CN202549831U - 一种静电放电防护装置及由其组成的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及静电放电防护装置及由其组成的系统，所述静电放电防护装置包括一个高压电源线、一个低压电源线、第一二极管、第二二极管、静电存储单元、放电电阻器、功能电路，静电存储单元、放电电阻器并联电连接于高压电源线和低压电源线之间；第一二极管负极电连接于高压电源线，第一二极管正极电连接于功能电路的输入/输出端口；第二二极管负极电连接于功能电路的输入/输出端口，第二二极管正极电连接于低压电源线；功能电路电连接于高压电源线、低压电源线之间，由高压电源线和低压电源线供电，并且通过输入/输出端口与外部信号线相连。发生静电放电时，静电电荷被静电存储单元吸收并被放电电阻器、功能电路释放，从而静电防护功能电路。
Description
技术领域
本实用新型涉及静电放电防护装置及由其组成的系统，特别是一种利用二极管正偏特性与电容器吸收静电脉冲能力组成的静电放电防护装置及由其组成的系统。
背景技术
静电放电（Electro Static Discharge，ESD）防护能力是集成电路等电子产品的重要可靠性指标之一。随着电子产品频率的提高，要求电子产品输入/输出端口上的寄生电容越来越小，为了确保产品功能正常，常用的方法是牺牲电子产品静电放电防护性能以满足功能要求，此种做法一方面对电子产品的使用环境要求更加苛刻，另一方面由于产品静电放电防护能力的降低，可靠性大幅度下降，产品返修率大幅度上升，如此种种，严重制约了产品的推广；也有采用TVS（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR，瞬变抑制）二极管作为产品静电放电防护装置的，由于TVS二极管实用二极管的反偏特性用在保护电路上，寄生电容难于控制，难于解决>1GHZ射频微波电路的静电放电防护问题；也有采用电容器加二极管结构作为静电放电保护电路的，由于其使用的电容为0.1—0.2μF,在8000V静电脉冲下会有6V—12V的电压降，此外，该方法未使用放电电阻器，电容器吸收静电脉冲后的电荷无法及时释放掉，在连续承受多个静电脉冲后会由于电容器积累电压过高导致被保护电路出现静电损伤问题。
实用新型内容
为了解决上述技术问题，本实用新型一方面包括一种静电放电防护装置，其包括一个高压电源线、一个低压电源线、第一二极管、第二二极管、静电存储单元、放电电阻器、功能电路，其中，静电存储单元、放电电阻器并联地电连接于所述高压电源线和低压电源线之间；第一二极管负极电连接于所述高压电源线，第一二极管正极电连接于所述功能电路的输入/输出端口；第二二极管负极电连接于所述功能电路的输入/输出端口，第二二极管正极电连接于所述低压电源线；所述功能电路电连接于所述高压电源线、低压电源线之间，由高压电源线和低压电源线供电，并且通过输入/输出端口与外部信号线相连。
优选地，所述第一二极管由1个第一二极管组成。
优选地，所述第一二极管由至少2个第一二极管组成，所述至少2个第一二极管彼此串联或并联连接。
优选地，所述第二二极管由1个第二二极管组成。
优选地，所述第二二极管由至少2个第二二极管组成，所述至少2个第二二极管彼此串联或并联连接。
优选地，所述二极管为PN结二极管和/或肖特基二极管。
优选地，所述二极管与功能电路集成在同一芯片上，或者所述二极管与功能电路封装在同一管壳内，或者所述二极管与功能电路制作在同一电路板上。
优选地，所述静电存储单元由1个电容器组成，所述电容器的电容值大于或等于0.22μF。
优选地，所述静电存储单元由至少2个电容器组成，所述至少2个电容器彼此相互串联或并联，串联或并联后电容值大于或等于0.22μF。
优选地，所述电容器与功能电路集成在同一芯片上，或者所述电容器与功能电路封装在同一管壳内，或者所述电容器与功能电路制作在同一电路板上。
优选地，所述静电放电防护装置还设有其它箝位电路。
优选地，所述放电电阻器与功能电路集成在同一芯片上，或者所述放电电阻器与功能电路封装在同一管壳内，或者所述放电电阻器与功能电路制作在同一电路板上。
本发明另一方面包括一种静电放电防护系统，其包括如第一方面所述的多个静电放电防护装置，其中每个静电放电防护装置中的高压电源线与其他静电放电防护装置中的高压电源线之间、每个静电放电防护装置中的低压电源线与其他静电放电防护装置中的低压电源线之间和/或每个静电放电防护装置中的高压电源线与其他静电放电防护装置中的低压电源线之间电连接有静电放电（ESD）防护单元，用于在所述装置正常工作时将与所述静电放电防护单元电连接的电源线进行电性分离，在静电放电发生时将与所述静电放电防护单元电连接的电源线进行电性短接。
优选地，所述静电放电防护单元由1个电容器组成。
优选地，所述静电放电防护单元由至少2个电容器组成，所述至少2个电容器彼此相互串联或并联。
优选地，所述静电放电防护单元由1个二极管组成。
优选地，所述静电放电防护单元由至少2个二极管组成，所述二极管相互串联；或者所述二极管为1个二极管与1个或2个以上串联二极管极性相反地并联；或者所述二极管为2个以上串联二极管与1个或2个以上串联二极管极性相反地并联。
优选地，每个静电放电防护装置中的高压电源线与其他静电放电防护装置中的高压电源线之间、每个静电放电防护装置中的低压电源线与其他静电放电防护装置中的低压电源线之间和/或每个静电放电防护装置中的高压电源线与其他静电放电防护装置中的低压电源线之间至少电连接有1个放电电阻器，用于释放电源间存储电荷。
优选地，在每个静电放电防护装置中的高压电源线与其他静电放电防护装置中的高压电源线之间、和/或每个静电放电防护装置中的低压电源线与其他静电放电防护装置中的低压电源线之间使用短路线作为静电放电防护单元。
本实用新型克服了现有静电放电防护装置存在的输入/输出端口上的寄生电容问题，并通过加大所使用电容器的电容值，为所使用二极管提供更大的电压空间，进一步降低二极管寄生电容，通过在高压电源线与低压电源线之间使用放电电阻器，及时将电容器存储的静电电荷释放掉，防止出现功能电路承受多次静电后由于电荷存储单元电压过高出现静电损伤问题。
附图说明
图1为本实用新型静电放电防护装置的示意图；
图2为本实用新型在一种使用串联二极管的应用情况示意图；
图3为本实用新型使用串联电容器作为电荷存储单元的应用情况示意图；
图4为本实用新型使用并联电容器作为电荷存储单元的应用情况示意图；
图5为本实用新型的一种多输入/输出端口应用情况示意图；
图6为本实用新型的一种多电源应用情况示意图；
图7为本实用新型的另一种多电源应用情况示意图；
图8为本实用新型的另外第二种多电源应用情况示意图；
图9为本实用新型的另外第三种多电源应用情况示意图；
图10为本实用新型并联使用其它箝位电路的应用情况示意图；以及
图11为本实用新型功能电路内部并联使用其它箝位电路的应用情况示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
11、高压电源线，111、第一高压电源线，112、第二高压电源线， 12、功能电路，121、第一功能电路，122、第二功能电路，13、电容器，131、第一电容器，132、第二电容器，133、第三电容器，134、第四电容器，14、放电电阻器，141、第一放电电阻器，142、第二放电电阻器，143、第三放电电阻器，15、低压电源线，151、第一低压电源线，152、第二低压电源线，16、第二二极管，161、第二二极管A，162、第二二极管B，17、第一二极管，171、第一二极管A，172、第一二极管B，18、输入/输出信号端口，181、第一输入/输出信号端口，182、第二输入/输出信号端口，19、静电放电（ESD）防护单元，191、第一ESD防护单元，192、第二ESD防护单元，20、其它箝位电路，21、其它箝位电路。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
如图1所示，本实用新型的静电放电防护装置，包括高压电源线11、低压电源线15、第一二极管17、第二二极管16、静电存储单元13、放电电阻器14、功能电路12。其中，静电存储单元13、放电电阻器14并联地电连接于高压电源线11和低压电源线15之间；第一二极管17负极电连接于高压电源线11，第一二极管17正极电连接于功能电路12的输入/输出端口18；第二二极管16负极电连接于功能电路12的输入/输出端口18，第二二极管17正极电连接于低压电源线15；功能电路12电连接于高压电源线11、低压电源线15之间，由高压电源线11和低压电源线15供电，并且通过输入/输出端口与外部信号线相连。本实用新型中的二极管16、17可以采用PN结二极管和/或肖特基二极管制作而成。本实用新型中的静电存储单元13可以用电容器制作而成。本实用新型中的二极管、电阻器、电容器可与功能电路集成在同一芯片上，或者与功能电路封装在同一管壳内，或者与功能电路制作在同一电路板上。在静电放电事件发生时，以输入/输出端口18对低压电源线15发生正电压ESD事件为例，静电脉冲可从输入/输出端口18开始，并通过输入/输出端口18与高压电源线11之间的第一二极管17将静电脉冲传递到高压电源线11，由高压电源线11与低压电源线15之间的电容器13吸收掉，将高压电源线11、低压电源线15、输入/输出端口18之间的电压箝位在一个很低的电压水平，对功能电路12起到静电放电保护的作用。由于电容器13不存在闩锁问题，高压电源线11与低压电源线12之间的电压可箝位在一远小于工作电压的水平，从而提供给第一二极管17更大的电压防护范围（与传统模式相比至少可额外提供功能电路工作电压大小的额外电压），此外由于第一二极管17使用的是正偏特性，静电导通特性非常好，两者结合，可通过适当降低二极管面积、降低二极管轻掺杂区浓度、增加P（正）型重掺杂区与N（负）型重掺杂区距离、采用串联二极管结构等方式降低二极管寄生电容器，达到获得足够ESD防护能力的同时降低输入/输出端口寄生电容器的目的，满足微波/射频电路实用需求。电容器13吸收的电荷，通过放电电阻器14释放掉。
除了图1中所采用一个电容器13实现静电存储功能外，还可由第一电容器131、第二电容器132串联而成，在实现静电存储功能的同时进一步提高电容器的可靠性（如图3所示）；也可由第三电容器133和第四电容器134并联而成，在实现静电存储功能的同时进一步降低电源寄生电阻和/或者寄生电感的影响（如图4所示）。
图1中的第一二极管17可以由一个二极管组成，该第一二极管也可由多个并联二极管组成，用于进一步提高二极管的导通能力，也可由第一二极管A 171和第一二极管B 172串联而成，用于降低二极管寄生电容；图1中的第二二极管16可以由一个二极管组成，也可由多个并联二极管组成，用于进一步提高二极管的导通能力，也可由第二二极管A 161和第二二极管B 162串联而成，用于降低二极管寄生电容（如图2所示）。
通常情况下，一个功能电路并不止一个输入/输出端口，以两个输入/输出端口的静电放电防护装置为例，如图5所示。图5中有高压电源线11、低压电源线15、两个第一二极管171和172、两个第二二极管161和162、静电存储单元13、放电电阻器14、功能电路12和两个输入/输出端口。在静电放电事件发生时，以第一输入/输出端口181对第二输入/输出端口182施加正的ESD电压为例，静电脉冲从第一输入/输出端口181开始，通过第一输入/输出端口181与高压电源线11之间的第一二极管171将静电脉冲传递到高压电源线11，由高压电源线11与低压电源线15之间的电容器13吸收掉，将静电脉冲信号传递到低压电源线，并由第二二极管172传递到第二输入/输出端口182，将静电脉冲释放出去。由于在此静电路径上采用的均为二极管的正偏特性，电压降较小，并且静电存储单元电容大于0.22μF，也可将高压电源与低压电源之间的电压降箝位在远低于功能电路工作电压水平，由此，静电脉冲在所经过路径上的电压降可控制在小于功能电路损伤的电压以下，达到静电放电防护效果。电容器13吸收的电荷，通过放电电阻器14释放掉。
实际应用中，有些电路会有多个功能电路，并且使用到不同的高压电源和低压电源，如图6所示。图6中共有2个高压电源线（111、112）、2个低压电源线（151、152）、2个第一二极管（171、172）、两个第二二极管（161、162）、2个功能电路（121、122）、两个静电存储单元（131、132）、三个放电电阻器（141、142、143）和一个ESD防护单元19。以ESD防护单元是电容器为例，在电路正常工作时，ESD防护单元两头是直流电源线，并且放电电阻器阻抗非常大，低压电源线151与低压电源线152之间是电性分离的；当第一输入/输出端口181对第二输入/输出端口182施加正ESD时，静电脉冲从输入/输出端口181开始，经过正偏二极管171、第一高压电源线111到达第一电容器131处，并耦合到第一地线151，通过ESD防护单元电容器19耦合到第二地线152，经过正偏二极管162到达第二功能电路的输入/输出端口处释放出去。在此静电路径上，所经二极管均为正偏特性，并且电容大于0.22μF，通过设置电容的大小，吸收静电脉冲后可将电压箝位在小于功能电路工作电压的水平，达到静电放电防护效果。电容器吸收电荷后，可通过静电释放电阻器141、143和第二二极管162释放掉。此外，将ESD防护单元19放置在高压电源线之间，低压电源线之间或者在高压电源线与低压电源线之间，或者各种放置方法的组合，如图7、图8所示，均能达到静电放电保护的效果。其中，图7中，第一高压电源线111和第二低压电源线152之间设有第一ESD防护单元191，第一低压电源线151和第二高压电源线112之间设有第二ESD防护单元192；图8中，第一高压电源线111和第二高压电源线112之间设有第一ESD防护单元191，第一低压电源线151和第二低压电源线152之间设有第二ESD防护单元192。
上述的ESD防护单元，除了可以是一个电容器，还可以由至少2个电容器组成，多个电容器彼此相互串联和/或并联于高压电源线之间、低压电源线之间和/或高压电源线与低压电源线之间；或者，该ESD防护单元由1个二极管组成，该二极管电连接于高压电源线之间、低压电源线之间和/或高压电源线与低压电源线之间；或者，该ESD防护单元由至少2个二极管组成，多个二极管相互串联在高压电源线之间、低压电源线之间和/或高压电源线与低压电源线之间；或者该ESD防护单元中，所述二极管为1个二极管与1个或2个以上串联二极管极性相反并联在所述高压电源线之间、低压电源线之间和/或高压电源线与低压电源线之间；或者所述二极管为2个以上串联二极管与1个或2个以上串联二极管极性相反并联在所述高压电源线之间、低压电源线之间和/或高压电源线与低压电源线之间。使用二极管结构制作ESD防护单元时，具体配置方法需与实际使用的ESD防护单元情况决定，以达到正常工作时电性隔离，静电事件发生时ESD防护单元导致的电压降最小、或者性价比最高为指导原则。此外，在有些情况下可将两个高压电源线短路和/或两个低压电源线短路，如两个低压电源线相互影响可以忽略时将两个低压电源线短路，可视为两个低压电源线之间使用了ESD防护单元，如图9所示，采用短路线作为ESD防护单元时无须放置放电电阻器。
此外，本实用新型提供的静电放电防护装置，与传统的其它箝位电路（如瞬变抑制二极管、压敏电阻器、金属氧化物半导体、可控硅等为基础制作的箝位电路）过压保护结构提高电路静电放电防护性能的方法是兼容的，相应箝位电路可制作在功能电路内部、和/或与静电存储单元并联放置，如图10和图11所示。以RC阻容电路触发NMOS管箝位电路放置在功能电路内部为例，如图10所示，考虑到闩锁防护性能，要求NMOS管维持闩锁需要的最小电压大于工作电压，以3.3V工作电压为例，其维持闩锁的最小电压通常要求大于3.5V，即RC阻容电路触发NMOS管箝位电路的开启电压通常要求大于3.5V，以电容器13电容值等于1μF为例，在8000V HBM脉冲作用下，电容器吸收脉冲后的箝位电压为1.2V，此时RC阻容电路触发NMOS管箝位电路还未开启，采用更大电容值的电容器，箝位电压可以控制到更小水平。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (19)
1.一种静电放电防护装置，包括一个高压电源线、一个低压电源线、第一二极管、第二二极管、静电存储单元、放电电阻器、功能电路，其中，静电存储单元、放电电阻器并联地电连接于所述高压电源线和低压电源线之间；第一二极管负极电连接于所述高压电源线，第一二极管正极电连接于所述功能电路的输入/输出端口；第二二极管负极电连接于所述功能电路的输入/输出端口，第二二极管正极电连接于所述低压电源线；所述功能电路电连接于所述高压电源线、低压电源线之间，由高压电源线和低压电源线供电，并且通过输入/输出端口与外部信号线相连。
2.根据权利要求1所述的静电放电防护装置，其特征在于：所述第一二极管由1个第一二极管组成。
3.根据权利要求1所述的静电放电防护装置，其特征在于：所述第一二极管由至少2个第一二极管组成，所述至少2个第一二极管彼此串联或并联连接。
4.根据权利要求1所述的静电放电防护装置，其特征在于：所述第二二极管由1个第二二极管组成。
5.根据权利要求1所述的静电放电防护装置，其特征在于：所述第二二极管由至少2个第二二极管组成，所述至少2个第二二极管彼此串联或并联连接。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的静电放电防护装置，其特征在于：所述二极管为PN结二极管和/或肖特基二极管。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的静电放电防护装置，其特征在于：所述二极管与功能电路集成在同一芯片上，或者所述二极管与功能电路封装在同一管壳内，或者所述二极管与功能电路制作在同一电路板上。
8.根据权利要求1所述的静电放电防护装置，其特征在于：所述静电存储单元由1个电容器组成，所述电容器的电容值大于或等于0.22μF。
9.根据权利要求1所述的静电放电防护装置，其特征在于：所述静电存储单元由至少2个电容器组成，所述至少2个电容器彼此相互串联或并联，串联或并联后电容值大于或等于0.22μF。
10.根据权利要求8或9所述的静电放电防护装置，其特征在于：所述电容器与功能电路集成在同一芯片上，或者所述电容器与功能电路封装在同一管壳内，或者所述电容器与功能电路制作在同一电路板上。
11.根据权利要求1所述的静电放电防护装置，其特征在于：所述静电放电防护装置还设有其它箝位电路。
12.根据权利要求1所述的静电放电防护装置，其特征在于：所述放电电阻器与功能电路集成在同一芯片上，或者所述放电电阻器与功能电路封装在同一管壳内，或者所述放电电阻器与功能电路制作在同一电路板上。
13.一种静电放电防护系统，其包括如权利要求1-12中任一个所述的多个静电放电防护装置，其中每个静电放电防护装置中的高压电源线与其他静电放电防护装置中的高压电源线之间、每个静电放电防护装置中的低压电源线与其他静电放电防护装置中的低压电源线之间和/或每个静电放电防护装置中的高压电源线与其他静电放电防护装置中的低压电源线之间电连接有静电放电（ESD）防护单元，用于在所述装置正常工作时将与所述静电放电防护单元电连接的电源线进行电性分离，在静电放电发生时将与所述静电放电防护单元电连接的电源线进行电性短接。
14.根据权利要求13所述的静电放电防护系统，其特征在于：所述静电放电防护单元由1个电容器组成。
15.根据权利要求13所述的静电放电防护系统，其特征在于：所述静电放电防护单元由至少2个电容器组成，所述至少2个电容器彼此相互串联或并联。
16.根据权利要求13所述的静电放电防护系统，其特征在于：所述静电放电防护单元由1个二极管组成。
17.根据权利要求13所述的静电放电防护系统，其特征在于：所述静电放电防护单元由至少2个二极管组成，所述二极管相互串联；或者所述二极管为1个二极管与1个或2个以上串联二极管极性相反地并联；或者所述二极管为2个以上串联二极管与1个或2个以上串联二极管极性相反地并联。
18.根据权利要求13所述的静电放电防护系统，其特征在于：每个静电放电防护装置中的高压电源线与其他静电放电防护装置中的高压电源线之间、每个静电放电防护装置中的低压电源线与其他静电放电防护装置中的低压电源线之间和/或每个静电放电防护装置中的高压电源线与其他静电放电防护装置中的低压电源线之间至少电连接有1个放电电阻器，用于释放电源间存储电荷。
19.根据权利要求13所述的静电放电防护系统，其特征在于：在每个静电放电防护装置中的高压电源线与其他静电放电防护装置中的高压电源线之间、和/或每个静电放电防护装置中的低压电源线与其他静电放电防护装置中的低压电源线之间使用短路线作为静电放电防护单元。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: BEIJING CAS MICRO-INVESTMENT MANAGEMENT CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: INST OF MICROELECTRONICS, C. A. S Effective date: 20131226 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20131226 Address after: 100029 Beijing city Chaoyang District Beitucheng West Road No. 3, building 15, room 328 Patentee after: Beijing Zhongke micro Investment Management Co.,Ltd. Address before: 100029 Beijing city Chaoyang District Beitucheng West Road No. 3 Patentee before: Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences |
|
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: BEIJING ZHONGKE NEWMICROT TECHNOLOGY DEVELOPMENT C Free format text: FORMER OWNER: BEIJING CAS MICRO-INVESTMENT MANAGEMENT CO., LTD. Effective date: 20140108 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20140108 Address after: 100029 Beijing city Chaoyang District Beitucheng No. 11 Institute of microelectronics building 4 layer Patentee after: BEIJING ZHONGKE XINWEITE SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd. Address before: 100029 Beijing city Chaoyang District Beitucheng West Road No. 3, building 15, room 328 Patentee before: Beijing Zhongke micro Investment Management Co.,Ltd. |
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| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20121121 |