BUCK电路对地击穿问题的思考

小tutu

本人新手独立第一次进行BUCK芯片设计与测试的时候出现了一些问题：在未上电之前，SW到gnd（功率级的地→GNDP）为高阻抗-几百k。初次进行上电测试发现正常工作，但工作一段时间后再对SW到gnd之间进行测试，发现对地（功率级的地→GNDP）有一个小阻抗的路径出现约20Ω。一共穿了好几块板子，综合现象下来于是有以下猜想及疑惑（工艺为TSMC18 管子为5V耐压管子）


①VSW处过压，导致DS击穿：由于做PCB经验不足，其电源回路以及地上面寄生电感很大，开关节点处有大的振铃（击穿后针对大约3V-VDD供电电压情况对1号板进行测试，因为不敢将数字电源输出调大，怕引起其他问题，此时将VDD降低测试），随后加入RC snubber进行振铃抑制，在已经出问题的板子上发现其纹波得到了抑制。
疑问点:将RC snubber设置的很大，计算寄生为约6nF，加入了甚至100nF的抑制，再进行新板子测试时一开始能够正常工作，但是工作了一段时间，调节输出电压较高一点时仍出现相应的击穿，此时VSW处电压波形仍在耐压范围内。

于是考虑因素②（SW接入电路示意图见下图1）
②latch up问题导致D与psub间烧穿：由于nmos源级到gnd有较大电感存在，导致体二极管续流反偏时其反偏电压更大，从测试图上看正常工作还未击穿时可到-1V，击穿后变为-700mV左右，此芯片对VSW处做了IO PAD（金属片+ESD电路）的设计。
因此对PAD进行DC仿真，发现当I/O PAD输入电压为-1V，VDDPAD和GNDPAD（PAD的ESD保护电路的GND电位）为4.5V和0V时，其静态电流有1.77A。因此考虑是否死区时间体二极管反偏时流入电流过大，同时时间过长导致对地烧穿导致。

疑问点：1.首先发现有许多芯片设计在设计VSW处时，都直接拉到金属片上不做ESD电路，仅依靠自身许多寄生体二极管实现ESD，那这样如果我自己加入了ESD保护电路，不应该会保护的效果更好，更不容易烧坏吗？
             2.如果真是烧穿了，个人考虑ESD电路由于更靠近外部，同时ESD充当对地反偏二极管的NMOS总体尺寸远远小于NMOS功率管尺寸，可能当体二极管反偏时其大部分电流会优先从GNDPAD处灌入VSW，因此烧毁部分应该为PAD处，低阻路径应该为VSW→GNDPAD，但是又考虑到本设计中电感电流要流经负载，再到GNDP（功率级GND）-再到VSW才算是一个回路，所以续流还是会从功率管自身体二极管处流出。同时在VSW点加电压，将GND、GNDPAD、GNDP连接在一起，发现电流基本只从GNDP流出，将其验证这样即使没有加ESD保护电路也应该和那种VSW直接拉到金属片上的设计一致，那还会是烧穿的原因吗？还是说版图上面另有隐患（版图NMOS剖面图见下图2）
             3.画版图在进行DRC时PAD后报了LUP.3.4g_5V以及LUP.5.4g_5V的问题（不加PAD就没有此问题），描述大概是直连到PAD的MOS管需要与其他MOS管隔开一定距离，除非加入NBL层保护（错误未报在功率级管子上，但是报在了许多PAD的ESD电路上），之前流片的时候将这个错误wave掉了没有出问题，这一次于是也wave掉了，但是之前都没有过大电流的设计，不知道是不是这个地方出了问题。

PS：由于功率级的存在，需要将GND隔开，此时未使用NBL埋层而是使用DNW+NWELL的方式将GND进行隔离，分为GNDPAD（PAD的ESD电路的GND，也即PSUB）、GNDP（功率级及数字电路GND，利用DNW+NWELL将其从PSUB上完全隔开）、GND（模拟电路GND，利用DNW+NWELL将其从PSUB上完全隔开）这些GND通过IO PAD输入电路之中（见图3）PCB上未将各个GND连接在同一层金属上，进行GND间相互测试发现GND GNDP GNDPAD互相之间为低阻抗约30-50Ω，因此也十分疑惑究竟各个GND之间有没有被真正分开，当时进行DNW相关绘制工作时，其不管怎么画drc均没有显示报错，当加入PSUB2标识层再提取参数后仿真时才展现出各GND分离的特性。

以上是新手进行独立设计测试遇到的一些问题现象、探究的过程以及自己的思考和疑虑，目前问题没有得到解决仍在寻找办法，有碰到类似问题的朋友可以一起讨论一下看法，也希望有过相关类似经历并解决的大佬不吝赐教。
附一张测试图可以参考，应该是未击穿时拍的，黄色为输出电压波形（SMA接口），绿色为电感电流（Current Probe），粉色为开关节点电压波形（杜邦线引出测量）

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小tutu

补充一下，在后仿真中将相应PCB条件加上，VSW由0-VDD变化时由于RC snubber的存在会出现两相不交叠死区消失的现象。同时为了验证电流续流问题，对GNDPAD与GNP进行电流检查，当死区电压低至最低点时，GNDPAD与GNP电流大小基本一致，合起来大小节接近电感电流，但是还有约40mA的差别。

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