液晶顯示系統時序控制TCON芯片的ESD防護研究

北京集創北方科技有限公司 張晉芳 王 勇

北方工業大學 鞠家欣

北京集創北方科技有限公司 朱宇帥 賈有平

1.引言

近年來世界范圍移動通信產業的發展日新月異，新技術新應用創新不斷深入，特別隨著3G的普及和手機性能的提高，基于移動終端的多媒體應用日益豐富，給人們生活帶來了全新的交流模式。目前移動通信市場上手機的液晶顯示系統采用將視頻數據接收功能與時序控制（Timing Controller，簡稱TCON）功能集成的芯片。但隨著顯示屏尺寸和高分辨率的增大，連接顯示屏與芯片之間的傳遞時序控制信號的數據線將增至數千條，必須使用獨立的時序控制芯片。主控芯片接收視頻數據并進行編解碼處理后，傳給TCON芯片。TCON芯片為液晶屏上的驅動電路提供時序控制信號，從而實現模擬RGB信號的顯示控制。然而，TCON芯片與液晶顯示屏相連接時會承受外部ESD沖擊，造成顯示系統數據延遲失真，使TCON芯片的接口傳輸速率無法滿足大數據量傳輸的要求。如何提高TCON芯片ESD防護水平，減小ESD沖擊影響，是一個具有巨大經濟價值和技術意義的研究課題。

2.ESD保護電路結構、工作原理與實測結果

本文設計了一款ESD在片式TCON芯片。它采用90nm CMOS工藝設計，功耗約60mW；每通道支持最大5.4Gbps，2.7Gbps和1.62Gbps數據傳輸；發送端支持8通道，每通道支持1D/1C和2D/1C配置；通過CPIO支持門D-IC/GIP，上電門輸出掩蓋以避免DC/DC過載，可編程故障自趨安全模式，可配置BIST和AGP模式。

傳統SCR保護電路通常采用寄生的NMOS管作為輔助觸發器件來開啟保護電路，隨著工藝尺寸的縮小，寄生NMOS柵氧厚度進入納米尺度，它的柵氧化層在外部ESD沖擊下，容易發生擊穿，造成電路失效。與傳統ESD保護SCR結構不同的，本文采用的SCR結構在P襯底上增加一個P+摻雜區，不使用寄生NMOS管作為觸發器件，且能降低傳統SCR結構過高的觸發電壓。襯底觸發SCR保護結構（圖1所示）由寄生的縱向PNP管（Q1）和橫向NPN管（Q2）組成，PNP管以P+摻雜作為發射極，N阱作為基極，P型襯底作為集電極；NPN管以N阱作為集電極，p型襯底作為基極，N+摻雜作為發射極，N阱寄生電阻R_well和P型襯底寄生電阻R_sub利用自身壓降觸發PNP管和NPN管。

襯底觸發SCR結構一般工作過程是（圖2所示）：當ESD沖擊電流通過外圍輔助電路從P-trig端進入到寄生NPN管，使NPN管BE結電壓Vbe>0.7V，NPN管導通，電流將在R_well上形成壓降，使PNP管的BE結電壓Vbe>0.7V，PNP管也隨之導通，電流在NPN管和PNP管之間不斷增強，在PAD和接地之間形成一個正反饋的導電通路，將外部ESD沖擊從旁路泄放掉，達到保護核心電路的作用。同時，在外部觸發電路增加必要的器件，使襯底觸發SCR結構的保持電壓在泄放ESD沖擊后能提高到一定水平，避免閂鎖效應的發生。

TCON芯片實際流片后（圖3為襯底觸發SCR結構版圖），進行芯片ESD的實際的Trigger（Vt）電壓和Hold（Vh）電壓測試，測試原理如圖4所示。把電壓源的輸出電壓V設在一定的值，用ESD設備去打所測芯片管腳Pin 1。找出最小的電壓V（條件是發光二極管在ESD trigger后要發亮）。那么Pin 1的ESD的保持電壓Vh=V（二極管導通電壓）。襯底觸發SCR結構的ESD的TLP測試結果圖5所示。

3.結論

圖1 襯底觸發SCR結構剖面圖

圖2 襯底觸發SCR結構原理圖

圖3 襯底觸發SCR結構版圖

圖4 TCON芯片ESD防護測試圖

圖5 襯底觸發SCR結構ESD沖擊TLP測試

通過實際的測試，TCON芯片ESD保護的Snapback曲線落在設計窗口內，各項參數指標符合要求，采用的襯底觸發SCR結構ESD防護達到了預期效果，理論值與實際測試結果基本相符。通過后續芯片批量生產測試，TCON芯片的ESD防護水平已達到國家標準，完全能夠應用到整機產品中去。因此，在片式襯底觸發SCR結構是一種有效的TCON芯片ESD防護設計方案。

[1]楊袁淵.基于SCR的ESD技術與電路研究[D].南京:東南大學,2009,3.

[2]Wang A.On-chip ESD protection for integrated circuits:an IC design perspective.Kluwer Academic Publishers,2002.

[3]Wang A,Feng H,Zhan R,et al.ESD protection design for rf integrated circuits:new challenges.Proc IEEE Custom Integrated Circuits Conf,2002:411.

[4]池保勇,余志平,石秉學.CMOS射頻集成電路分析與設計[M].北京:清華大學出版社,2006.

[5]蔡懿慈.超大規模集成電路設計導論[M].北京:清華大學出版社,2005.