CN113839374A - Esd电源保护电路、工作电源和芯片 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种ESD电源保护电路、工作电源和芯片。其中，ESD电源保护电路包括第一保护电路和第二保护电路，使得大部分ESD电流通过包括第一单向导电器件第二单向导电器件和钳位电路的第一保护电路进行泄放流，小部分ESD电流到达芯片的输入端，再通过包括MOS管PM1和MOS管NM1的第二保护电路泄放ESD电流，从而将内部电路电压钳位在设定电压之间，该设定电压为根据动作电源的电压、MOS管NM1和PM1的阈值电压决定，保护芯片内部电路。相较于传统技术中利用寄生二极管泄放或雪崩击穿泄放，本申请通过主动泄放的模式，实现了钳位电压更低、触发电压更低、泄放路径更短、导通电阻更小、相同泄放能力下寄生电容更小，能有效保护低压电路。

Description

ESD电源保护电路、工作电源和芯片

技术领域

本申请涉及ESD保护技术领域，特别是涉及一种ESD电源保护电路、工作电源和芯片。

背景技术

ESD失效已成为威胁当前集成电路可靠性的重要因素之一。ESD事件可能出现在芯片生产制造、封测、贴片以及输运等各个环节中，由于作业过程避免不了接触摩擦行为，这会产生大量的电荷积累，这过程可能使得芯片带电或者是设备带电。当积累电荷没能及时的泄放，接触到芯片的引脚就会顺着引脚流入到芯片内部，这一过程产生的瞬态ESD电流可能达到数安培以上，会威胁内部器件的栅氧化层可靠性，导致形成栅氧化层缺陷甚至氧化层击穿，或导致内部金属走线或器件直接发热烧毁。

在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统技术中钳位电压较高。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高钳位电压的ESD电源保护电路、工作电源和芯片。

为了实现上述目的，一方面，本发明实施例提供了一种ESD电源保护电路，包括第一保护电路和第二保护电路；

第一保护电路包括第一单向导电器件、第二单向导电器件和钳位电路；第一单向导电器件的第一端连接钳位电路的一端，且用于连接工作电源，第二端连接PAD引脚；第一单向导电器件的导电方向为从PAD引脚至工作电源；第二单向导电器件的第一端连接钳位电路的另一端，且用于连接公共地，第二端连接PAD引脚；第二单向导电器件的导电方向为从公共地至PAD引脚；

第二保护电路包括MOS管NM1和MOS管PM1；MOS管NM1的栅极用于连接公共地，漏极连接用于连接工作电源，源极分别连接第一单向导电器件的第二端、PAD引脚、第二单向导电器件的第二端和MOS管PM1的源极，且用于连接芯片，衬底连接公共地；MOS管PM1的栅极用于连接工作电源，漏极连接公共地，衬底用于连接工作电源。

在其中一个实施例中，钳位电路包括RC电路、MOS管PM2、MOS管NM2和MOS管NM3；

RC电路的第一端连接MOS管PM2的源极且用于连接工作电源，第二端分别连接MOS管PM 2的栅极和MOS管NM2的栅极，第三端连接MOS管NM2的源极且用于连接公共地；

MOS管PM2的漏极分别连接MOS管NM3的栅极和MOS管NM2的漏极；MOS管NM2的源极用于连接公共地；MOS管NM3的源极连接公共地，漏极连接工作电源。

在其中一个实施例中，RC电路包括电阻和电容；

电阻的一端用于连接工作电源，另一端分别连接MOS管PM 2的栅极、MOS管NM2的栅极和电容的一端；电容的另一端连接公共地。

在其中一个实施例中，MOS管PM2为PMOS管；MOS管NM2为NMOS管；MOS管NM3为NMOS管。

在其中一个实施例中，还包括第一限流器件和第二限流器件；

MOS管NM1的栅极通过第一限流器件连接公共地；

MOS管PM1的栅极通过第二限流器件连接工作电源。

在其中一个实施例中，还包括第三限流器件；

第一单向导电器件的第二端、第二单向导电器件的第二端和PAD引脚均通过第三限流器件连接MOS管NM1的源极。

在其中一个实施例中，第一单向导电器件为二极管D1；第二导电器件为二极管D2；

二极管D1的阳极连接PAD引脚，阴极连接钳位电路的一端，且用于连接工作电源；

二极管D2的阳极连接钳位电路的另一端，且用于连接公共地，阴极连接PAD引脚。

在其中一个实施例中，MOS管PM1为PMOS管；MOS管NM1为NMOS管。

一方面，本发明实施例还提供了一种工作电源，包括如上述任一项的ESD电源保护电路。

另一方面，本发明实施例还提供了一种芯片，包括如上述任一项的ESD电源保护电路。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

上述ESD电源保护电路，使得大部分ESD电流通过包括第一单向导电器件第二单向导电器件和钳位电路的第一保护电路进行泄放流，小部分ESD电流到达芯片的输入端，再通过包括MOS管PM1和MOS管NM1的第二保护电路泄放ESD电流，从而将内部电路电压钳位在设定电压之间，该设定电压为根据动作电源的电压、MOS管NM1和PM1的阈值电压决定，保护芯片内部电路。相较于传统技术中利用寄生二极管泄放或雪崩击穿泄放，本申请通过主动泄放的模式，实现了钳位电压更低、触发电压更低、泄放路径更短、导通电阻更小、相同泄放能力下寄生电容更小，适合于低压电路窄的ESD设计窗口，能有效保护内部低压电路。

附图说明

通过附图中所示的本申请的优选实施例的更具体说明，本申请的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本申请的主旨。

图1为一个实施例中ESD电源保护电路的第一示意性结构框图；

图2为一个实施例中ESD电源保护电路的第二示意性结构框图；

图3为一个实施例中ESD电源保护电路的第三示意性结构框图；

图4为一个实施例中ESD电源保护电路的第四示意性结构框图；

图5为一个实施例中ESD电源保护电路的第五示意性结构框图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。

可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

传统技术中，一般采用基于双二极管的电源轨钳位电路和局部GGNMOS钳位电路来进行ESD保护。然而基于双二极管的电源轨钳位电路，由于反向二极管泄放电流能力很弱且电阻较大，因此需要通过搭配电源钳位电路泄放电流，但由于二极管正向导通电压过冲严重，另外考虑电源线的寄生电阻影响，造成整个泄放路径变长，钳位电压较高，不利于保护低压输入至栅极。同时，局部GGNMOS钳位电路，依靠漏极衬结雪崩击穿产生衬底电流触发寄生NPN开启泄放ESD电流，但依赖雪崩击穿产生衬底电流会使得触发电压过高，不利于保护芯片内部电路。

而本申请的ESD电源保护电路可以有效解决上述问题。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种ESD电源保护电路，包括第一保护电路10和第二保护电路20；

第一保护电路10包括第一单向导电器件D1、第二单向导电器件D2和钳位电路；第一单向导电器件D1的第一端连接钳位电路的一端，且用于连接工作电源VDD，第二端连接PAD引脚；第一单向导电器件D1的导电方向为从PAD引脚至工作电源VDD；第二单向导电器件D2的第一端连接钳位电路的另一端，且用于连接公共地VSS，第二端连接PAD引脚；第二单向导电器件D2的导电方向为从公共地VSS至PAD引脚；

第二保护电路20包括MOS管NM1和MOS管PM1；MOS管NM1的栅极用于连接公共地，漏极连接用于连接工作电源VDD，源极分别连接第一单向导电器件D1的第二端、PAD引脚、第二单向导电器件D2的第二端和MOS管PM1的源极，且用于连接芯片，衬底连接公共地；MOS管PM1的栅极用于连接工作电源VDD，漏极连接公共地VSS，衬底用于连接工作电源VDD。

其中，第一单向导电器件和第二单向导电器件均为只允许电流由单一方向流过的器件，如二极管等。PAD引脚可以接任意IO接口。钳位电路可以为本领域中任意一种将电压固定在指定电压值上，并保持原波形形状不变的电路。

具体的，第一单向导电器件和第二单向导电器件将ESD电流的流向进行限定。PAD引脚对工作电源侦测到正静电时，ESD电流中绝大部分由PAD引脚通过第一单向导电器件流至工作电源，小部分ESD电流流至MOS管NM1和MOS管PM1的源极处。MOS管PM1的衬底连接工作电源VDD，当源极处的电压VIN>Vdd-Vthp（Vthp为MOS管PM1的阈值电压，且Vthp为负值。MOS管PM1导通条件为Vgs<Vthp）时，MOS管PM1导通，残留的ESD电流通过MOS管PM1流至公共地VSS，随后经过钳位电路的寄生二极管泄放到VDD，此时芯片的输入电压钳位在Vdd-Vthp的电压值。

PAD引脚对工作电源VDD侦测到负静电时，ESD电流中绝大部分由工作电源VDD经过钳位电路流至公共地VSS，再通过第二单向导电器件泄放到PAD引脚，当源极处的电压VIN<-Vthn（Vthn为NM1的阈值电压，且Vthn为正值，NM2导通条件为Vgs>Vthn）时，MOS管NM1导通，小部分ESD电流从VDD通过NM1泄放到PAD引脚，此时芯片的输入电压钳位在-Vthn。

PAD引脚对公共地VSS侦测到正静电时，ESD电流中绝大部分由PAD引脚通过第一单向导电器件流至工作电源，再经过钳位电路泄放到公共地VSS，小部分ESD电流流至芯片输入端（MOS管NM1和MOS管PM1的源极），当VIN>Vdd-Vthp（Vthp为PM1的阈值电压，且Vthp为负值，PM1导通条件为Vgs<Vthp）时，PM1导通，残留ESD电流通过PM1泄放到VSS，此时芯片的输入端电压钳位在Vdd-Vthp。

PAD引脚对公共地VSS侦测到负静电时，ESD电流中绝大部分电流由VSS通过第二单向导电器件泄放到PAD引脚，当VIN<-Vthn（Vthn为MOS管NM1的阈值电压，且Vthn为正值，MOS管NM1导通条件为Vgs>Vthn）时，NM1导通，小部分ESD电流由VSS通过钳位电路的寄生二极管流至VDD，再经过NM1泄放至PAD，此时芯片的输入端电压钳位在-Vthn。在一个具体示例中，第一单向导电器件为二极管D1；第二导电器件为二极管D2；二极管D1的阳极连接PAD引脚，阴极连接钳位电路的一端，且用于连接工作电源；二极管D2的阳极连接钳位电路的另一端，且用于连接公共地，阴极连接PAD引脚。MOS管PM1为PMOS管；MOS管NM1为NMOS管。

上述ESD电源保护电路，使得大部分ESD电流通过包括第一单向导电器件第二单向导电器件和钳位电路的第一保护电路进行泄放流，小部分ESD电流到达芯片的输入端，再通过包括MOS管PM1和MOS管NM1的第二保护电路泄放ESD电流，从而将内部电路电压钳位在设定电压之间，该设定电压为根据动作电源的电压、MOS管NM1和PM1的阈值电压决定，保护芯片内部电路。相较于传统技术中利用寄生二极管泄放或雪崩击穿泄放，本申请通过主动泄放的模式，实现了钳位电压更低、触发电压更低、泄放路径更短、导通电阻更小、相同泄放能力下寄生电容更小，适合于低压电路窄的ESD设计窗口，能有效保护内部低压电路。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种ESD电源保护电路，提供了一种ESD电源保护电路，包括第一保护电路10和第二保护电路20；

第一保护电路10包括第一单向导电器件D1、第二单向导电器件D2和钳位电路；第一单向导电器件D1的第一端连接钳位电路的一端，且用于连接工作电源VDD，第二端连接PAD引脚；第一单向导电器件D1的导电方向为从PAD引脚至工作电源VDD；第二单向导电器件D2的第一端连接钳位电路的另一端，且用于连接公共地VSS，第二端连接PAD引脚；第二单向导电器件D2的导电方向为从公共地VSS至PAD引脚；

第二保护电路20包括MOS管NM1和MOS管PM1；MOS管NM1的栅极用于连接公共地，漏极连接用于连接工作电源VDD，源极分别连接第一单向导电器件D1的第二端、PAD引脚、第二单向导电器件D2的第二端和MOS管PM1的源极，且用于连接芯片，衬底连接公共地；MOS管PM1的栅极用于连接工作电源VDD，漏极连接公共地VSS，衬底用于连接工作电源VDD。

其中，钳位电路包括RC电路、MOS管PM2、MOS管NM2和MOS管NM3；

RC电路的第一端连接MOS管PM2的源极且用于连接工作电源，第二端分别连接MOS管PM 2的栅极和MOS管NM2的栅极，第三端连接MOS管NM2的源极且用于连接公共地；

MOS管PM2的漏极分别连接MOS管NM3的栅极和MOS管NM2的漏极；MOS管NM2的源极用于连接公共地；MOS管NM3的源极连接公共地，漏极连接工作电源。

具体而言，通过上述RC电路，使得在侦测到工作电源VDD快速上电的上升沿时，电压不会突变。通过MOS管PM2和MOS管NM2的导通或断开，控制MOS管NM3的导通与否，并进而进行泄放工作电源的esd电流。

在一个实施例中，如图3所示，提供了一种ESD电源保护电路，包括第一保护电路10和第二保护电路20；

第一保护电路10包括第一单向导电器件D1、第二单向导电器件D2和钳位电路；第一单向导电器件D1的第一端连接钳位电路的一端，且用于连接工作电源VDD，第二端连接PAD引脚；第一单向导电器件D1的导电方向为从PAD引脚至工作电源VDD；第二单向导电器件D2的第一端连接钳位电路的另一端，且用于连接公共地VSS，第二端连接PAD引脚；第二单向导电器件D2的导电方向为从公共地VSS至PAD引脚；

第二保护电路20包括MOS管NM1和MOS管PM1；MOS管NM1的栅极用于连接公共地，漏极连接用于连接工作电源VDD，源极分别连接第一单向导电器件D1的第二端、PAD引脚、第二单向导电器件D2的第二端和MOS管PM1的源极，且用于连接芯片，衬底连接公共地；MOS管PM1的栅极用于连接工作电源VDD，漏极连接公共地VSS，衬底用于连接工作电源VDD。

其中，钳位电路包括RC电路、MOS管PM2、MOS管NM2和MOS管NM3；

RC电路的第一端连接MOS管PM2的源极且用于连接工作电源，第二端分别连接MOS管PM 2的栅极和MOS管NM2的栅极，第三端连接MOS管NM2的源极且用于连接公共地；

MOS管PM2的漏极分别连接MOS管NM3的栅极和MOS管NM2的漏极；MOS管NM2的源极用于连接公共地；MOS管NM3的源极连接公共地，漏极连接工作电源。

其中，RC电路包括电阻R1和电容C1；

电阻R1的一端用于连接工作电源VDD，另一端分别连接MOS管PM 2的栅极、MOS管NM2的栅极和电容的一端；电容C1的另一端连接公共地VSS。

具体而言，可以根据电容和电阻的参数的设置，计算延时时间。在一个具体示例中，MOS管PM2为PMOS管；MOS管NM2为NMOS管；MOS管NM3为NMOS管。

在其中一个实施例中，如图4所示，还包括第一限流器件R2和第二限流器件R3；

MOS管NM1的栅极通过第一限流器件R2连接公共地；

MOS管PM1的栅极通过第二限流器件R3连接工作电源。

具体的，第一限流器件和第二限流器件用于限流，可以为任一种有限流功能的设备，如电阻等。

在其中一个实施例中，如图5所示，还包括第三限流器件R4；

第一单向导电器件D1的第二端、第二单向导电器件D2的第二端和PAD引脚均通过第三限流器件R4连接MOS管NM1的源极。

具体的，通过第三限流器件对芯片输入端的电流进行限流以保护芯片内部电路。

在一个实施例中，提供了一种工作电源，包括如上述任一项的ESD电源保护电路。在一个示例中，该ESD电源保护电路包括第一保护电路和第二保护电路；

第一保护电路包括第一单向导电器件、第二单向导电器件和钳位电路；第一单向导电器件的第一端连接钳位电路的一端，且用于连接工作电源，第二端连接PAD引脚；第一单向导电器件的导电方向为从PAD引脚至工作电源；第二单向导电器件的第一端连接钳位电路的另一端，且用于连接公共地，第二端连接PAD引脚；第二单向导电器件的导电方向为从公共地至PAD引脚；

第二保护电路包括MOS管NM1和MOS管PM1；MOS管NM1的栅极用于连接公共地，漏极连接用于连接工作电源，源极分别连接第一单向导电器件的第二端、PAD引脚、第二单向导电器件的第二端和MOS管PM1的源极，且用于连接芯片，衬底连接公共地；MOS管PM1的栅极用于连接工作电源，漏极连接公共地，衬底用于连接工作电源。

在一个实施例中，提供了一种芯片，包括如上述任一项的ESD电源保护电路。在一个示例中，该ESD电源保护电路包括第一保护电路和第二保护电路；

第一保护电路包括第一单向导电器件、第二单向导电器件和钳位电路；第一单向导电器件的第一端连接钳位电路的一端，且用于连接工作电源，第二端连接PAD引脚；第一单向导电器件的导电方向为从PAD引脚至工作电源；第二单向导电器件的第一端连接钳位电路的另一端，且用于连接公共地，第二端连接PAD引脚；第二单向导电器件的导电方向为从公共地至PAD引脚；

第二保护电路包括MOS管NM1和MOS管PM1；MOS管NM1的栅极用于连接公共地，漏极连接用于连接工作电源，源极分别连接第一单向导电器件的第二端、PAD引脚、第二单向导电器件的第二端和MOS管PM1的源极，且用于连接芯片，衬底连接公共地；MOS管PM1的栅极用于连接工作电源，漏极连接公共地，衬底用于连接工作电源。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种ESD电源保护电路，其特征在于，包括第一保护电路和第二保护电路；

所述第一保护电路包括第一单向导电器件、第二单向导电器件和钳位电路；所述第一单向导电器件的第一端连接所述钳位电路的一端，且用于连接工作电源，第二端连接PAD引脚；所述第一单向导电器件的导电方向为从所述PAD引脚至所述工作电源；所述第二单向导电器件的第一端连接所述钳位电路的另一端，且用于连接公共地，第二端连接所述PAD引脚；所述第二单向导电器件的导电方向为从所述公共地至所述PAD引脚；

所述第二保护电路包括MOS管NM1和MOS管PM1；所述MOS管NM1的栅极用于连接所述公共地，漏极连接用于连接所述工作电源，源极分别连接所述第一单向导电器件的第二端、所述PAD引脚、所述第二单向导电器件的第二端和所述MOS管PM1的源极，且用于连接芯片，衬底连接所述公共地；所述MOS管PM1的栅极用于连接所述工作电源，漏极连接所述公共地，衬底用于连接所述工作电源。

2.根据权利要求1所述的ESD电源保护电路，其特征在于，所述钳位电路包括RC电路、MOS管PM2、MOS管NM2和MOS管NM3；

所述RC电路的第一端连接所述MOS管PM2的源极且用于连接所述工作电源，第二端分别连接所述MOS管PM 2的栅极和所述MOS管NM2的栅极，第三端连接所述MOS管NM2的源极且用于连接公共地；

所述MOS管PM2的漏极分别连接所述MOS管NM3的栅极和所述MOS管NM2的漏极；所述MOS管NM2的源极用于连接所述公共地；所述MOS管NM3的源极连接所述公共地，漏极连接所述工作电源。

3.根据权利要求2所述的ESD电源保护电路，其特征在于，所述RC电路包括电阻和电容；

所述电阻的一端用于连接所述工作电源，另一端分别连接所述MOS管PM 2的栅极、所述MOS管NM2的栅极和所述电容的一端；所述电容的另一端连接所述公共地。

4.根据权利要求2所述的ESD电源保护电路，其特征在于，所述MOS管PM2为PMOS管；所述MOS管NM2为NMOS管；所述MOS管NM3为NMOS管。

5.根据权利要求1所述的ESD电源保护电路，其特征在于，还包括第一限流器件和第二限流器件；

所述MOS管NM1的栅极通过所述第一限流器件连接所述公共地；

所述MOS管PM1的栅极通过所述第二限流器件连接所述工作电源。

6.根据权利要求1所述的ESD电源保护电路，其特征在于，还包括第三限流器件；

所述第一单向导电器件的第二端、所述第二单向导电器件的第二端和所述PAD引脚均通过所述第三限流器件连接所述MOS管NM1的源极。

7.根据权利要求1所述的ESD电源保护电路，其特征在于，所述第一单向导电器件为二极管D1；所述第二单向导电器件为二极管D2；

所述二极管D1的阳极连接所述PAD引脚，阴极连接所述钳位电路的一端，且用于连接工作电源；

所述二极管D2的阳极连接所述钳位电路的另一端，且用于连接公共地，阴极连接所述PAD引脚。

8.根据权利要求1所述的ESD电源保护电路，其特征在于，所述MOS管PM1为PMOS管；所述MOS管NM1为NMOS管。

9.一种工作电源，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的ESD电源保护电路。

10.一种芯片，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的ESD电源保护电路。

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