CN104917165A - 浪涌电压保护电路和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种浪涌电压保护电路和方法。浪涌电压保护电路包含检测元件,嵌入于芯片,并布置于第一端和第二端之间,用于检测由于浪涌电压的突然电压变化是否发生,并当突然电压变化发生时生成使能信号;以及保护元件,嵌入于芯片并耦合到检测元件,用于通过在接收使能信号后旁路由浪涌电源生成的高能量,调整并降低突然电压变化。本发明通过以上方案,可以有效地保护芯片,且可以降低成本。
Description
【技术领域】
本发明涉及浪涌电压(浪涌电压)保护电路,且特别地,涉及芯片上浪涌电压保护电路以及芯片上浪涌电压保护方法。
【背景技术】
由浪涌电压或静电放电(electrostatic discharge,ESD)导致的损坏已经成为集成电路(IC)产品的一个主要的可靠性问题。图1是现有的数字用户回路系统100的示意图。数字用户回路系统100包含初级浪涌电压保护部件110、变压器120、次级浪涌电压保护部件130、回路部件150以及逻辑部件160A和160B。节点TXN、TXP、RXP和RXN是IC引脚。当浪涌电压在回路部件150附近发生时,初级浪涌电压保护部件110和次级浪涌电压保护部件130将释放突然放电(abrupt discharging)并保护数字用户回路系统100和IC。
然而,初级浪涌电压保护部件110、次级浪涌电压保护部件130和/或其它保护部件(例如,齐纳二极管或晶闸管浪涌电压抑制器)装备于数字用户回路系统100的系统板上,成本更高且占据更多空间。因此,需要一种嵌入在IC的芯片上浪涌电压保护电路以降低成本,且简化数字用户回路系统100的结构。
【发明内容】
有鉴于此,本发明特提供以下技术方案:
本发明提供一种浪涌电压保护电路用于芯片,包含检测元件,嵌入于芯片,并布置于第一端和第二端之间,用于检测由于浪涌电压的突然电压变化是否发生,并当突然电压变化发生时生成使能信号;以及保护元件,嵌入于芯片并耦合到检测元件,用于通过在接收使能信号后旁路由浪涌电源生成的高能量,调整并降低突然电压变化。
本发明还提供一种浪涌电压保护电路,包含由两个P型晶体管组成的差分对,并嵌入于芯片,其中两个P型晶体管的源极分别耦合到第一端和第二端,两个P型晶体管的漏极耦合在一起,以及两个P型晶体管的栅极偏置到预定电压,且当突然电压变化发生时,源极中的一个的电压超过预定电压,以及使能信号在两个P型晶体管的漏极生成;以及N型晶体管,嵌入于芯片,且耦合到两个P型晶体管的漏极,其中N型晶体管的漏极和源极耦合到第一端和第二端,且在接收使能信号后,N型晶体管导通,用于从第一端和第二端旁路浪涌电压的高能量。
本发明还提供一种浪涌电压保护方法,用于浪涌电压保护电路,浪涌电压保护电路嵌入于芯片,且布置于第一端和第二端之间,包含由浪涌电压保护电路的检测元件检测由于浪涌电压的突然电压变化是否发生;当突然电压变化发生时,由检测元件生成使能信号;以及由浪涌电压保护电路的保护元件,通过在接收使能信号后旁路由浪涌电压生成的高能量,降低突然电压变化。
本发明通过以上方案,可以有效地保护芯片,且可以降低成本。
【附图说明】
通过参考附图阅读后续详细描述和示例,可以更充分地理解本发明,其中:
图1是现有的数字用户回路系统的示意图;
图2是根据本发明的一个实施例的数字用户回路系统的芯片的示意图;
图3A是根据本发明的一个实施例的芯片的浪涌电压保护电路的示意图;
图3B是根据本发明的另一实施例的芯片的浪涌电压保护电路的示意图;
图4A是图示没有芯片的浪涌电压保护电路的电压的示意图。
图4B是图示根据本发明的另一实施例的具有芯片的浪涌电压保护电路的电压的示意图;
图4C是图示根据本发明的另一实施例的具有芯片的浪涌电压保护电路的电压的示意图;以及
图5是根据本发明的一个实施例的芯片的浪涌电压保护电路的流程图。
不同附图中的对应标号和符号通常指代对应部分,除非以其它方式指示。绘制附图以清楚地图示实施例的有关方面,并不一定按比例绘制。
【具体实施方式】
以下描述具有实施本发明的最佳模式操作。此描述是为了说明本发明的一般原理,且不应该看作是限制。遍及描述和以下权利要求的某些术语和附图用于指代特定部件。如本领域的技术人员意识的,制造商可用不同名称指代部件。此文档不打算区别名称不同但功能相同的部件。在本发明中使用的术语“部件”、“系统”和“装置”可以是关于计算机的实体,其是硬件、软件或硬件和软件的组合。在以下的描述和权利要求中,术语“包含”和“包括”以开放形式来使用,并因此应该解释为“包含但不限于”。而且,术语“耦合”意在表示间接或直接电连接。因此,如果一个装置耦合到另一装置,那个连接可以通过直接电连接或经由其它装置和连接通过间接电连接。
图2是根据本发明的一个实施例的数字用户回路系统的芯片200的示意图。芯片200(或IC)包含至少一个浪涌电压保护电路210、预驱动器230、逻辑部件260、两个电压源V1和V2、四个节点TXN、TXP、RXP和RXN以及一些晶体管和电阻器。具体地,浪涌电压保护电路210和预驱动器230由电压源V1和V2偏置,且节点TXN、TXP、RXP和RXN是IC引脚。例如,节点TXN、TXP是芯片的发送输出端,以及节点RXP和RXN是芯片的接收输入端。在一个实施例中,节点TXP是收发器差分正输出端,节点TXN是收发器差分负输出端,节点RXP是接收器差分正输入端,节点RXN是接收器差分负输入端。
然而,应该注意到,浪涌电压保护电路210可改进差模和共模的浪涌电压保护性能。因为,浪涌电压保护电路210嵌入在芯片200上,以降低芯片200外的浪涌电压保护部件的成本,浪涌电压保护电路210可以布置于属于芯片200的任何两个节点的第一端和第二端之间。例如,如图2所示,浪涌电压保护电路210布置或定位于节点TXP(第一端)和节点TXN(第二端)之间。在一个实施例中,浪涌电压保护电路210布置于节点RXN(第一端)和地GND(第二端)之间。在另一实施例中,浪涌电压保护电路210布置于节点RXP(第一端)和地GND(第二端)之间。以上实施是用于示例,且并不意在限制。例如,浪涌电压保护电路210还可布置于逻辑部件260的节点RXP和输入端之间。在另一示例中,浪涌电压保护电路210还可以布置于节点TXP和预驱动器230之间。
图3A是根据本发明的一个实施例的芯片200的浪涌电压保护电路210的示意图。浪涌电压保护电路210包含检测元件211、保护元件212和偏置元件213。在一个实施例中,检测元件211嵌入于芯片200上并布置于第一端(即,节点TXP)和第二端(即,节点TXN)之间。检测元件211用于检测是否由于浪涌电压发生突然电压变化,并当突然电压变化发生时生成使能信号ES。当浪涌电压发生时,其将大量放电并生成导致突然变压变化和/或突然电流变化的高能量,这表示电压和/或电流改变快速并严重。因此,检测元件211用于检测由浪涌电压或浪涌电压放电导致的以上激烈改变。
在一个实施例中,保护元件212嵌入于芯片200上,并耦合到检测元件211。具体地,保护元件212用于在接收到使能信号ES后通过旁路由浪涌电压生成的高能量,调整并降低突然电压变化。例如,保护元件212可以是硅控制整流器(SCR)或场氧化物装置(FOD)。保护元件212的触发端连接于检测元件211,以及保护元件212的阳极和阴极分别连接于第一端和第二端,用于从第一端和第二端旁路浪涌电压的高能量。此外,偏置元件213耦合到检测元件211,用于偏置检测元件211的预定电压。
图3B是根据本发明的另一实施例的芯片200的浪涌电压保护电路210的示意图。在一个实施例中,检测元件211包含由两个P型晶体管216(例如,两个P型金属氧化物半导体(PMOS)晶体管)组成的差分对214。两个P型晶体管216的源极分别连接到第一端(节点TXP)以及第二端(节点TXN),以及两个P型晶体管216的漏极连接在一起,两个P型晶体管216的栅极偏置到预定电压VDD。应该注意到,检测元件211由P型晶体管216实施,但不限于此。换句话说,两个N型晶体管(例如,两个N型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管)的差分对214,还可用于检测元件211。
应该注意到,在一个实施例中,当突然电压变化发生时,P型晶体管216的一个源极的电压超过预定电压VDD,且使能信号ES在两个P型晶体管216的漏极生成。使能信号ES用于初始化或导通保护元件212。此外,检测元件211也包含缓冲器215和电阻器217A。缓冲器215耦合于N型晶体管220的栅极和两个P型晶体管216的漏极之间以驱动保护元件212。例如,缓冲器215包含至少一个反相器和/或其它逻辑部件。电阻器217A布置于地GND和两个P型晶体管216的漏极之间。
在一个实施例中,如图3B所示,保护元件212包含N型晶体管220。保护元件212的N型晶体管220的栅极耦合到两个P型晶体管216的漏极,N型晶体管220的漏极和源极连接到第一端和第二端。在另一实施例中,缓冲器215耦合于N型晶体管220的栅极和P型晶体管216的漏极之间。在从检测单元211接收到使能信号后,保护元件212的N型晶体管220导通,用于从第一端和第二端旁路浪涌电压的高能量。此外,偏置元件213耦合到检测元件211,用于在两个P型晶体管216的栅极偏置预定电压VDD。偏置元件213包含预定电压VDD的电压源、电阻器217B和电容器219,且P型晶体管216的栅极连接于电阻器217B和电容器219之间的节点。因此,P型晶体管216的栅极的电压可以由偏置元件213偏置或固定在预定电压VDD。
在另一实施例中,两个P型晶体管216的源极和/或N型晶体管220的漏极和源极的部分218缺少硅化物。具体地,硅化物阻挡层(SAB)根据其相关掩膜和制程,用以在两个P型晶体管216的源极和/或N型晶体管220的漏极和源极的特定部分218移除硅化物。因此,以上提及的硅化物层的部分218将被移除,且特定部分218的电阻将增加用于改进承受由浪涌电压导致的高能量的能力。
另一方面,当浪涌电压没发生时,两个P型晶体管216的源极的电压是低电平,其低于预定电压VDD,以及P型晶体管216断开。因此,检测元件211不生成使能信号ES,且保护单元212的N型晶体管220断开。另一方面,当浪涌电压发生时,由于浪涌电压的高能量出现,且两个P型晶体管216的源极的至少一个电压将增加并超过预定电压VDD。因为,P型晶体管216的源极的至少一个电压位于大于低电平的高电平,至少一个P型晶体管216导通。后来,使能信号ES在P型晶体管216的漏极生成并输出到保护元件212,以及初始化或使能缓冲器215以驱动保护元件212。
在本实施例中,使能信号ES发送到N型晶体管220的栅极,以及N型晶体管220的栅极的电压拉至高电平,用于初始化或使能保护元件212。因此,放电路径在第一端(节点TXP)和第二端(节点TXN)之间通过N型晶体管220形成。由浪涌电压生成的高能量可以通过放电路径旁路或释放,且突然电压变化可减小,以保护芯片200以及数字用户回路系统。换句话说,由浪涌电压在第一端或第二端诱发的大电流通过放电路径放电或释放。因此,当浪涌电压或ESD事件由检测元件211自动检测时,使能信号ES发送到保护元件212,用于开发放电路径以减轻上述突然高能量,并保护IC。利用本发明的浪涌电压保护电路210,IC和数字用户回路系统100可以较低成本、较简单配置和减少了的布局大小来保护,现有技术中提及的附加的和专属保护部件可以删除。
图4A是图示没有芯片200的浪涌电压保护电路210的电压的示意图。由于浪涌电压的突然变化或差异发生如图4A所示。具体地,节点TXN的最高电压大约是9V,以及节点TXP的最低电压大约是-4V。此外,图4B和4C是图示具有根据本发明的另一实施例的芯片200的浪涌电压保护电路210的电压的示意图。图4B图示节点TXN的最高电压大约是8.3V且节点TXP的最低电压大约是-2.4V。本发明的浪涌电压保护电路210检测到浪涌电压并开发放电路径由,因此,节点TXN和TXP的电压的突然变化将被调整和降低。此外,图4C图示节点TXN的最高电压是大约7V,以及节点TXP的最低电压是大约-1.3V,这表示节点TXN和TXP的电压的突然变化由大尺寸的浪涌电压保护电路210进一步降低。具体地,图4C中的实施例的N型晶体管220的大小大于图4B的实施例的N型晶体管220的大小。具有大尺寸的N型晶体管220具有更好的承受和旁路大电流的浪涌电压以保护IC和数字用户回路系统的性能。
图5是根据本发明的一个实施例的芯片200的浪涌电压保护电路210的流程图。在步骤S500,由浪涌电压保护电路210的检测元件211检测由于浪涌电压的突然电压变化是否发生。后来,在步骤S502,当突然电压变化发生时,使能信号ES由检测元件211生成。后来,在步骤S504,浪涌电压保护电路210的保护元件212通过在接收到使能信号ES后,旁路高能量降低突然电压变化。浪涌电压保护电路210和浪涌电压保护方法的详细的方法已经在以上说明,故不再重复。
尽管,本公开的实施例及其优点已经详细描述,应该理解可以在不背离如所附的权利要求定义的本公开的范围,进行各种改变、替换以及变更。例如,本领域技术人员将容易理解,本公开描述的很多特征、功能、过程和材料可以在本公开的范围中变化。此外,本申请的范围不意在限制于描述于说明书的过程、机器、制造、物质组分、装备、方法和步骤的特定实施例。本领域的普通技术人员从本公开从将意识到,现在呈现的或以后开发的,执行如本文描述的对应实施例的基本相同的功能或实现基本相同的结果的过程、机器、制造、物质组分、装备、方法或步骤,可以根据本公开利用。因此,所附的权利要求意在包含落入范围的这样的过程、机器、制造、物质组分、装备、方法或步骤。此外,构成单独的实施例的每个权利要求,以及各种权利要求和实施例的组合落入本公开的范围。
Claims (16)
1.一种用于芯片的浪涌电压保护电路,其特征在于,包含:
检测元件,嵌于所述芯片上,并布置于第一端和第二端之间,用于检测由于浪涌电压的突然电压变化是否发生,并当所述突然电压变化发生时生成使能信号;以及
保护元件,嵌于所述芯片上并耦合到所述检测元件,用于在接收所述使能信号后通过旁路由所述浪涌电压生成的高能量,调整并降低所述突然电压变化。
2.如权利要求1所述的浪涌电压保护电路,其特征在于,所述第一端和所述第二端是所述芯片的发送输出端。
3.如权利要求1所述的浪涌电压保护电路,其特征在于,所述第一端和所述第二端是所述芯片的接收输入端和地端。
4.如权利要求1所述的浪涌电压保护电路,其特征在于,所述检测元件还包括由两个P型晶体管组成的一个差分对,所述两个P型晶体管的源极分别耦合到所述第一端和所述第二端,所述两个P型晶体管的漏极耦合在一起,以及所述两个P型晶体管的栅极偏置到预定电压,且当所述突然电压变化发生时,所述源极中的一个的电压超过所述预定电压,以及所述使能信号在所述两个P型晶体管的所述漏极生成。
5.如权利要求4所述的浪涌电压保护电路,其特征在于,所述浪涌电压保护电路还包括偏置元件,耦合到所述检测元件,且所述偏置元件用于在所述两个P型晶体管的所述栅极偏置所述预定电压。
6.如权利要求4所述的浪涌电压保护电路,其特征在于,所述检测元件还包括缓冲器,耦合到所述两个P型晶体管的所述漏极,以驱动所述保护元件。
7.如权利要求4所述的浪涌电压保护电路,其特征在于,所述保护元件包含N型晶体管,所述N型晶体管的栅极耦合到所述两个P型晶体管的所述漏极,所述N型晶体管的漏极和源极耦合到所述第一端和所述第二端,且在接收所述使能信号后,所述N型晶体管导通,用于从所述第一端和所述第二端旁路所述浪涌电压的所述高能量。
8.如权利要求7所述的浪涌电压保护电路,其特征在于,所述两个P型晶体管的所述源极和/或所述N型晶体管的所述漏极和所述源极的部分不具有硅化物。
9.如权利要求1所述的浪涌电压保护电路,其特征在于,所述保护元件是硅控制整流器或场氧化物装置,所述保护元件的触发端耦合到所述检测元件,所述保护元件的阳极和阴极耦合到所述第一端和所述第二端,用于从所述第一端和所述第二端旁路所述浪涌电压的所述高能量。
10.一种浪涌电压保护电路,其特征在于,包含:
由两个P型晶体管组成的差分对,并嵌于芯片上,其中所述两个P型晶体管的源极分别耦合到第一端和第二端,所述两个P型晶体管的漏极耦合在一起,以及所述两个P型晶体管的栅极偏置到预定电压,且当突然电压变化发生时,所述源极中的一个的电压超过所述预定电压,以及使能信号在所述两个P型晶体管的所述漏极生成;以及
N型晶体管,嵌于所述芯片上,且耦合到所述两个P型晶体管的所述漏极,其中所述N型晶体管的漏极和源极耦合到所述第一端和所述第二端,且在接收所述使能信号后,所述N型晶体管导通,用于从所述第一端和所述第二端旁路所述浪涌电压的所述高能量。
11.如权利要求10所述的浪涌电压保护电路,其特征在于,所述两个P型晶体管的所述源极和/或所述N型晶体管的所述漏极和所述源极的部分不具有硅化物。
12.如权利要求10所述的浪涌电压保护电路,其特征在于,还包括偏置元件,耦合到所述差分对,用于在所述两个P型晶体管的所述栅极偏置所述预定电压。
13.如权利要求12所述的浪涌电压保护电路,其特征在于,还包括缓冲器,耦合于所述N型晶体管的所述栅极和所述两个P型晶体管的所述漏极之间,以驱动所述N型晶体管。
14.如权利要求10所述的浪涌电压保护电路,其特征在于,所述第一端和所述第二端是所述芯片的发送输出端。
15.如权利要求10所述的浪涌电压保护电路,其特征在于,所述第一端和所述第二端是所述芯片的接收输入端和地端。
16.一种浪涌电压保护方法,其特征在于,包含:
由所述浪涌电压保护电路的检测元件,检测由于浪涌电压的突然电压变化是否发生;
当所述突然电压变化发生时,由所述检测元件生成使能信号;以及
由所述浪涌电压保护电路的保护元件,通过在接收所述使能信号后旁路由所述浪涌电压生成的高能量,降低所述突然电压变化。
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