CN111446691A - 暂态电压抑制元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种暂态电压抑制元件，包括电源端、接地端、齐纳二极管、二极管串以及隔离元件。齐纳二极管耦接于电源端与接地端之间，且齐纳二极管与电源端之间具有节点。二极管串具有第一端、第二端及输出输入端。第二端耦接接地端。隔离元件耦接于节点与第一端之间。当异常电流流经隔离元件，且单位时间内的异常电流的能量超过隔离元件的预设值时，隔离元件阻断异常电流的通路。
Description
技术领域
本发明涉及一种静电放电保护元件，尤其涉及一种暂态电压抑制元件。
背景技术
随着目前科技的高速发展，集成电路广泛用于电子装置中。而静电放电(ElectroStatic Discharge，ESD)事件是导致集成电路损坏的主要问题之一。更有甚者，不仅集成电路，连带包含集成电路的主机系统都可能被损坏。
在现有的技术领域中，会利用暂态电压抑制器(transient voltagesuppressors，TVS)进行静电放电防护动作。然而，当主机为关闭状态(off state)时插上带电元件，逆向电流会从带电元件回灌到主机的电源端(Vdd)，导致主机电源端的其他电路元件损坏。另一方面，当暂态电压抑制器的电源端与接地端之间的高压维持较久使其持续导通时，容易造成电源端与接地端发生电超载(Electrical Over Stress，EOS)现象。也就是说，暂态电压抑制器承受到超过所能负荷的电流或电压，而使得暂态电压抑制器内的元件遭到损坏，导致系统因电源端与接地端短路而烧毁(burn out)。此乃所属领域的技术人员长久以来致力解决的问题。
发明内容
本发明提供一种暂态电压抑制元件，其可阻挡电超载(EOS)电流并同时具有ESD保护能力。
本发明提供一种暂态电压抑制元件，包括电源端、接地端、齐纳二极管、二极管串以及隔离元件。齐纳二极管耦接于电源端与接地端之间，且齐纳二极管与电源端之间具有节点。二极管串具有第一端、第二端及输出输入端。第二端耦接接地端。隔离元件耦接于节点与第一端之间。当异常电流流经隔离元件，且单位时间内的异常电流的能量超过隔离元件的预设值时，隔离元件阻断异常电流的通路。
在本发明的一实施例中，上述的隔离元件包括电容器，预设值对应于电容器的饱和能量或电容值。
在本发明的一实施例中，上述的隔离元件包括熔断器(fuse)，预设值对应于熔断器的额定值。
在本发明的一实施例中，上述的熔断器包括金属层、多晶硅层或其组合。
在本发明的一实施例中，上述的隔离元件包括彼此并联的多个熔断器，预设值对应于多个熔断器中的最大额定值。
在本发明的一实施例中，上述的隔离元件包括彼此串联的电容器与熔断器，预设值对应于电容器的饱和能量或熔断器的额定值中较小者。
在本发明的一实施例中，上述的暂态电压抑制元件还包括反向驱动二极管(backdrive diode)耦接在节点与电源端之间。
基于上述，本发明一实施例将隔离元件配置在齐纳二极管与电源端之间的节点与二极管串的第一端之间，使得ESD电流(瞬间电流)可通过齐纳二极管排除，且可阻挡EOS电流(直流大电流)，进而防止系统烧坏(burn out)的情况发生。另外，本发明另一实施例也可选择性将反向驱动二极管配置在节点与电源端之间，以达到双重保护效果。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
图1示出为本发明的第一实施例的一种暂态电压抑制元件的电路图。
图2A示出为本发明一实施例的隔离元件的电路示意图。
图2B示出为本发明另一实施例的隔离元件的电路示意图。
图2C示出为本发明又一实施例的隔离元件的电路示意图。
图3A至图3D分别示出为本发明另一实施例的隔离元件在异常电流下的动作示意图。
图4示出为本发明另一实施例的隔离元件的上视示意图。
图5示出为本发明的第二实施例的一种暂态电压抑制元件的电路图。
具体实施方式
参照本实施例的附图以更全面地阐述本发明。然而，本发明也可以各种不同的形式体现，而不应限于本文中所述的实施例。附图中的层与区域的厚度会为了清楚起见而放大。相同或相似的标号表示相同或相似的元件，以下段落将不再一一赘述。
图1示出为本发明的第一实施例的一种暂态电压抑制元件的电路图。
请参照图1，本发明的第一实施例提供一种暂态电压抑制元件100，包括：电源端Vdd、接地端GND、齐纳二极管110、多个二极管串120以及隔离元件130。
具体来说，齐纳二极管110耦接于电源端Vdd与接地端GND之间。齐纳二极管110与电源端Vdd之间具有节点N。每个二极管串120具有第一端E1、第二端E2及输出输入端IO。在本实施例中，如图1所示，各二极管串120包括彼此串联的通道二极管(channel diode)122、124。通道二极管122的阳极(anode)耦接至通道二极管124的阴极(cathode)，且与输出输入端IO互相耦接。虽然
图1仅示出单一个通道二极管122与单一个通道二极管124彼此串联，但本发明不以此为限。在其他实施例中，通道二极管122或通道二极管124的数量可大于一个以上。二极管串120的第二端E2耦接接地端GND。
隔离元件130耦接于节点N与第一端E1之间。也就是说，隔离元件130耦接于电源端Vdd与二极管串120之间。当电流值大于正常工作值，或电流方向异于正常工作电流方向，称之为异常电流。当异常电流流经隔离元件130，且其在单位时间内的能量超过隔离元件130的预设值时，隔离元件130会阻断异常电流的通路，从而达到保护的功效。以具有暂态电压抑制元件100的主机板为例，当主机板为关闭状态且插上带电的显示器时，逆向电流会从显示器通过输出输入端IO回灌至主机板的电源端Vdd。在此情况下，当此逆向电流流经隔离元件130，且超过隔离元件130的预设值时，隔离元件130会阻断此逆向电流的通路，藉此避免主机板的电源端Vdd的其他元件损坏。另一方面，当ESD现象发生时，齐纳二极管110会导通，在输出输入端IO与接地端GND之间产生异常电流路径，但ESD现象产生的异常电流单位时间内的能量未达隔离元件130的预设值，隔离元件130不会阻断此异常电流路径，藉此宣泄ESD现象时所产生的电流，进而达到静电放电保护的功效。此外，当电超载(EOS)现象发生时，齐纳二极管110会导通，使得输出输入端IO与接地端GND之间产生异常电流路径。隔离元件130会阻断此异常电流路径，避免电源端Vdd或接地端GND的电路被烧坏，进而达到保护目的。
图2A示出为本发明一实施例的隔离元件的电路示意图。图2B示出为本发明另一实施例的隔离元件的电路示意图。图2C示出为本发明又一实施例的隔离元件的电路示意图。
在一实施例中，图1所示出的隔离元件130可以是一种电容器130a(如图2A所示)，但本发明不以此为限。在另一实施例中，隔离元件130可以是一种熔断器130b，如图2B所示。在又一实施例中，隔离元件130也可以是一种具有彼此串联的电容器130a与熔断器130b的构件130c，如图2C所示。
详细地说，当隔离元件130是电容器130a时，隔离元件130的预设值可对应于电容器130a的饱和能量或电容值。也就是说，当异常电流的能量超过电容器130a的饱和能量或电容值时，电容器130a已充电完成而形成开路，藉此阻断异常电流的通路。另外，当隔离元件130是熔断器130b时，隔离元件130的预设值可对应于熔断器130b的额定值。换言之，当异常电流的能量超过熔断器130b的额定值时，熔断器130b会断开而形成开路，藉此阻断异常电流的通路。此外，当隔离元件130是彼此串联的电容器130a与熔断器130b的构件130c时，隔离元件130的预设值可对应于电容器130a的饱和能量或熔断器130b的额定值中较小者。
图3A至图3D分别示出为本发明另一实施例的隔离元件在异常电流下的动作示意图。图4示出为本发明另一实施例的隔离元件的上视示意图。
在替代实施例中，隔离元件130包括彼此并联的多个熔断器130d1、130d2、130d3、130d4的构件130d。隔离元件130的预设值可对应于多个熔断器130d1、130d2、130d3、130d4中的最大额定值。在本实施例中，熔断器130d1、130d2、130d3、130d4的额定值取决于熔断器130d1、130d2、130d3、130d4的宽度W1、W2、W3、W4，如图4所示。当熔断器的宽度越宽，其额定值越大，也越不容易被断开。反之，熔断器的宽度越窄，则额定值越小。
具体来说，如图3A所示，电流可从二极管串的第一端E1分别经由熔断器130d1、130d2、130d3、130d4流向齐纳二极管与电源端之间的节点N。当有异常电流或电超载(EOS)电流发生时，最小宽度W1的熔断器130d1会先被烧断，如图3B所示。在此情况下，最下方的路径因开路而无法导通，使得EOS电流流向其他熔断器130d2、130d3、130d4。接着，如图3C所示，熔断器130d2、130d2依序断开。最终，如图3D所示，当最大宽度W4的熔断器130d4被烧断，整个隔离元件130d会形成开路，以阻断EOS电流的通路。在此实施例中，不同宽度的熔断器130d1、130d2、130d3、130d4如骨牌般依序断开，以达到快速开路效果。在此情况下，可大幅提高隔离元件的反应速度而加速达到保护效果。
请参照图4，熔断器130d1、130d2、130d3、130d4可以是配置在基底上的内连线结构中的导电层、可变电阻层或其组合。在一些实施例中，所述导电层可例如是金属层、多晶硅层或其组合。金属层的材料包括铜、铝、铝铜、钨、其合金等类似金属材料。多晶硅层的材料包括掺杂多晶硅、未掺杂多晶硅或其组合。
在替代实施例中，可变电阻层的材料包括正温度系数(Positive TemperatureCoefficient，PTC)热敏电阻材料、负温度系数(Negative Temperature Coefficient，NTC)热敏电阻材料或其组合。上述可变电阻的电阻值可随着温度变化而改变。在此实施例中，隔离元件的导通状态是可逆的。也就是说，可调整温度变化而使得隔离元件电阻值变化，使其为导通或是接近开路。举例来说，当较大的EOS电流通过由可变电阻所构成的隔离元件时，可变电阻温度升高而导致电阻值升高，藉此形成接近开路的状态。随后，待温度下降后，可变电阻也可恢复成导通状态。
图5示出为本发明的第二实施例的一种暂态电压抑制元件的电路图。
请参照图5，第二实施例的暂态电压抑制元件200与第一实施例的暂态电压抑制元件100相似，相同的构件已于上述段落说明过，于此便不再赘述。上述两者不同之处在于：暂态电压抑制元件200还包括反向驱动二极管(back drive diode)140，耦接在节点N与电源端Vdd之间。如图5所示，反向驱动二极管140的阳极耦接至电源端Vdd，而反向驱动二极管140的阴极耦接至节点N。在此情况下，反向驱动二极管140与隔离元件130可一起阻挡异常电流流向电源端Vdd，以达到双重保护的功效。
综上所述，本发明一实施例将隔离元件配置在齐纳二极管与电源端之间的节点与二极管串的第一端之间，使得ESD电流(瞬间电流)可通过齐纳二极管排除，且可阻挡EOS电流(直流电流)，进而防止系统烧坏的情况发生。另外，本发明另一实施例也可选择性将反向驱动二极管配置在节点与电源端之间，以达到双重保护效果。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。
Claims (7)
1.一种暂态电压抑制元件，其特征在于，包括：
电源端；
接地端；
齐纳二极管，耦接于所述电源端与所述接地端之间，且所述齐纳二极管与所述电源端之间具有节点；
二极管串，具有第一端、第二端及输出输入端，所述第二端耦接所述接地端；以及
隔离元件，耦接于所述节点与所述第一端之间，其中当异常电流流经所述隔离元件，且单位时间内的所述异常电流的能量超过所述隔离元件的预设值时，所述隔离元件阻断所述异常电流的通路。
2.根据权利要求1所述的暂态电压抑制元件，其特征在于，其中所述隔离元件包括电容器，所述预设值对应于所述电容器的饱和能量或电容值。
3.根据权利要求1所述的暂态电压抑制元件，其特征在于，其中所述隔离元件包括熔断器，所述预设值对应于所述熔断器的额定值。
4.根据权利要求3所述的暂态电压抑制元件，其特征在于，其中所述熔断器包括金属层、多晶硅层或其组合。
5.根据权利要求1所述的暂态电压抑制元件，其特征在于，其中所述隔离元件包括彼此并联的多个熔断器，所述预设值对应于所述多个熔断器中的最大额定值。
6.根据权利要求1所述的暂态电压抑制元件，其特征在于，其中所述隔离元件包括彼此串联的电容器与熔断器，所述预设值对应于所述电容器的饱和能量或所述熔断器的额定值中较小者。
7.根据权利要求1所述的暂态电压抑制元件，其特征在于，还包括反向驱动二极管耦接在所述节点与所述电源端之间。
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