CN1937344B - 形成电压保护集成装置和结构的方法 - Google Patents

Abstract

在本实例中，电压保护电路使用两个背对背晶体管来接收未保护电压并形成保护电压。

Description

形成电压保护集成装置和结构的方法

背景技术

本发明大体涉及电子器件，更具体地说，涉及形成半导体装置和结构的方法。

技术领域

以前，有各种不同的方法和电路结构被用来对电路形成过电压和欠电压保护。在一个同时提供欠电压和过电压保护的应用中，两个N沟道金属氧化物半导体(MOS)晶体管以串联方式连接，它们的源极被连在一个公共点上。2004年8月5日公开的美国专利公开2004/0150927公开了这样一种应用的一个样例，由Strayer和其他人完成。由于与集成晶体管相关联的寄生二极管，这样的实施方式很难集成在单个半导体衬底上。因此，这种架构要求使用非集成晶体管。非集成晶体管增加了使用这样架构的系统的成本。

于是，人们希望能有一种方法来保护电路不出现过电压和欠电压状态而且可以被集成到单个半导体衬底上。

附图说明

图1示例性的示出一个含有依照本发明所给出的保护电路的保护系统的一部分的实施例。

图2示例性的示出依照本发明的图1的保护电路的典型实例的一部分。

图3示例性的示出依照本发明的至少含有图1中保护电路的一部分的半导体装置的放大平面视图。

为了图示的简单和清晰，图中的元件没有做必须性的比例绘制，且不同图中的相同附图标记表示相同的元件。此外，众所周知的步骤和元件的描述和细节出于简便介绍被省略。正如在此被用到的，载流电极表示承载电流穿过装置的元件，如MOS晶体管的源极或漏极，或是双极晶体管的射极或集极，或是二极管的负极或正极，而控制电极表示控制电流穿过装置的元件，如MOS晶体管的栅极或双击晶体管的基极。虽然这些装置在此被解释成某些N沟道或P沟道的装置，依据本发明也可能实现互补装置而将得到本领域的技术人员的理解。那些本领域技术人员也将理解在此被用到的词语“在...期间”、“当...时”、“...同时”并不是表示动作紧接着初始动作发生的精确术语，而是在由初始动作引发的反应动作之间可能存在的一些小的但合理的延时。

具体实施方式

图1示例性的示出含有对反电压、欠电压和过电压状态进行保护的保护系统10的一部分的实施例。系统10包括一个保护管理器电路或管理器16、负载14、和保护电路21。保护电路21在电压输入11上接收一个未保护电压并被配置为对负载14耦合与去耦以分别接收未保护电压的第一和第二值。保护电路21还用来在输出23上形成一个保护电压以对应所述未保护电压的第一和第二值。在优选实例中，负载14是电池。在其它实例中，负载15可能是另一种类型的电路元件。系统10接收电压输入11和电压返回端12之间的未保护电压。典型情况下，未保护电压是来自调节电源控制器的可在欠电压值和过电压值之间变化的电压。在欠电压值和过电压值之间的电压值都是未保护电压的额定值。在一些实例中，未保护电压可能是整流正弦波，如全波或半波整流。在一示范实例中，未保护电压是来自电源控制器的具有额定值近似为三(3)到七(7)伏的调节电压。在提供一未保护电压的电路中发生故障的情况下(未示出)，所述未保护电压可能增至大于所述额定值的值，且可能比过电压值大很多。在提供未保护电压的电路中的故障还可能导致未保护电压变得比额定值小且比欠电压值小很多，或甚至相对返回端12的电压为负。电路21用于在输出23上提供保护电压，其数值不会损坏接收该保护电压的电路。那些本领域的技术人员将理解，最大操作电压可以大于所述额定值。对于额定值近似为三(3)到七(7)伏的示范实例，最大操作电压可能多达二十八伏。最大操作电压通常由用于形成管理器16的半导体技术和形成晶体管26、27的半导体技术的类型决定。

管理器16在输入17和通常连接至返回端12的电压返回端之间接收所述保护电压。管理器16包括一个内部调节器、或是连接在输入17和电压返回端间的调节器(regulator)，以接收来自输出23的保护电压并提供适合操作管理器16的元件的调节电压。管理器16通常还包括电荷泵、电压检测器、控制逻辑和驱动器。电压检测器接收来自输入17的保护电压，并向控制逻辑提供信号以表示保护电压值在额定范围内。正像将在下文中看到的，电压检测器不检测负的或反向电压。然而，保护电路21检测反向电压并通过提供在反向电压状态下不损坏管理器16的保护电压来保护管理器16。控制逻辑在输出19产生过电压(OV)信号，当在输入17接收到的保护电压值大于过电压值时该信号为高，而在其它状态下该信号为低。控制逻辑对电荷泵产生一个信号，当在输入17接收的保护电压低于过电压值时，该信号为高。电荷泵提高所述信号的值，并与驱动器一起在输出18上形成栅极信号，其数值可以比在输入17接收的保护电压值更大。典型地，只要保护电压值小于过电压值，栅极信号值就近似是所述保护电压值的两倍。如果保护电压值大于过电压值，输出18被耦合到一个与返回端12的值基本相等的值。

图2示意性示出了保护电路21的一部分的示范实施例。该说明要同时参考图1和图2。保护电路21包括第一开关装置或开关，如晶体管26，第二开关装置或开关，如晶体管27，信号控制器28和反向电压控制器29。在优选实施例中，晶体管26、27是N沟道LD(横向双扩散)功率MOS晶体管(LDMOS)。在其它实施例中，只要晶体管26、27能维持高的漏极-栅极电压并有低接通电阻，它们可能是其它类型的N沟道晶体管。信号控制器28用于接收未保护电压并且还接收来自管理器16的栅极和OV信号。如果未保护电压值小于返回端12的值或被反向，控制器28还被用于提供第一控制信号来禁用第一开关，如晶体管26，以及如果未保护电压值大于过电压值，提供第二控制信号来禁用第二开关，如晶体管27。反向控制器29用来接收过电压信号并在输出23上提供保护电压，其不为负值以保护管理器16和其它连接用来接收保护电压的电路。例如控制负载14的电路(未给出)可使用所述保护电压。在典型情况下，至少将晶体管26、27一同集成在半导体衬底上。优选地，至少将晶体管26、27集成在控制器28、29的同一半导体衬底上。在一些实例中，管理器16的一部分，如电压检测器、电荷泵、驱动器、及控制逻辑的一部分，也可被集成在晶体管26、27的同一半导体衬底上。将晶体管26、27集成在同一衬底上通常会对晶体管26、27的每一个形成寄生的漏极到衬底二极管。因为这个寄生的漏极到衬底二极管，晶体管26、27的漏极不能接到可能施加到输入11的有负值趋向的电压。该反向电压可以对二极管正向偏置，引起大电流流过而可能损坏电路。因此晶体管26、27的漏极(或载流电极)被连在一起以防止反向电压损坏电路。并且，晶体管26、27的参考载流电极或源极被分别连接到输入11和输出13。

在一个样例实施例中，负载14是五伏电池。在此样例实例中，输入电压的额定值范围在约3.0至7.0伏，因此，大于约7.0伏的电压代表过电压状态。虽然过电压值约是7.0伏，管理器16可以承受高至约28.0伏的电压。在此样例实施例中，返回端12被连接到电池的负极并起到地电压的作用。在操作这个样例实施例时，如果未保护电压的值超出了过电压值，管理器16的电压检测器强制OV信号为高，而且控制逻辑和驱动器强制栅极信号为低。输入11上的未保护电压对晶体管50的体二极管正向偏压，其把晶体管26的栅极固定在一个比未保护电压低大约一个二极管压降的电压。因此，控制器28向晶体管26提供第一控制信号以为晶体管26形成低于所述阈值电压的栅极到源极电压(Vgs)，并且晶体管26被禁用。耦合到晶体管26的Vgs还小于可以被晶体管26维持的最大Vgs，对于本样例实施例来说，约为最大八伏(8V)。为了确保晶体管50的体二极管正向偏压，晶体管50被形成为所述体连接至晶体管50的源极。应该注意的是，对于图2所示的示范实例，晶体管50是N沟道晶体管。当晶体管50被集成在晶体管26、27的同一衬底上时，晶体管50在P型半导体衬底中的N沟道中形成，正如被那些本领域技术人员所理解。对于这样一个实例，电阻48连接在输入11和其中形成晶体管50的N沟道之间。如果输入11是负的，电阻48限制电流从返回端流出经过寄生衬底到晶体管50的N沟道二极管。即使晶体管26被禁用，晶体管26的体二极管仍可允许电流从输入11流出。输入24上的高OV信号启用晶体管54，其将晶体管27的栅极拉向接地。因为晶体管27的源极被连接至电池，来自晶体管54的低信号禁用晶体管27。禁用晶体管27使电池与输入11上的未保护电压解耦。注意当晶体管27被禁用时，晶体管27的体二极管防止电流从输入11流向负载14，并确保负载14与未保护电压解耦。输入24上的高OV信号还启用晶体管31，其将地电势与晶体管30的栅极相耦合从而禁用晶体管30。由于晶体管30被禁用，电阻33、34的电阻桥将晶体管37的栅极保持在一个仍低于来自输入11的源极和漏极电压的电压，因而保持晶体管37被启用以耦合来自输入11的未保护电压和输出23上的保护电压。电阻33、34还限制晶体管37的Vgs为一个低于用来形成晶体管37的技术所允许的最大Vgs的值。即使保护电压现在大于7.0伏，管理器16和其它接收来自输出23的电压的电路被配置为对这些电压进行操作而不引起损坏。

如果未保护电压的值被反向，电阻46、47构成分压器，其强制晶体管50的栅极电压比晶体管50的源极要较少的负向，因而启用晶体管50。晶体管50耦合一电压到晶体管26的栅极，其大约等于未保护电压值的电压，因而禁用晶体管26。并且，晶体管26的体二极管被反向偏压，所以不会有反向电流从电池流向输入11。由于输入24上的OV信号基本上是接地的，晶体管54的体二极管正向偏压，其将晶体管27的栅极充分拉向返回端25的地电势，因而禁用晶体管27。应该注意的是，将晶体管27的栅极与返回端25耦合也限制了与晶体管27耦合的Vgs一个不损坏晶体管27的值。晶体管31的寄生漏极到衬底二极管把晶体管30的Vgs固定为一个接近返回端25的地电势的电压，因而保护了晶体管30的Vgs。晶体管30的体二极管强制晶体管37的栅极基本接近返回端25的地电势，因而禁用晶体管37并将未保护电压与输出23解耦。于是，控制器29在输出23上提供保护电压，其而不损坏管理器16或其它连接来接收输出23电压的电路。

如果未保护电压的值在额定范围内，管理器16强制OV信号为低而栅极信号为高。OV信号一般近似为地，而栅极信号约是管理器16的输入17上电压的两倍，以便为晶体管26、27提供高驱动信号。控制器28的电阻46、47强制晶体管50的栅极低于来自输入11的正电压，从而禁用晶体管50。电阻44、45的电阻分压器将一电压与晶体管51、52的栅极耦合，其低于输入11的电压。低OV信号禁用晶体管53、54，因此，高栅极信号由晶体管52的漏极接收，其启用晶体管51、52。启用晶体管51、52将所述栅极信号通过相应的电阻41、42施加于晶体管26、27的栅极。电阻44、45的电阻桥限制晶体管51、52栅极接收的Vgs值为一个低于用来形成晶体管51、52的工艺可维持的最大值。因此，控制器28提供第一控制信号和第二控制信号以分别启用晶体管26、27，以将电池与未保护电压耦合，因而给电池充电。输入24的低信号还禁用晶体管31，其启用晶体管30。晶体管37的栅极被拉低并启用晶体管37，其将输入11的未保护电压耦合到输出23。那些本领域技术人员将理解，由电阻33、34，电阻41、42，电阻44、45和电阻46、47组成的电阻桥所执行的限压作用有助于限制晶体管的Vgs，并有益于将晶体管集成在晶体管26、27的同一半导体衬底上。

为了向电路21提供这个功能，晶体管26的源极共同连接至输入11、电阻48的第一端、晶体管50的源极、电阻46的第一端、电阻45的第一端、电阻35的第一端、电阻33的第一端和晶体管37的漏极。晶体管26的漏极连接至晶体管27的漏极。晶体管26的栅极通过连接电阻41的第一端和晶体管50的漏极来耦合以接收来自控制器28的第一控制信号。晶体管50的主体连接至晶体管50的源极，从而连至输入11。晶体管50的N沟道连接至电阻48的第二端。晶体管50的栅极通常连接至电阻46的第二端和电阻47的第一端。电阻47的第二端共同连接至电阻44的第一端、二极管43的阳极、晶体管31的源极、晶体管30的源极、电阻34的第一端、晶体管53、54的源极、和输入25。电阻44的第二端共同连接至电阻45的第二端、二极管43的阴极、晶体管52的栅极、晶体管51的栅极。晶体管51的漏极共同连接至电阻41的第二端和电阻42的第一端。晶体管27的源极连接至输出13。晶体管27的栅极通过连接电阻42的第二端和晶体管54的漏极来连接以接收来自控制器28的第二控制信号。晶体管51的源极连接至晶体管52的源极。晶体管52的漏极共同连接至输入22和晶体管53的漏极。晶体管53的栅极共同连接至晶体管54的栅极、输入24和晶体管31的栅极。晶体管31的漏极共同连接至晶体管30的栅极、二极管32的阴极和电阻35的第二端。二极管32的阳极连接至返回端25。晶体管30的漏极共同连接至电阻33的第二端、电阻34的第二端和晶体管37的栅极。晶体管37的源极连接至输出23。

图3展示的是在半导体模71上形成半导体装置70的实施例的一部分的放大平面图。电路21是在模71上形成的。模71还可能包含其它电路，为制图简便而没有在图3中给出。电路21和装置70通过被本领域技术人员所熟知的半导体制造工艺在模71上形成。在一些实施例中，管理器16的各部分也可能与电路21一同在模71上形成。

综上所述，明显地提出了一种新颖的装置和方法。在诸个特征中，一种集成的保护装置被形成，其具有两个背对背保护晶体管形成在同一半导体衬底上。将各晶体管的漏极耦合在一起有助于将各晶体管形成在同一半导体衬底上，这样保护集成装置就可以保护电路不接收反向电压。用两个控制信号来控制背对背晶体管有助于控制晶体管，以保护电路防止出现过电压状态和反向电压状态。

当发明的主题在描述中有特定的优选实例时，很明显大量的更改和变化对于那些精通半导体工艺的人来说是理所当然的。此外，为了描述清晰而通篇使用“连接”这个词，不过，它有意与“耦合”一词同义。因此，“连接”应被解释成包括直接连接或非直接连接。

Claims (8)

1.一种反向电压和过电压保护电路，包括：

第一开关装置，具有控制电极、载流电极和参考载流电极，所述参考载流电极被耦合以接收一未保护电压；

第二开关装置，具有控制电极、与一负载耦合的参考载流电极、以及与第一开关装置的载流电极耦合的载流电极；以及

控制电路，用来接收所述未保护电压，以及响应于所述未保护电压值具有一大于过电压值的值，禁用第二开关装置并把所述负载与接收所述未保护电压相解耦，以及响应于所述未保护电压具有反向值，禁用第一开关装置并将所述负载与接收所述未保护电压相解耦，

其中，所述控制电路包括串联耦合的第一晶体管和第二晶体管，其中所述第一晶体管的参考载流电极和第二晶体管的参考载流电极连接，所述第一晶体管的载流电极通过第一电阻耦合至所述第一开关装置的控制电极，所述第一晶体管的载流电极通过第二电阻耦合至所述第二开关装置的控制电极，所述第一晶体管的控制电极和所述第二晶体管的控制电极通过第三电阻和第四电阻耦合至小于所述未保护电压的一电压，所述第二晶体管的载流电极耦合至控制电极信号。

2.权利要求1的反向电压和过电压保护电路，其中响应于所述未保护电压具有反向值，所述控制电路用来将近似等于所述未保护电压的一信号与第一开关装置的控制电极相耦合。

3.权利要求1的反向电压和过电压保护电路，其中响应于所述未保护电压具有一大于过电压值的值，所述控制电路用来将低于第二开关装置的阈值电压的一信号与第二开关装置的控制电极相耦合。

4.权利要求1的反向电压和过电压保护电路，其中响应于所述未保护电压具有一小于所述过电压值且大于所述反向值的值，所述控制电路用来将第一控制信号与所述第一开关装置的控制电极耦合，并将与第一控制信号基本相等的第二控制信号与所述第二开关装置的控制电极耦合。

5.一种形成反向电压和过电压保护电路的方法，包括以下步骤：

耦合第一开关装置的参考载流电极来接收一未保护电压；

将第二开关装置的参考载流电极与一负载耦合，以及将第二开关装置的载流电极与第一开关装置的载流电极耦合；

配置控制电路以包括第一晶体管，将第一晶体管的第一载流电极耦合成接收所述未保护电压，将所述第一晶体管的第二载流电极耦合至所述第一开关装置的控制电极，并将所述第一晶体管的控制电极通过第一电阻耦合至所述未保护电压；以及

配置所述控制电路来接收所述未保护电压并响应于所述未保护电压具有一大于过电压值的值来使能所述第一晶体管从而禁用所述第一开关装置，其中所述控制电路还禁用第二开关装置以将所述负载与接收未保护电压相解耦；以及响应于所述未保护电压具有反向值，配置所述控制电路来使能所述第一晶体管从而禁用第一开关装置以将所述负载与接收未保护电压相解耦。

6.权利要求5的方法，其中配置控制电路来接收所述未保护电压并使能所述第一晶体管的步骤包括：响应于所述未保护电压具有所述反向值，配置所述控制电路为所述第一开关装置的控制电极形成一控制电压，其近似等于所述未保护电压。

7.权利要求6的方法，还包括以下步骤：响应于所述未保护电压具有所述反向值，配置所述控制电路为第二开关装置的控制电极形成一控制电压，其禁用所述第二开关装置。

8.权利要求6的方法，还包括以下步骤：响应于所述未保护电压具有一大于过电压值的值，配置所述控制电路为第二开关装置的控制电极形成一控制电压，其低于所述第二开关装置的参考载流电极上的电压。

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