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ColdFire微控制器芯片ESD/EFT保护技术研究

刘丰  
【摘要】:随着深亚微米工艺制造技术、设计技术的日臻成熟,微控制器的功能越来越强大且正朝着低功耗、小体积和高性能等几个方面发展。小体积的芯片和低成本的应用系统势必减少ESD保护器件的使用,这会极大的降低微控制器芯片抗电磁干扰(EMI)能力。电磁兼容性(EMC)是衡量微控制器可靠性的关键指标,已经成为微控制器芯片设计中必须考虑的问题。本论文的研究背景是飞思卡尔强芯(天津)公司EMC实验室研发项目“微控制器芯片可靠性设计及测试”,目前该项目已流片验证,通过了芯片级和系统级测试。 在对32位ColdFire微控制器芯片整体架构详细分析的基础上,本论文主要研究了微控制器芯片可靠性设计中RSD A/D转换器和线性稳压器的原理、鲁棒性设计技巧。详细探讨了芯片级静电放电(ESD)/电气快速瞬变(EFT)保护电路设计、ESD/EFT设计理论及测试和芯片PADRING SPICE验证等关键技术。基于传统的ESD/EFT保护电路失效分析结果,提出了新的电路设计结构和I/O版图优化技术,使整个芯片的ESD/EFT保护网络能有效的抑制ESD与EFT等瞬态干扰信号,研究成果已经应用于飞思卡尔公司微控制器产品。 论文的创新性包括:设计了鲁棒性的RSD A/D转换器和线性稳压器。该A/D转换器可实现差分信号输入和单端信号输入,具有低功耗(20mW)、高分辨率(12bit)、高速(1Ms/s)和面积小(0.42mm2)等优点,而线性稳压器的可靠性能包括输出电压精度高(2%)、纹波电压小(10mV)和静态电流低(100μA)等。 提出了新的ESD/EFT触发电路结构。该电路结构不仅能够处理较慢的瞬态干扰信号(60ns~10μs),而且能够处理快速的瞬态干扰信号(60ns),同时改善了上电ESD性能(8KV),克服了传统ESD触发电路只能处理快速瞬态干扰信号(60ns)与上电ESD性能较弱的缺点(6KV)。 提出了抗瞬态闩锁效应措施与增加NMOS clamp击穿电压的方法。EFT事件产生的较大衬底电流会降低NMOS clamp的击穿电压(最坏可能低于6V)并引起瞬态闩锁效应,通过版图优化设计,减小衬底寄生电阻(1?),避免芯片SoC级和模块级的瞬态闩锁效应发生,且提高了NMOS clamp的击穿电压(8V)。


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