液晶显示系统时序控制TCON芯片的ESD防护研究
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【摘要】TCON芯片负责液晶显示系统驱动电路的时序控制，与外部显示屏连接时承受巨大的ESD冲击。本文通过设计合理的tcon芯片内部esd防护电路，提出一种新颖的在片式ESD防护结构，降低ESD冲击对核心电路的不良影响，并经流片测试，数据与防护理论预期基本相符。
【关键词】TCON芯片；ESD；防护
1.引言
近年来世界范围移动通信产业的发展日新月异，新技术新应用创新不断深入，特别随着3G的普及和手机性能的提高，基于移动终端的多媒体应用日益丰富，给人们生活带来了全新的交流模式。目前移动通信市场上手机的液晶显示系统采用将视频数据接收功能与时序控制（Timing Controller，简称TCON）功能集成的芯片。但随着显示屏尺寸和高分辨率的增大，连接显示屏与芯片之间的传递时序控制信号的数据线将增至数千条，必须使用独立的时序控制芯片。主控芯片接收视频数据并进行编解码处理后，传给TCON芯片。TCON芯片为液晶屏上的驱动电路提供时序控制信号，从而实现模拟RGB信号的显示控制。然而，TCON芯片与液晶显示屏相连接时会承受外部ESD冲击，造成显示系统数据延迟失真，使TCON芯片的接口传输速率无法满足大数据量传输的要求。如何提高TCON芯片ESD防护水平，减小ESD冲击影响，是一个具有巨大经济价值和技术意义的研究课题。
2.ESD保护电路结构、工作原理与实测结果
本文设计了一款ESD在片式TCON芯片。它采用90nm CMOS工艺设计，功耗约60mW；每通道支持最大5.4Gbps，2.7Gbps和1.62Gbps数据传输；发送端支持8通道，每通道支持1D/1C和2D/1C配置；通过CPIO支持门D-IC/GIP，上电门输出掩盖以避免DC/DC过载，可编程故障自趋安全模式，可配置BIST和AGP模式。
传统SCR保护电路通常采用寄生的NMOS管作为辅助触发器件来开启保护电路，随着工艺尺寸的缩小，寄生NMOS栅氧厚度进入纳米尺度，它的栅氧化层在外部ESD冲击下，容易发生击穿，造成电路失效。与传统ESD保护SCR结构不同的，本文采用的SCR结构在P衬底上增加一个P+掺杂区，不使用寄生NMOS管作为触发器件，且能降低传统SCR结构过高的触发电压。衬底触发SCR保护结构（图1所示）由寄生的纵向PNP管（Q1）和横向NPN管（Q2）组成，PNP管以P+掺杂作为发射极，N阱作为基极，P型衬底作为集电极；NPN管以N阱作为集电极，p型衬底作为基极，N+掺杂作为发射极，N阱寄生电阻R_well和P型衬底寄生电阻R_sub利用自身压降触发PNP管和NPN管。
衬底触发SCR结构一般工作过程是（图2所示）：当ESD冲击电流通过辅助电路从P-trig端进入到寄生NPN管，使NPN管BE结电压Vbe>0.7V，NPN管导通，电流将在R_well上形成压降，使PNP管的BE结电压Vbe>0.7V，PNP管也随之导通，电流在NPN管和PNP管之间不断增强，在PAD和接地之间形成一个正反馈的导电通路，将外部ESD冲击从旁路泄放掉，达到保护核心电路的作用。同时，在外部触发电路增加必要的器件，使衬底触发SCR结构的保持电压在泄放ESD冲击后能提高到一定水平，避免闩锁效应的发生。
TCON芯片实际流片后（图3为衬底触发SCR结构版图），进行芯片ESD的实际的Trigger（Vt）电压和Hold（Vh）电压测试，测试原理如图4所示。把电压源的输出电压V设在一定的值，用ESD设备去打所测芯片管脚Pin 1。找出最小的电压V（条件是发光二极管在ESD trigger后要发亮）。那么Pin 1的ESD的保持电压Vh=V（二极管导通电压）。衬底触发SCR结构的ESD的TLP测试结果图5所示。
3.结论
通过实际的测试，TCON芯片ESD保护的Snapback曲线落在设计窗口内，各项参数指标符合要求，采用的衬底触发SCR结构ESD防护达到了预期效果，理论值与实际测试结果基本相符。通过后续芯片批量生产测试，TCON芯片的ESD防护水平已达到国家标准，完全能够应用到整机产品中去。因此，在片式衬底触发SCR结构是一种有效的TCON芯片ESD防护设计方案。
参考文献
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作者简介：张晋芳，男，山西忻州人，博士，北京集创北方科技有限公司总经理。