探究什么是单片机的闩锁效应

什么是“闩锁效应”？这个词儿对我们来讲可能有点陌生。从构造上来看，单片机由大量的PN结组成。有一个由四重结构“PNPN”组成的部分，其中连接了两个PN结。PNPN的结构是用作功率开关元件的“晶闸管”的结构，并且单片机中的PNPN部分被称为“寄生晶闸管”。

晶闸管由三个端子组成：阳极（正极），阴极（负极）和栅极（门）。通常，电流不从阳极流向阴极，但是当信号输入到栅极时，电流从阳极流向阴极。一旦电流开始流动，除非电源关闭，否则它将继续流动。由于此时的导通电阻非常小，因此流过大电流。在单片机的寄生晶闸管中发生相同现象的现象称为“闩锁”。

当单片机发生闩锁时，大电流流入内部，不仅导致无法正常工作，而且还可能导致单片机内部的导线熔化并损坏元件。如果使用正确，将不会发生闩锁，但是如果您错误地启动电源或陡峭的高压噪声进入引脚，则会发生闩锁。图1是单片机表面上的金属布线的图片，该金属布线实际上已被闩锁电流熔化。

一、晶闸管结构是什么样的？

晶闸管（PNPN）的结构。当将正电势施加到阳极而将负电势施加到阴极时，由于J1和J3为正向，而J2为反向，因此没有电流从阳极流向阴极。

晶闸管结构

然而，当将电压施加到栅极并且电流流动时，J2的反向电流被栅极电流加速，并且电流流过J2。由于J1和J3本质上是向前的，因此当发生这种现象时，电流开始从阳极流向阴极。一旦电流开始流动，除非阳极电源关闭，否则它将继续流动。这是晶闸管切换操作。利用这种操作，晶闸管被用作电力设备中的开关元件。

PNPN结被认为是PNP晶体管和NPN型的组合，如图2-b所示。电路图显示了如图2-c所示的双晶体管配置。Tr1的发射极（E）成为晶闸管阳极，基极是Tr1的集电极（C），Tr2的基极（B），阴极是Tr2的发射极（E）。

二、闩锁发生的机理？

图3显示了应用于单片机CMOS中的两个晶体管。

图3：闩锁发生的机制

上图中的示例适用于N型衬底。此外，存在P型衬底的情况，但在两种情况下均会形成寄生PNPN结，因此可以以相同方式考虑闩锁的原理。Tr1由PMOS的源极的P沟道形成，该PMOS的源极连接到N型衬底的电源，然后再连接到P阱。然后，Tr2由从N型衬底连接到P阱和GND的NMOS源极的N够到路径形成。

Tr1和Tr2形成为如图3的CMOS中的黄线所示。电源侧为阳极，GND侧为阴极，而栅极等效于NMOS P阱。CMOS输入线连接到NMOS的栅极。栅极和P-WELL在插入栅极氧化膜的情况下形成与电容器相同的结构。电容器很容易通过高频信号，因此，如果噪声进入输入线，并且噪声的dV/dt大（高频分量大），则它会穿过栅氧化膜并到达P阱。这将触发PNPN结导通，从而导致大电流从电源流向GND。

另外，如果电源线急剧波动，特别是如果它向负侧波动，则栅极电压将高于电源电压，并且状态将与噪声进入栅极时相同。如果在建立单片机的电源之前在端子上施加了电压，则会发生此状态。

编辑：jq