노이즈를 방지할 수 없다면, 저항, 커패시터, 페라이트 코어 등 을 사용하여 노이즈의 dV/dt를 낮춰 야만 한다.
2. 규정한 Power on 절차의 준수
일부 IC 다양한 전력공급장치를 사용할 수 있으며, 사용자 매뉴얼 에 온 상태 전환을 위한 절차와 예방 조치들에 대해 설명하고 있다. 매뉴 얼에 지정된 Power on 절차를 반드시 준수해야 한다. 또한 매뉴얼 또는 Datasheet에 지정된 전원인가 간격을 준수해야 한다.
3. 전력선과 단자에 대한 과도전류 차단
사용자 매뉴얼 또는 Datasheet에 최대 전류 값이 지정되어 있다.
고전압 을 인가시키면 과도전류를 발생시킬 수 있기 때문에 사용자 매뉴얼에 지정된 값(특히 최대 정격 값Absoulute maximum)을 반드시 준수해야만 한다.
4. 보호회로 삽입
Latchup으로 인해 큰 전류가 IC를 통과할 가능성이 있다면, IC 를 보호하기 위한 효과적인 방법은 과도전류가 감지되었을 때 전력을 차단하는 보호회로를 삽입하는 것이다. IC 고장이 발생하지 않았다면, 전원을 다시 인가했을때 정상 동작한다.