闩锁 Latch-up：那颗一直没有关掉的保护器件

这块板子在做什么

一个 5V 电源轨上的 USB Type-C 端口。很普通的设计：连接器、数据线和 VBUS 上的 ESD 保护，后面接控制芯片。工程师选保护器件的方式跟多数人一样，看数据手册上哪一颗的钳位电压最低。钳位越低，打到芯片上的电压越小，所以低的一定更安全。

实际发生的事

在 ±8kV 接触放电测试时，这个端口没有响应了。之后在工作台上测到：

• VBUS 停在大约 2.4V，而不是 5V
• 流进保护器件的电流远高于正常漏电流，是毫安，不是纳安
• 用手能摸出器件是温的
• 重新上电之后，一切又恢复正常

最后那一点才是重点。烧掉的器件不会因为你把电断掉再接上就复原。这颗器件没有坏。它是在导通，而且从放电那一刻起就一直导通，远比放电本身持续得久。

大家最先想到的答案

最直觉的解读是「浪涌比这颗料能承受的还大，所以换一颗更强的」。这会让人去挑浪涌耐量更高的器件，通常是更大的裸片，通常也意味着更高的电容。在 USB 3.x 的高速线上，这个电容会伤到信号完整性，于是设计从一个问题变成两个问题。

而且这样完全没有解决问题，因为根本没有东西被打坏。要看出真正发生了什么，必须看这颗器件在导通过程中的行为，而唯一能看到这件事的测量是 TLP 曲线。

能看出问题的测量

TLP（Transmission Line Pulse，传输线脉冲）测试会对器件打一个很短、而且控制得很精确的脉冲，同时记录器件两端的电压和流过的电流。把幅度一档一档往上加，就得到这颗器件真正的电流-电压曲线，不是市场宣传数字，是实际行为。

从左往右看：

• 从 0V 到 6.3V，器件是关的，几乎没有电流。这就是触发电压，通常写作 V_t1。
• 到了 6.3V 它导通了，而且器件两端的电压往回掉到大约 2.4V。这一段折返就是它名字的由来：回拉（snapback）。
• 从这里开始导通，一路上升到 11V／16A。导通时电压这么低，正是回拉型器件钳位数字那么漂亮的原因。

真正重要的数字是折返最底下那一个：维持电压 V_h。器件两端电压低于它，器件才会放手；高于它，器件就继续导通。

它为什么关不掉

放电把器件触发了。这没问题，那本来就是它的工作。问题在于它被触发之后，看到的是什么。

这颗器件跨在一条带电的 5V 轨上。它的维持电压是 2.4V。浪涌过去以后，电源轨还在，还能继续推电流，也还把器件维持在大约 2.4V，远高于它会放手的电平。所以它就一直开着。

现在电源正在喂一条直接对地的低阻抗通路。这就是为什么 VBUS 测到 2.4V、电流那么大、器件是温的。这也是为什么重新上电就好了：把电源轨断掉，是唯一能让电压低于 V_h 的办法。这就是 闩锁（latch-up）。放着够久，热最后还是会把器件烧掉，然后这个失效看起来就像一颗不够强的料，于是下一个工程师又被带回错的结论。

它为什么有地方可以待着

上面这些其实有更精确的说法，而且值得画一张图。把电源能提供的能力，跟器件画在同一组坐标上，然后看它们在哪里相交。

A 点是板子正常工作：器件两端 5V，没有电流流过它。B 点是故障：2.4V，有电流。关键词是两个都是，每一个都是电路可以无限期停留的位置。ESD 脉冲并没有打坏任何东西，它只是把电路从 A 带到 B；到了 B 之后，电路里没有任何东西会把它推回去。

这就是「会自己恢复的故障」和「不会自己恢复的故障」之间的差别。如果这颗器件没有回拉，它的导通分支会整段落在电源轨右边，就不会有第二个交点，只有一个位置可以待，就不可能闩锁。回拉造就了第二个「家」。

两种不同的故障同名

这件事值得小心分开讲，因为同一个词被用在两件不同的事情上，而且解决办法不一样。

第一种是被保护芯片内部的闩锁。任何 CMOS 工艺里都存在一个没有人想要的四层结构，NMOS 的源极、P 型衬底、N 阱、PMOS 的源极，叠起来就是 P-N-P-N。那是一颗没有人设计、也没有人想要的晶闸管。它的行为等同于两颗双极型晶体管互相接到对方的基极。正常情况下两颗都是关的，只漏几个纳安。但只要有东西对其中一颗注入足够的电流，它就会把另一颗打开，另一颗又把第一颗开得更大，两颗就一起锁进一条从 V_DD 直通接地的低阻抗通路。当初引发它的浪涌早就消失了；是电源在维持它。

第二种是保护器件自己闩锁，也就是这篇讲的失效。控制芯片内部什么事都没有发生。是 TVS 回拉到它的维持电压，而电源轨高到足以把它维持在那里。

在工作台上，这两种看起来几乎一模一样：电源轨垮到某个奇怪的固定值、电流高得离谱、某个东西是烫的，重新上电就好了。差别在于是哪一颗器件在承受这个电流。如果发烫的是保护器件，那就是保护器件闩锁；如果发烫的是控制芯片，而保护器件是凉的，那闩锁就在芯片里面。把保护器件的一只脚掀起来再测一次，一分钟就能分辨。

真正的触发原因

两种闩锁都需要有东西先注入第一波电流。实际上是：

• 端口上的浪涌。ESD、浪涌、带电热插拔，或是线缆本身储存的电荷灌进连接器。这是最常见的一种，而且 USB Type-C 端口每天都在遇到，它本来就是设计成可以带电插拔的。
• 电源轨上升太快。上升很快、或是开机时有过冲的电源，可能在板子都还没开始工作之前，就把足够的位移电流推过寄生结构，把它触发。
• 重负载让电源轨晃动。如果一个大的电流阶跃把电源拉下来、或是把局部地抬高，芯片内部不同位置之间的电位就会偏移，而这个偏移可能让一个本来应该关着的结正偏。
• 选了一颗维持电压低于电源轨的保护器件。这一项只会造成第二种闩锁，而且和前面三项不一样，它不是运气不好，是几个月前在办公桌前做的一个选型决定。

前三项是你要去管理的条件。最后一项则是可以直接避免的，而且避免它一分钱都不用花，这也正是在成品里发现它时，最让人不甘心的地方。

它对板子做了什么

闩锁不是一个事件，而是板子被卡住的一个状态。伤害是一级一级累积的，能走到哪一级，取决于电源被留着多久，以及它能供应多大的电流。

1. 电源轨垮到维持电压。不是垮到 0V，而是垮到被闩锁的器件停在的那个值。在这块板子上，5V 变成 2.4V。挂在这条轨上的每一颗芯片，现在都在低于它最低工作电压的条件下运行。
2. 通信中断或出错。这个端口挂掉，或者更糟，时好时坏。在数据线上，同样的故障表现成误码与重传，而不是干脆的失效，这种更难追。
3. 电流随着发热继续上升。被闩锁的通路阻抗很低，电源会供应到自己的极限为止。如果电源有限流，它会跟闩锁对抗，然后两边都发烫；如果没有限流，电流就只受板子本身限制。
4. 有东西因为 EOS 烧掉。是电过应力（EOS），不是 ESD，是慢慢热死，不是瞬间打死。通常是被闩锁的器件短路而死。有时候是键合线断掉。有时候是后面那颗芯片先走。

最后这一级，正是这个失效会在不同产品上一再重演的原因。一旦热把保护器件烧掉，闩锁的证据也跟着消失了。送到失效分析台上的，是一颗短路的 TVS，装在一块 ESD 测试没过的板子上，看起来就跟一颗不够强的料一模一样。于是下一版换上一颗浪涌耐量更高的器件，而且很常是维持电压一样的器件。板子用同样的方式再失效一次，而且现在数据线上还多了电容。

如果这篇只让你带走一个诊断习惯，请带走这一个：重新上电就会复原的保护器件，从来就不是不够强。在你去订一颗更强的料之前，先去看维持电压。

最低钳位电压的陷阱

接下来是比较难堪的部分。回拉型器件之所以钳位电压低，正是因为它会回拉。回拉就是它的卖点。所以当你把代理商的料表按钳位电压排序、然后挑最漂亮的那个数字时，你其实是在悄悄地挑出维持电压最低的那些器件，也就是最容易在带电轨上闩锁的那些。

数据手册上最吸引人的那个数字，正是制造风险的那一个。

解决办法

有两个都成立的答案，用哪一个取决于这条网络是什么。

1. 继续用回拉型，但要把数字算过。规则很简单：V_h 必须高于这条电源轨可能到达的最高电压，包含容差和任何过冲。只要电源轨永远不可能把器件维持在 V_h 或以上，它就不可能闩锁。
2. 改用不会回拉的器件。普通雪崩钳位型没有折返，它只在击穿电压以上才导通，所以 5V 轨根本没办法让它继续开着。你牺牲一点钳位性能，换掉整个失效模式。

在前面那块板子上，第二个选项才是对的。VBUS 是一条永远带电的轨，没有人会想要一颗「能不能正常工作要看电源容差」的保护器件。

为什么有些器件会回拉

会有人问：那为什么有人要做一颗可能被维持在导通状态的保护器件？答案是，回拉不是缺陷，它正是那些器件钳位表现那么好的全部原因。保护器件大致分成三种结构，而折返的形状就是它们的分野。

• 雪崩钳位型。一个在击穿电压以上开始导通、然后一路往上的二极管结。没有折返，所以没有维持电压要检查，低于它击穿电压的电源轨也没办法把它维持在导通。代价是导通电流上升时，它两端的电压也跟着上升，所以三者之中大电流下的钳位能力最弱。
• BJT 型。一颗由集电极雪崩触发的双极型晶体管。导通之后靠晶体管作用把电压压下来，所以它会回拉，但幅度不大。这一类卡在很尴尬的中间：折返是真的存在，而维持电压又常常刚好落在常见的电源轨电压附近。这是最容易让人踩到的一群，因为数据手册看起来没有夸张到会提醒你去检查。
• SCR 型。一个刻意做出来、而且受控制的四层晶闸管，跟 CMOS 芯片里那个意外形成的结构是同一种东西。两半互相把对方锁在导通状态，所以电压塌得很深。这让它有三者中最低的钳位电压，而且是用很小的裸片做到的，也就意味着很低的电容。它是每平方微米能买到最好的保护，同时也是那个只要电源轨允许，就会一直坐在那里导通的器件。

所以真正的排序不是「哪一个最好」。折返越深，钳位越好、裸片越小、电容越低，同时电源轨把它维持在导通的机会也越高。你是在这个取舍上选一个位置，而答案完全取决于这条网络上有没有直流电源。

从数据手册就看出来

在一颗保护器件被放到带电网络上之前，做三件事：

1. 先找维持电压。如果数据手册有列 V_h，把它跟你这条轨的最高电压比。V_h 比较低，这颗料就有可能在这条网络上闩锁。
2. 看 I-V 或 TLP 曲线。只要曲线往回折，它就是回拉型器件，不管宣传文案怎么写。曲线一路往上不回头，就不是。
3. 看看厂商有没有告诉你。有些厂商根本不公布维持电压。如果你打算把一颗料跨在带电轨上，而它没有这个数字，就去要，或者换一颗有公布的。

有一件事不能拿来判断：料号。前缀只是产品系列的名称，并不保证导通机制，整个业界都一样，包含我们自己的产品线在内，同一个系列里可能同时有两种。真正能定案的是上面那三个检查。如果你不想一颗一颗看完整份 BOM，把带电电源轨上的料号给我们，我们帮你把维持电压和你的电源电压逐一比对。

回拉型不是坏器件

在这里用「避开回拉型」收尾很容易，但那是错的。在高速数据线上，回拉型常常是更好的选择：它给你更低的钳位电压，而且是用很低的电容做到的，这正是多 Gbps 的通道需要的。而且数据线上没有直流电源，所以脉冲过后根本没有东西可以把它维持在导通。

同一颗器件，在数据线上是很好的选择，跨在电源轨上就是负债。它从来就不是一颗烂料。它是一颗被放错网络的好料。