CN110445114A - 一种允许快速上电的多重rc钳位esd保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种允许快速上电的多重RC钳位ESD保护电路,包括一级RC钳位单元、泄放晶体管、泄放晶体管控制通路以及二级RC钳位单元,一级RC钳位单元:用于在ESD事件发生时,通过泄放晶体管控制通路保持泄放晶体管开启;在快速上电时,通过泄放晶体管控制通路保持泄放晶体管关闭;二级RC钳位单元:在泄放晶体管开启时,延迟泄放晶体管的开启时间。解决了现有的静电释放ESD保护电路中,在需要快速上电时存在上电不成功或是烧坏系统的技术问题,本发明所提供的允许快速上电的RC钳位ESD保护电路,在ESD事件发生时,泄放晶体管MN0导通的时间大约为1030nS,能够满足ESD设计的要求。
Description
技术领域
本发明属于集成电路领域,具体涉及一种允许快速上电的多重RC钳位ESD保护电路。
背景技术
芯片用于静电释放的ESD保护电路中的传统RC钳位电路(RC clamp device),如下图1所示。NMOS管MN0尺寸很大,沟道宽度在1000~2000um。RC0模块由电阻R0和电容C0组成,由于ESD的放电时间持续1nS~1uS,所以RC0模块的RC常数通常设为1uS,即R0*C0=1uS,通常R0=500KΩ,C0=2pF。反相器INV1由PMOS管MP1和NMOS管MN1组成。反相器INV2由PMOS管MP2和NMOS管MN2组成。反相器INV3由PMOS管MP3和NMOS管MN3组成。
芯片正常工作时,节点rc通过R0拉高到电平VCC,即节点rc出的电压V(rc)=VCC,通过反相器INV1后,V(inv1out)=0;通过反相器INV2后,V(inv2out)=VCC;通过反相器INV3后,V(trig)=0,所以NMOS管MN0的栅源电压为0V,NMOS管MN0于关闭状态。
在电源VCC对地线GND的正向静电释放ESD事件发生时,GND接地(0V),VCC电压迅速增加。由于电容C0电容值比较大以及R0的阻值大,所以节点rc的电压随着VCC缓慢上升。当节点rc的电压V(rc)小于VCC/2时,反相器INV1输出高电平,即V(inv1out)=VCC,V(inv2out)=0,V(trig)=VCC,从而把NMOS管MN0打开,静电释放ESD电荷从电源VCC通过NMOS管MN0导到GND。随着VCC通过R0不断地对C0充电,V(rc)不断地升高,当充电一段时间后(1uS左右),V(rc)大于VCC/2时,反相器INV1输出为低电平,即V(inv1out)=0,V(inv2out)=VCC,V(trig)=0,NMOS管MN0关闭。
这种传统的RC钳位ESD保护电路,在芯片快速上电的时候,有一个致命的缺陷:当VCC从0v上升到工作电压的时间的很短时,比如在100nS~1000nS时,由于R0和C0的影响,节点rc的电压V(rc)的上升速度比VCC的上升慢很多,这样会导致反相器INV1的输出V(inv1out)信号出现明显的正向脉冲,最后导致V(trig)产生明显的正向脉冲,然后导致NMOS管MN0导通,从而从电源VCC到地线GND会产生大电流,从而导致上电不成功,或系统被烧坏,如图2所示。
发明内容
为了解决现有的静电释放ESD保护电路中,在需要快速上电时存在上电不成功或是烧坏系统的技术问题,本发明提供一种允许快速上电的多重RC钳位ESD保护电路。
本发明的技术解决方案:
一种允许快速上电的多重RC钳位ESD保护电路,包括一级RC钳位单元、泄放晶体管以及泄放晶体管控制通路,其特殊之处在于:还包括二级RC钳位单元,
一级RC钳位单元:用于在ESD事件发生时,通过泄放晶体管控制通路保持泄放晶体管开启;在快速上电时,通过泄放晶体管控制通路保持泄放晶体管关闭;
二级RC钳位单元:在泄放晶体管开启时,延迟泄放晶体管的开启时间。
进一步的,所述一级RC钳位单元包括串联的电阻R0和电容C0,一级RC钳位单元的一端与电源VCC连接,所述一级RC钳位单元的另一端接地线GND,所述一级RC钳位单元的rc节点连接在泄放晶体管控制通路上。
进一步的,所述二级RC钳位单元包括并联的电阻R1和电容C1,电阻R1和电容C1的一端均与电源VCC连接,电阻R1和电容C1的另一端与泄放晶体管控制通路连接。
进一步的,所述泄放晶体管控制通路包括反相器INV1、晶体管以及反相器INV3,所述反相器INV1连接在电源VCC和地线GND之间,所述反相器INV1的输入端接一级RC钳位单元的rc节点,所述反相器的输出端接晶体管的G级,晶体管的输入端接地线GND,所述晶体管的输出端与电阻R1和电容C1连接后与反相器INV3的输入端连接,所述反相器INV3的输出端控制泄放晶体管。
进一步的,所述晶体管为NMOS晶体管MN2,所述NMOS晶体管MN2的S级与电阻R1、电容C1和反相器INV3的输入连接,所述NMOS晶体管MN2的D级与地线GND连接。
进一步的,所述反相器INV1包括NMOS晶体管MN1和PMOS晶体管MP1,所述晶体管MN1和晶体管MP1的G级均与一级RC钳位单元的rc节点连接,所述晶体管MN1的输入端D级与地线连接,所述晶体管MP1的输入端S级与电源VCC连接,所述晶体管MN1的输出端S级和晶体管MP1的输出端D级均与晶体管MN2的G级连接。
进一步的,所述反相器INV3包括NMOS晶体管MN3和PMOS晶体管MP3,所述晶体管MN3和晶体管MP3的G级均与二级RC钳位单元和晶体管MN2的输出端连接,所述晶体管MN3的输入端D级与地线连接,所述晶体管MP3的输入端S级与电源VCC连接,所述晶体管MN3的输出端S级和晶体管MP3的输出端D级均与泄放晶体管连接。
进一步的,所述泄放晶体管为NMOS晶体管MN0,晶体管MN0的G级接泄放晶体管控制通,所述晶体管MN0的D级接地线GND,所述晶体管MN0的S级接电源VCC。
进一步的,一级RC钳位单元的RC常数为30nS。
进一步的,二级RC钳位单元RC常数为1uS。
本发明所具有的有益效果:
本发明所提供的允许快速上电的RC钳位ESD保护电路,在ESD事件发生时,泄放晶体管MN0导通的时间大约为1030nS,能够满足ESD设计的要求。
附图说明
图1为传统的RC钳位电路示意图;
图2为传统的RC钳位电路快速上电时的信号示意图;
图3为允许快速上电的RC钳位ESD保护电路示意图;
图4为允许快速上电的RC钳位ESD保护电路快速上电过程示意图。
具体实施方式
如图3所示,一种允许快速上电的多重RC钳位ESD保护电路,包括一级RC钳位单元、二级RC钳位单元、泄放晶体管以及泄放晶体管控制通路。一级RC钳位单元:用于在ESD事件发生时,通过泄放晶体管控制通路保持泄放晶体管开启;在快速上电时,通过泄放晶体管控制通路保持泄放晶体管关闭;二级RC钳位单元:在泄放晶体管开启后,使泄放晶体管的开启状态保持1us。
调整一级RC钳位单元的RC常数满足条件:
1)ESD事件时,泄放晶体管MN0可以开启;
2)快速上电时,泄放晶体管MN0保持关闭状态。
通过加入二级RC钳位单元,补偿泄放晶体管MN0导通时间,满足ESD设计要求导通时间持续1us。
进一步的,一级RC钳位单元包括串联的电阻R0和电容C0,一级RC钳位单元的一端与电源VCC连接,所述一级RC钳位单元的另一端接地线GND,所述一级RC钳位单元的rc节点连接在泄放晶体管控制通路上。
进一步的,二级RC钳位单元包括并联的电阻R1和电容C1,电阻R1和电容C1的一端均与电源VCC连接,电阻R1和电容C1的另一端与泄放晶体管控制通路连接。
进一步的,泄放晶体管控制通路包括反相器INV1、晶体管MN2以及反相器INV3,所述反相器INV1连接在电源VCC和地线GND之间,反相器INV1的输入端接一级RC钳位单元的rc节点,所述反相器的输出端接晶体管的G级,晶体管的输入端接地线GND,所述晶体管的输出端与电阻R1和电容C1连接后与反相器INV3的输入端连接,所述反相器INV3的输出端控制泄放晶体管。所述晶体管为NMOS晶体管MN2,所述NMOS晶体管MN2的S级与电阻R1、电容C1和反相器INV3的输入连接,所述NMOS晶体管MN2的D级与地线GND连接。所述反相器INV1包括NMOS晶体管MN1和PMOS晶体管MP1,所述晶体管MN1和晶体管MP1的G级均与一级RC钳位单元的rc节点连接,所述晶体管MN1的输入端D级与地线连接,所述晶体管MP1的输入端S级与电源VCC连接,所述晶体管MN1的输出端S级和晶体管MP1的输出端D级均与晶体管MN2的G级连接。
所述反相器INV2包括NMOS晶体管MN3和PMOS晶体管MP3,所述晶体管MN3和晶体管MP3的G级均与二级RC钳位单元和晶体管MN2的输出端连接,所述晶体管MN3的输入端D级与地线连接,所述晶体管MP3的输入端S级与电源VCC连接,所述晶体管MN3的输出端S级和晶体管MP3的输出端D级均与泄放晶体管连接。
所述泄放晶体管为NMOS晶体管MN0,晶体管MN0的G级接泄放晶体管控制通,所述晶体管MN0的D级接地线GND,所述晶体管MN0的S级接电源VCC。
一般将一级RC钳位单元的RC常数为30nS,将二级RC钳位单元RC常数为1uS。
本发明所提供的RC钳位ESD保护电路,将一级RC钳位单元的RC常数从1uS降为30nS,即R0*C0=30nS。R0从500KΩ降到30KΩ,C0从2pF降到1pF。
设置二级RC钳位单的元RC常数R1*C1=1uS,通常R1=500KΩ,C1=2pF。
如表1所示,为不同工作状态下,各个节点的电压高低状态列表。
表1为不同工作状态下,各个节点的状电压高低状态列表
芯片正常工作时,电阻R0和电容C0的串接节点rc通过R0拉高到电平VCC,即V(rc)=VCC;通过反相器INV1后,V(inv1out)=VSS,晶体管MN2关闭,V(inv2out)通过R1电阻拉高到VCC,通过反相器INV3后,V(trig)=0,所以MN0的栅源电压Vgs=0V,MN0于关闭状态。
在电源ESD事件发生时,VSS接地(0V),VCC电压迅速增加。由于电容C0电容值比较大以及R0的阻值大,所以节点rc的电压随着VCC缓慢上升。当节点a的电压V(rc)小于VCC/2时,INV1输出高电平,即V(inv1out)=VCC,MN2导通,由于R1的电阻很大,所以V(inv2out)=0V,通过INV3后,V(trig)=VCC,MN0导通。由于RC0的RC常数为30nS,所以经过大约30nS时,节点rc的电压变低,即V(rc)=VCC,通过INV1后,V(inv1out)=0,MN2关闭。MN2关闭后,节点inv2out的电压通过R1和C1从0V逐渐拉高,其上升时间由时间常数R1*C1决定,大约在1us后,inv2out的电压从0V上升到INV3的翻转电压,通过INV3后,V(trig)=0V,MN0关闭。从上所说,ESD事件发生时,MN0导通的时间大约为30nS+1000nS=1030nS,满足ESD设计的要求。
当快速上电(100nS<tr<1000nS)时,由于RC0的RC常数为30nS,比最小上电时间100nS小很多,所以上电过程中节点rc的电压V(rc)紧跟着VCC上升,即V(rc)≈VCC,通过INV1后,V(inv1out)=0,MN2处于关闭状态,节点inv2out通过R1和C1连到VCC,即V(inv2out)=VCC,通过INV3后,V(trig)=0V,MN0处于关闭状态,所以不会导致VCC到GND的电流,过程如图4所示。
可以理解的是,以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式,然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言,在不脱离本发明的精神和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种允许快速上电的多重RC钳位ESD保护电路,包括一级RC钳位单元、泄放晶体管以及泄放晶体管控制通路,其特征在于:还包括二级RC钳位单元,
一级RC钳位单元:用于在ESD事件发生时,通过泄放晶体管控制通路保持泄放晶体管开启;在快速上电时,通过泄放晶体管控制通路保持泄放晶体管关闭;
二级RC钳位单元:在泄放晶体管开启时,延迟泄放晶体管的开启时间。
2.根据权利要求1所述的允许快速上电的多重RC钳位ESD保护电路,其特征在于:
所述一级RC钳位单元包括串联的电阻R0和电容C0,一级RC钳位单元的一端与电源VCC连接,所述一级RC钳位单元的另一端接地线GND,所述一级RC钳位单元的rc节点连接在泄放晶体管控制通路上。
3.根据权利要求1所述的允许快速上电的多重RC钳位ESD保护电路,其特征在于:
所述二级RC钳位单元包括并联的电阻R1和电容C1,电阻R1和电容C1的一端均与电源VCC连接,电阻R1和电容C1的另一端与泄放晶体管控制通路连接。
4.根据权利要求1所述的允许快速上电的多重RC钳位ESD保护电路,其特征在于:
所述泄放晶体管控制通路包括反相器INV1、晶体管以及反相器INV3,所述反相器INV1连接在电源VCC和地线GND之间,所述反相器INV1的输入端接一级RC钳位单元的rc节点,所述反相器的输出端接晶体管的G级,晶体管的输入端接地线GND,所述晶体管的输出端与电阻R1和电容C1连接后与反相器INV3的输入端连接,所述反相器INV3的输出端控制泄放晶体管。
5.根据权利要求4所述的允许快速上电的多重RC钳位ESD保护电路,其特征在于:所述晶体管为NMOS晶体管MN2,所述NMOS晶体管MN2的S级与电阻R1、电容C1和反相器INV3的输入连接,所述NMOS晶体管MN2的D级与地线GND连接。
6.根据权利要求5所述的允许快速上电的多重RC钳位ESD保护电路,其特征在于:所述反相器INV1包括NMOS晶体管MN1和PMOS晶体管MP1,所述晶体管MN1和晶体管MP1的G级均与一级RC钳位单元的rc节点连接,所述晶体管MN1的输入端D级与地线连接,所述晶体管MP1的输入端S级与电源VCC连接,所述晶体管MN1的输出端S级和晶体管MP1的输出端D级均与晶体管MN2的G级连接。
7.根据权利要求6所述的允许快速上电的多重RC钳位ESD保护电路,其特征在于:所述反相器INV3包括NMOS晶体管MN3和PMOS晶体管MP3,所述晶体管MN3和晶体管MP3的G级均与二级RC钳位单元和晶体管MN2的输出端连接,所述晶体管MN3的输入端D级与地线连接,所述晶体管MP3的输入端S级与电源VCC连接,所述晶体管MN3的输出端S级和晶体管MP3的输出端D级均与泄放晶体管连接。
8.根据权利要求7所述的允许快速上电的多重RC钳位ESD保护电路,其特征在于:所述泄放晶体管为NMOS晶体管MN0,晶体管MN0的G级接泄放晶体管控制通,所述晶体管MN0的D级接地线GND,所述晶体管MN0的S级接电源VCC。
9.根据权利要求8所述的允许快速上电的多重RC钳位ESD保护电路,其特征在于:一级RC钳位单元的RC常数为30nS。
10.根据权利要求9所述的允许快速上电的多重RC钳位ESD保护电路,其特征在于:二级RC钳位单元RC常数为1uS。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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