CN105870903A - 耐受高电压的输出入电路与相关装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可耐受高电压的输出入电路与相关装置。在集成电路中输出入电路利用电荷泵产生一个大于电荷泵内部运作电压的偏压电压，并在外界与集成电路内部电路间设置一个开关电路。当此开关电路使外界与内部电路相互导通时，即可根据偏压电压与开关电路本身提供的跨压而提供一钳位电压，以将内部电路的电压限制于该钳位电压之下，保护内部电路不受外界过压的影响。

Description

耐受高电压的输出入电路与相关装置

本申请是2010年9月6日提交的申请号为“201010286131.2”，发明名称为“耐受高电压的输出入电路与相关装置”的中国发明专利申请的分案申请

技术领域

本发明有关一种可耐受高电压的输出入电路与相关装置，尤指一种可利用内部开关电路与电荷泵设定钳位电压以防止外界高电压影响的输出入电路与相关装置。

背景技术

各式各样的电子装置是现代资讯社会最重要的硬件基础。一般来说，电子装置中通常会以电路板(如印刷电路板等)整合多个不同功能的集成电路(IC，Integrated Circuit)，使各集成电路间能交换信号数据，组织出电子装置的整体功能。因此，如何使不同集成电路(尤其是工作于不同运作电压的集成电路)能正常交换数据信号而又不会互相影响干扰，也成为现在集成电路设计业者的研究重点之一。

工作于较低运作电压的集成电路，其耗能与运作时的温度都较低，符合现代节能的需求，故这种低运作电压的集成电路越来越常被应用于各种电子装置中。不过，低运作电压集成电路的电压耐受能力也较低；当低运作电压的集成电路经由电路板而与其他高运作电压的集成电路交换信号时，由于高运作电压集成电路的信号电压本来就比较高，再加上电路板引入的杂讯与突波等等，两者累加的结果就极有可能损坏低运作电压的集成电路。譬如说，若集成电路的运作电压为2.5V(伏特，Volt)，当此2.5V集成电路要和另一个运作电压为3.3V的集成电路交换信号时，由于3.3V集成电路的正常信号电压就会高至3.3V，电路板杂讯又可能达到0.3V，累加所得的3.6V电压就会超过2.5V集成电路可耐受的电压，并使2.5V集成电路因外界高电压(过压)而失常或损坏。

由于使高运作电压集成电路直接耦接低运作电压集成电路会造成信号错误或更严重的电路毁损，在低运作电压集成电路与高运作电压集成电路相互耦接的电路板上可设置位准转移器以作为两者间的介面。然而，位准转移器会增加硬件生产制造加工组装的成本，也会增加功率消耗。

发明内容

因此，本发明即是要提供一种可耐受高电压的输出入电路与相关装置，其可运用于低运作电压的集成电路中，利用内部开关电路与电荷泵的运作，使集成电路在信号交换介面上的电压可被限制于一钳位电压内，防止外界高电压/过压的影响，使得集成电路可耐受较高电压。

本发明提供一种设置于一集成电路中的输出入电路，其包含有一电荷泵(charge pump)，以及一开关电路。电荷泵用来产生一偏压电压Vg。开关电路则设有第一端、第二端及第三端：第一端耦接一外界信号，第二端耦接于该电荷泵，第三端则耦接于一内部电路；此内部电路可为集成电路实现信号交换介面的功能。当开关电路在第一端与第三端间导通时，开关电路会于第二端及第三端间提供一预定跨压Vth，并根据偏压电压Vg与预定跨压Vth提供一钳位位准范围(由一钳位电压至一地电压间的范围)，以将第三端点的位准(如电压位准)限制于该钳位位准范围内(譬如，使第三端点的电压被限制于钳位电压以下)。

开关电路根据偏压电压Vg与跨压Vth之差而设定钳位位准范围的上限；此上限也就是钳位电压，其可等于偏压电压Vg与跨压Vth之差(Vg-Vth)。电荷泵与内部电路均工作于一内部运作位准范围(譬如，由一内部运作电压Vcc至地电压间的范围)，而偏压电压Vg则大于内部运作位准范围的上限，也就是偏压电压Vg大于内部运作电压Vcc。连带地，钳位位准范围亦大于内部运作位准范围，也就是钳位电压(Vg-Vth)大于内部运作电压Vcc。由于集成电路制程可耐受容忍的电压通常高于其内部运作电压，故钳位电压可大于内部运作电压，以充分利用制程提供的耐受余裕。譬如说，2.5V集成电路的内部电路通常可耐受3.3V的电压，故钳位电压可以是3.3V(高于集成电路的内部运作电压2.5V)。

开关电路可为一晶体管(譬如说是一N通道金氧半晶体管)，开关电路的第一端、第二端及第三端分别为此晶体管的漏极、栅极及源极；而跨压Vth则可以是此晶体管的临限电压(或是在此晶体管导通时的栅极、源极间跨压)。当开关电路在第一端与第三端间导通时，若第一端的位准落在钳位位准范围内(未超过钳位电压(Vg-Vth)时)，开关电路可使第三端的位准与第一端的位准相互追随。当第一端的位准逾越钳位位准范围时(超过钳位电压时)，开关电路使第三端的位准维持于钳位位准范围中，使第三端的电压维持于钳位电压。

本发明提供一种低运作电压的集成电路，使集成电路的内部电路可透过开关电路的第一端耦接一外界电路所提供的外界信号，作为集成电路的信号交换介面。此外界电路可以是一个工作于高运作电压的集成电路，其运作的位准范围可以大于或等于钳位位准范围。可运用于集成电路的信号输入或信号输出介面，尤其适用于双向输出输入介面，内部电路可经由开关电路而将信号输出至第一端，也可经开关电路而将传输至第一端的信号接收至内部电路。

本发明亦提供一种使用上述技术的集成电路。前述开关电路及内部电路可实施于集成电路的各个接垫电路(像是输出入单元，IO cell)中，配合电荷泵所提供的偏压电压，实现出可耐受高电压的集成电路。

为能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而这些附图仅提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1示意了本发明实施例的耐受高电压的输出入电路图。

图2示意的是图1中电路运作时的电压曲线图。

图3是依据本发明实施例耐受高电压的输出入电路的流程图。

主要元件符号说明

10集成电路

12电荷泵

16接垫电路

18内部电路

20开关电路

22接垫

24输出入电路

26外界电路

100 流程

102-108 步骤

Vcc 内部运作电压

Vcc2 外部运作电压

G 地电压

Vth 跨压

Vhv、Vs、Vd 电压

Vg偏压电压

M 晶体管

N1-N3 节点

R 电阻

Clk 时钟脉冲

具体实施方式

图1显示了本发明实施例的输出入电路24应用于集成电路10的电路图。输出入电路24可包括有电荷泵12及接垫电路16，每个接垫电路16可以是一个输出入单元。电荷泵12工作在一内部运作电压Vcc及一地电压G之间，也就是一内部运作位准范围。在此实施例中，此内部运作位准范围的上下限即可由内部运作电压Vcc及地电压G所界定。电荷泵12可根据内部运作位准范围提供的内部运作电压Vcc而产生一个比内部运作电压Vcc更高的电压Vhv以作为一偏压电压Vg。举例来说，电荷泵12可包括有电容、开关及二极管等元件(未示出)，以根据一时钟脉冲Clk的触发而逐渐累积出一个高于内部运作电压Vcc的电压Vhv。

接垫电路16可包括有开关电路20及内部电路18，开关电路20的第一端(节点N1)经由接垫22耦接于外界电路26，第二端(节点N2)耦接于电荷泵12以接收电荷泵12提供的偏压电压Vg，第三端(节点N3)则耦接于内部电路18。在此实施例中，开关电路20可由一N通道金氧半晶体管M形成，其栅极于节点N2接受偏压电压Vg，漏极耦接至节点N1，源极则耦接于节点N3。内部电路18接收运作电压Vcc与地电压G而进行运作。内部电路18中可以设置有信号缓冲器、放大器、增益调整电路、位准转移器(level shifter)、阻抗匹配相关电路、等化器及/或静电放电防护电路等等(未示出)，以处理和外界电路26的信号交换，作为集成电路10与外界电路26间的信号交换介面。除了内部电路18之外，接垫电路16中亦可另外包括有各种分别工作于不同内部运作位准范围的其他电路，譬如说是一个工作于较低内部运作电压(低于电压Vcc)的辅助电路(未示出)，此辅助电路可耦接于内部电路18，以辅助及/或控制内部电路18的信号交换。

在图1的示例中，以一个连接至一外部运作电压Vcc2的电阻R来等效外界电路26，代表此外界电路26工作的运作位准范围(可视为一外部运作位准范围)是在外部运作电压Vcc2与地电压G之间。此外界电路26可以是一电路板上的电路及/或另一个集成电路。在集成电路10与外界电路26的介面上，若外界电路26工作的外部运作电压Vcc2大于集成电路10的内部运作电压Vcc时，集成电路10中就需要有过压保护机制来防止外界电路26的高电压/过压毁损集成电路10。在输出入电路24中，电荷泵12与接垫电路16中的开关电路20即可在节点N1与节点N3间协同运作，实现此一保护机制。

外界电路26的外界信号会在节点N1上建立电压Vd，开关电路20耦接于外界电路26与内部电路18之间。当开关电路20在节点N1与节点N3间导通时，开关电路20会在节点N2与节点N3之间提供一跨压Vth，并根据电荷泵12所提供的偏压电压Vg与跨压Vth提供一钳位位准范围，以将节点N3之位准(如电压Vs)限制于钳位位准范围内，保护内部电路18。

在图1的实施例中，跨压Vth可以是晶体管M导通运作时的临限电压，或是导通时的栅极-源极间跨压。由于晶体管M的栅极电压为电荷泵12所提供的预定偏压电压Vg，跨压Vth也是晶体管M导通的固定参数，故当晶体管M导通时，节点N3的电压Vs就会被限制在钳位电压(Vg-Vth)；即使外界电路26发生的过压反映到节点N1而使电压Vd升高，内部电路18在节点N3的电压Vs也可维持在钳位电压(Vg-Vth)。换句话说，钳位电压(Vg-Vth)与地电压G可界定出前述钳位位准范围的上下限；当开关电路20导通节点N1与N3时，若节点N1的位准(电压Vd)落在钳位位准范围内，也就是当电压Vd小于钳位电压(Vg-Vth)时，开关电路20会使节点N3的位准(电压Vs)正常地和节点N1的位准相互追随，使内部电路18与外界电路26可正常交换信号。另一方面，当节点N1的位准逾越钳位位准范围时，即当电压Vd大于钳位电压(Vg-Vth)时，导通的开关电路20则会使节点N3之位准维持于钳位位准范围内，也就是使电压Vs维持在钳位电压(Vg-Vth)。

基于上述实施例的运作说明，电压Vs与电压Vd间的相互关系可归纳于图2。如图2所示，当节点N1(图1)的电压Vd未超过钳位电压(Vg-Vth)，开关电路20会使节点N3的电压Vs追随电压Vd；当电压Vd超过电压(Vg-Vth)时(也就是当过高的电压袭击集成电路10时)，开关电路20就可使该内部电路18的电压Vs维持于钳位电压(Vg-Vth)，保护内部电路18。钳位电压(Vg-Vth)本身可以大于内部运作电压Vcc，但小于或等于集成电路10所能耐受的电压。

于此实施例中，当要在一个工作于2.5V内部运作电压的输出入电路24与一个3.3V外界电路26间建立保护机制时，由于2.5V电路通常可耐受3.3V之电压，故3.3V(或者是一个介于3.3V与2.5V间的较低电压)可作为钳位电压的设定目标值。由于钳位电压的值为(Vg-Vth)，若晶体管M导通时的跨压Vth为0.7V，则偏压电压Vg应是钳位电压目标值加上跨压Vth，也就是3.3V+0.7V＝4.0V。较佳地，可采用一个提供4V偏压电压Vg的电荷泵12，以和开关电路20一起实现接垫电路16中3.3V钳位电压。

综上所述，将本发明实现(设计/制造/生产)于一集成电路的步骤可归纳于第3图的流程100；流程100的主要步骤可描述如下：

步骤102：依据集成电路的制程技术与参数决定集成电路可耐受的电压。

步骤104：依据集成电路可耐受的电压设定钳位电压Vcmp的预定目标值，较佳地，此预定目标值为集成电路可耐受的电压，或是在可耐受电压与内部运作电压之间。

步骤106：依据信号交换介面的规格(如频率、速度等因素)实现开关电路，并依据开关电路的运作参数得知其所提供的跨压Vth。

步骤108：依据Vg＝Vcmp+Vth的公式计算电荷泵应提供的偏压电压Vg，并据此实现此一电荷泵。

当然，上述步骤的顺序也可适当地调换，譬如说可以先决定电荷泵及其偏压电压Vg(步骤108)，再根据钳位电压Vcmp的目标值求出开关电路所需提供的跨压Vth，并据此实现开关电路。

本发明可运用于集成电路的信号输入或信号输出介面，尤其适用于双向输出输入介面。运用于信号输入介面时，接垫电路16可以是一接受信号输入的输出入单元，内部电路18用来接收外界电路26的信号。运用于信号输出介面时，接垫电路16可以是一发送信号的输出入单元。运用于双向输出输入介面时，接垫电路16可以是一双向输出输入的输出入单元，也就是说，内部电路18可经由开关电路20而将信号输出至第一端(节点N1)，也可经开关电路20而将传输至节点N1的信号接收至内部电路18。另外，某些集成电路，像是射频集成电路或是快闪存储器控制电路等，本身就需要内建电荷泵；当在此类集成电路中实现本发明时，也可利用集成电路本身既有的电荷泵(并加上适当的电压转换)来提供本发明所需的偏压电压Vg。

本发明集成电路10中可设置有多个接垫电路16，不同接垫电路16中的开关电路20可耦接至同一个电荷泵12，以在各个接垫电路中分别建立本发明保护机制。另一方面，若集成电路10要与不同运作电压的多个外界电路交换信号，本发明可针对每一外界电路的信号交换介面分别设置一对应的电荷泵与对应开关电路。或者，本发明可在集成电路10中设置适当的电压转换机制来将同一电荷泵所提供的电压分别转换为不同信号交换介面所需的偏压电压，以配合这些信号交换介面上的开关电路实现本发明保护机制。

总结来说，相较于已知技术，本发明采用了电荷泵来产生高于内部运作电压的偏压电压，并配合开关电路的跨压以建立一个高于内部运作电压的钳位电压，使工作于较低内部运作电压的集成电路可以和运作电压较高的外界电路正常交换信号并防止过压影响，让运作电压不同的各种集成电路能正确安全地整合运作。本发明也可防止集成电路中的静电放电防护机制错误地被外界高电压触发。已知技术会在低运作电压集成电路与高运作电压集成电路相互耦接的电路板上设置位准转移器以作为两者间的介面。然而，位准转移器会增加硬件生产制造加工组装的成本，也会增加功率消耗。相较之下，本发明于集成电路内部设置内建的电荷泵的硬件成本较低，功率消耗也很小。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭示如下，然其并非用以限定本发明，任何熟悉本技术领域者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种更动和润饰，因此本发明的保护范围应当由权利要求书来限定。

Claims (15)

1.一种可耐受高电压的输出入电路，作为一集成电路的一内部电路的介面，包含有：

一电荷泵，用来产生一预定的偏压电压；

一接垫；以及

一开关电路，具有第一端、第二端及第三端，该第一端耦接于该接垫以接收一外界信号，该第二端耦接于该电荷泵，以接收该偏压电压，该第三端耦接于一内部电路；

其中，当该开关电路在该第一端与该第三端间导通时，该开关电路于该第二端及该第三端间提供一预定跨压，使得该输出入电路可根据该偏压电压与该预定跨压提供一钳位位准范围，以将该第三端点的电压位准限制于该钳位位准范围内；

该电荷泵及该内部电路工作于一内部运作位准范围，该内部运作位准范围的上限小于该外界信号的位准范围上限，该钳位位准范围的上限大于该内部电路的内部运作位准范围的上限，且小于或等于该内部电路的可耐受电压；并且

该电荷泵、该接垫与该开关电路皆位于该内部电路的同一集成电路。

2.如权利要求1所述的输出入电路，其特征在于，该开关电路根据该偏压电压与该预定跨压之差而决定该钳位位准范围的上限。

3.如权利要求1所述的输出入电路，其特征在于，该电荷泵产生该偏压电压且该偏压电压大于该内部运作位准范围的上限。

4.如权利要求1所述的输出入电路，其特征在于，该开关电路为一晶体管，该第一端、该第二端及该第三端分别为该晶体管的一漏极、一栅极及一源极；而该预定跨压系该晶体管的一临限电压。

5.如权利要求1所述的输出入电路，其特征在于，当该开关电路在该第一端与该第三端间导通时，若该第一端的位准落在该钳位位准范围内，该开关电路使该第三端的位准追随该第一端的位准；当该第一端的位准大于该钳位位准范围的上限时，该开关电路系使该第三端的位准维持于该钳位位准范围的上限。

6.如权利要求1所述的输出入电路，其特征在于，该外界信号系由一耦接于该接垫的外界电路提供，而该外界电路运作的位准范围大于或等于该钳位位准范围。

7.一种可耐受高电压的输出入电路，作为一集成电路的一内部电路的介面，其特征在于，包含有：

一电荷泵，用来产生一预定的偏压电压Vg；

一接垫；以及

一开关电路，具有第一端、第二端及第三端；该第一端耦接于该接垫以接收一外界信号，该第二端耦接于该电荷泵，以接收该偏压电压，该第三端耦接于该内部电路；

其中，当该开关电路将该第一端导通至该第三端时，该开关电路会于该第二端及该第三端间提供一预定跨压Vth，以将该第三端点的电压限制于电压(Vg-Vth)之下；

该电荷泵及该内部电路工作于一内部运作位准范围，该内部运作位准范围的上限小于该外界信号的位准范围上限，且该限制的电压(Vg-Vth)大于该内部电路的内部运作位准范围的上限，且小于或等于该内部电路的可耐受电压；并且

该电荷泵、该接垫与该开关电路皆位于该内部电路的同一集成电路。

8.如权利要求7所述的输出入电路，其特征在于，该开关电路为一晶体管，该第一端、该第二端及该第三端分别为该晶体管的一漏极、一栅极及一源极；而该预定跨压Vth该晶体管的临限电压。

9.如权利要求7所述的输出入电路，其特征在于，当该开关电路将该第一端导通至该第三端时，若该第一端的电压未超过电压(Vg-Vth)，该开关电路系使该第三端的电压追随该第一端的电压；当该第一端的电压超过电压(Vg-Vth)时，该开关电路系使该第三端的电压维持于电压(Vg-Vth)。

10.一种可耐受高电压的集成电路，其特征在于，包含有：

一电荷泵，用来产生一预定的偏压电压Vg；以及

多个接垫电路，各接垫电路包含有：

一接垫；

一开关电路，具有第一端、第二端及第三端；该第一端耦接于该接垫以接收一外界信号，该第二端耦接于该偏压电压Vg；以及

一内部电路，耦接于该开关电路的该第三端；

其中，当该开关电路将该第一端导通至该第三端时，该开关电路会于该第二端及该第三端间提供一预定跨压Vth，并根据该偏压电压Vg与该预定跨压Vth提供一钳位电压，以钳位该第三端点的电压；并且

该电荷泵及该内部电路工作于一内部运作位准范围，该内部运作位准范围的上限小于该外界信号的位准范围上限，该钳位位准范围的上限大于该内部电路的内部运作位准范围的上限，且小于或等于该集成电路的可耐受电压。

11.如权利要求10所述的集成电路，其特征在于，该钳位电压相当于该偏压电压Vg与该预定跨压Vth之差。

12.如权利要求10所述的集成电路，其特征在于，该电荷泵工作于该内部运作电压Vcc。

13.如权利要求10所述的集成电路，其特征在于，该开关电路为一晶体管，该第一端、该第二端及该第三端分别为该晶体管的一漏极、一栅极及一源极；而该预定跨压Vth系该晶体管的临限电压，

14.如权利要求10所述的集成电路，其特征在于，当该开关电路将该第一端导通至该第三端时，若该第一端的电压未超过该钳位电压，该开关电路使该第三端的电压追随该第一端的电压；当该第一端的电压超过该钳位电压时，该开关电路使该第三端的电压维持于该钳位电压。

15.如权利要求10所述的集成电路，其特征在于，各接垫电路为一双向输出输入单元，其对应的内部电路可经由该开关电路而将信号输出至该第一端，并可经该开关电路而将传输至该第一端的信号接收至该内部电路。