CN207320829U - 一种静电保护电路及电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种静电保护电路及电子设备，该设备保护电路通过监测至少一个仅在设备发生静电脉冲时发生变化的电参数，根据监测到的电参数，判断设备是否发生静电脉冲，在判断结果为设备发生静电脉冲时，输出用于触发设备进入保护状态的保护信号，这样就可以实现在电子设备发生ESD攻击时，对设备中的数据或者电路进行保护，避免了ESD对电子设备内数据及电路的损坏，解决了现有防ESD方式存在的在发生ESD时不能对数据和电路进行保护的技术问题。

Description

一种静电保护电路及电子设备

技术领域

本实用新型涉及静电保护领域，尤其涉及一种静电保护电路及电子设备。

背景技术

ESD(Electro-Static Discharge，静电泄放)在自然界是普遍存在且可能会随时发生的。对于微小的半导体芯片，如读卡器等电子设备来说，ESD的打击却是致命的，在电子设备没有工作时，它可在短时间之内产生很大的电流，会对芯片造成不可逆的损害；而在读卡器等电子设备在带电工作时，遇到ESD静电打击，会发生寄存器数据错乱从而导致通信异常、芯片死机或器件损坏等问题。

现有的防ESD方式主要包括两种：方式1、通过ESD保护器件/电路，形成放电通路，将ESD产生的大电流泄放掉，但是该方式1缺少报警机制，不能将需要保护的数据、电路保护起来；方式2、在芯片工作过程中，定时检查寄存器数据是否正确，如有异常就将芯片软复位，但该方式2会增加芯片功耗，且由于ESD发生的非常随机，如果出现在数据检查周期的间歇段，那么数据检查出问题之前，可能就使得内部计算错误。

实用新型内容

本实用新型提供一种静电保护电路及电子设备，以解决现有防ESD方式存在的在发生ESD时不能对数据和电路进行保护的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案:

一种设备保护电路，包括：依次连接的监测端口、判断电路及保护电路及输出端口；监测端口用于监测至少一个电参数，电参数仅在设备发生静电脉冲时发生变化；判断电路根据监测端口监测到的电参数，判断设备是否发生静电脉冲，并输出判断结果；保护电路用于在判断结果为设备发生静电脉冲时，通过输出端口输出保护信号，保护信号用于触发设备进入保护状态。

进一步地，判断电路包括第一反相器，第一反相器的输入端通过监测端口连接参考电压，第一反相器的控制端通过监测端口连接设备电压，第一反相器的输出端在设备电压与参考电压的差值小于翻转阈值时输出高电平、在设备电压与参考电压的差值大于翻转阈值时输出低电平；参考电压大小等于设备电压、且在设备发生静电脉冲时不变，设备电压在设备发生正静电脉冲时变大；保护电路用于在第一反相器的输出端输出低电平时，通过输出端口输出保护信号。

进一步地，判断电路包括第二反相器，第二反相器的输入端通过监测端口连接设备电压，第二反相器的控制端通过监测端口连接参考电压，第二反相器的输出端在参考电压与设备电压的差值小于翻转阈值时输出高电平、在参考电压与设备电压的差值大于翻转阈值时输出低电平；参考电压大小等于设备电压、且在设备发生静电脉冲时不变，设备电压在设备发生负静电脉冲时变小；保护电路用于在第二反相器的输出端输出低电平时，通过输出端口输出保护信号。

进一步地，判断电路包括第三反相器、第四反相器及或非门器件；第三反相器的输入端通过监测端口连接参考电压，第三反相器的控制端通过监测端口连接设备电压，第三反相器的输出端在设备电压与参考电压的差值小于翻转阈值时输出低电平、在设备电压与参考电压的差值大于翻转阈值时输出高电平；第四反相器的输入端通过监测端口连接设备电压，第四反相器的控制端通过监测端口连接参考电压，第四反相器的输出端在参考电压与设备电压的差值小于翻转阈值时输出低电平、在参考电压与设备电压的差值大于翻转阈值时输出高电平；参考电压大小等于设备电压、且在设备发生静电脉冲时不变，设备电压在设备发生正静电脉冲时变大、且在设备发生负静电脉冲时变小；非门器件的第一输入端连接第三反相器的输出端，非门器件的第二输入端连接第四反相器的输出端，非门器件的输出端仅在非门器件的第一输入端及非门器件的第二输入端均输入低电平时，输出高电平；保护电路用于在或非门器件的输出端输出低电平时，通过输出端口输出保护信号。

进一步地，参考电压为设备中钳位电路的电阻与电容连接点的电压，设备电压为设备的供电电压；或者，参考电压为设备中芯片外部地电压，设备电压为设备中芯片内部地电压。

进一步地，第一反相器、第二反相器、第三反相器及第四反相器为施密特反相器。

进一步地，判断电路还包括调整电路，调整电路用于调整翻转阈值的大小。

进一步地，保护电路包括全局复位电路和/或数据收发电路，全局复位电路用于输出保护信号中的全局复位信号，数据收发电路用于输出保护信号中的数据收发使能关信号。

进一步地，保护电路还用于在通过输出端口输出保护信号之后，在判断结果为设备没有发生静电脉冲时，通过输出端口输出保护停止信号，保护停止信号用于触发设备进入正常读写状态。

一种电子设备，设置有本实用新型提供的静电保护电路。

本实用新型提供了一种静电保护电路及电子设备，该设备保护电路通过监测至少一个仅在设备发生静电脉冲时发生变化的电参数，根据监测到的电参数，判断设备是否发生静电脉冲，在判断结果为设备发生静电脉冲时，输出用于触发设备进入保护状态的保护信号，这样就可以实现在电子设备发生ESD攻击时，对设备中的数据或者电路进行保护，避免了ESD对电子设备内数据及电路的损坏，解决了现有防ESD方式存在的在发生ESD时不能对数据和电路进行保护的技术问题。

附图说明

图1为本实用新型实施例一提供的静电保护电路的结构示意图；

图2为本实用新型实施例二提供的判断电路的电路示意图；

图3为本实用新型实施例三提供的判断电路的电路示意图；

图4为本实用新型实施例四提供的判断电路的电路示意图；

图5为本实用新型实施例五提供的保护电路的电路示意图

图6为本实用新型实施例六涉及的现有电子设备的相关电路结构图；

图7为本实用新型实施例六提供的电子设备的相关电路结构图；

图8为本实用新型实施例六提供的静电保护方法的流程。

具体实施方式

本实用新型提供的静电保护电路适用于所有的电子设备，包括PC、手机、PAD、射频卡等。下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例一：

图1为本实用新型实施例一提供的静电保护电路的结构示意图，请参考图1，本实施例提供的静电保护电路1包括：依次连接的监测端口11、判断电路12及保护电路13及输出端口14；监测端口11用于监测至少一个电参数，电参数仅在设备发生静电脉冲时发生变化；判断电路12根据监测端口11监测到的电参数，判断设备是否发生静电脉冲，并输出判断结果；保护电路13用于在判断结果为设备发生静电脉冲时，通过输出端口14输出保护信号，保护信号用于触发设备进入保护状态。

本实施例通过监测至少一个仅在设备发生静电脉冲时发生变化的电参数，根据监测到的电参数，判断设备是否发生静电脉冲，在判断结果为设备发生静电脉冲时，输出用于触发设备进入保护状态的保护信号，这样就可以实现在电子设备发生ESD攻击时，对设备中的数据或者电路进行保护，避免了ESD对电子设备内数据及电路的损坏，解决了现有防ESD方式存在的在发生ESD时不能对数据和电路进行保护的技术问题。

实施例二：

图2为本实用新型实施例二提供的判读电路的结构示意图，请参考图2，本实施例提供的判断电路12包括第一反相器F1，第一反相器F1的输入端通过监测端口连接参考电压Vf，第一反相器F1的控制端通过监测端口连接设备电压Vs，第一反相器F1的输出端在设备电压与参考电压的差值小于翻转阈值Vth时输出高电平1、在设备电压与参考电压的差值大于翻转阈值时输出低电平0；参考电压大小等于设备电压、且在设备发生静电脉冲时不变，设备电压在设备发生正静电脉冲时变大；此时，保护电路13用于在第一反相器F1的输出端输出低电平0时，通过输出端口输出保护信号。

本实施例通过监测设备电压Vs，将其与参考电压Vf进行比较，在判断结果为设备发生正静电脉冲时，输出用于触发设备进入保护状态的保护信号，这样就可以实现在电子设备发生正ESD攻击时，对设备中的数据或者电路进行保护，避免了ESD对电子设备内数据及电路的损坏，解决了现有防ESD方式存在的在发生ESD时不能对数据和电路进行保护的技术问题。

实施例三：

图3为本实用新型实施例三提供的判读电路的结构示意图，请参考图3，本实施例提供的判断电路12包括第二反相器F2，第二反相器F2的输入端通过监测端口连接设备电压Vs，第二反相器F2的控制端通过监测端口连接参考电压Vf，第二反相器F2的输出端在参考电压与设备电压的差值小于翻转阈值时输出高电平、在参考电压与设备电压的差值大于翻转阈值时输出低电平；参考电压大小等于设备电压、且在设备发生静电脉冲时不变，设备电压在设备发生负静电脉冲时变小；此时，保护电路用于在第二反相器的输出端输出低电平时，通过输出端口输出保护信号。

本实施例通过监测设备电压Vs，将其与参考电压Vf进行比较，在判断结果为设备发生负静电脉冲时，输出用于触发设备进入保护状态的保护信号，这样就可以实现在电子设备发生负ESD攻击时，对设备中的数据或者电路进行保护，避免了ESD对电子设备内数据及电路的损坏，解决了现有防ESD方式存在的在发生ESD时不能对数据和电路进行保护的技术问题。

实施例四：

图4为本实用新型实施例四提供的判读电路的结构示意图，请参考图4，本实施例提供的判断电路12包括第三反相器F3、第四反相器F4及或非门器件NOR；第三反相器F3的输入端通过监测端口连接参考电压Vf，第三反相器F3的控制端通过监测端口连接设备电压Vs，第三反相器F3的输出端在设备电压与参考电压的差值小于翻转阈值时输出低电平、在设备电压与参考电压的差值大于翻转阈值时输出高电平；第四反相器F4的输入端通过监测端口连接设备电压，第四反相器F4的控制端通过监测端口连接参考电压，第四反相器F4的输出端在参考电压与设备电压的差值小于翻转阈值时输出低电平、在参考电压与设备电压的差值大于翻转阈值时输出高电平；参考电压大小等于设备电压、且在设备发生静电脉冲时不变，设备电压在设备发生正静电脉冲时变大、且在设备发生负静电脉冲时变小；非门器件NOR的第一输入端连接第三反相器F3的输出端，非门器件NOR的第二输入端连接第四反相器F4的输出端，非门器件NOR的输出端仅在非门器件的第一输入端及非门器件的第二输入端均输入低电平时，输出高电平；此时，保护电路13用于在或非门器件NOR的输出端输出低电平时，通过输出端口输出保护信号。

本实施例通过监测设备电压Vs，将其与参考电压Vf进行比较，在判断结果为设备发生负静电脉冲及正静电脉冲时，输出用于触发设备进入保护状态的保护信号，这样就可以实现在电子设备发生正ESD攻击及负ESD攻击时，对设备中的数据或者电路进行保护，避免了ESD对电子设备内数据及电路的损坏，解决了现有防ESD方式存在的在发生ESD时不能对数据和电路进行保护的技术问题。

在实际应用中，如图7所示，参考电压Vf为设备中钳位电路的电阻R与电容C连接点的电压，设备电压Vs为设备的供电电压Vdd，本实施例将在下文进行具体描述，此处不再赘述。

地弹是指芯片内部地电平相对于电路板地电平的变化现象，以电路板等芯片外地为参考，就像是芯片内部的地电平不断的跳动，在实际应用中，ESD将会导致芯片内部的地电平变化，那么也可以基于地弹进行ESD检测，此时，参考电压Vf为设备中芯片外部地电压，设备电压Vs为设备中芯片内部地电压。

在实际应用中，第一反相器、第二反相器、第三反相器及第四反相器为施密特反相器。本实施例利用Schmitt反相器，静态功耗基本可以不计，因为功耗低，所以可以直接挂在电源上，上电后一直检测；同时Schmitt本身结构简单，占用芯片的面积小。

进一步地，判断电路12还包括调整电路，调整电路用于调整翻转阈值的大小，其实现简单，不再赘述。

实施例五：

图5为本实用新型实施例五提供的判读电路的结构示意图，请参考图5，本实施例提供的保护电路13包括全局复位电路131和/或数据收发电路132，全局复位电路131用于输出保护信号中的全局复位信号，数据收发电路132用于输出保护信号中的数据收发使能关信号。同时，保护电路13还用于在通过输出端口输出保护信号之后，在判断结果为设备没有发生静电脉冲时，通过输出端口输出保护停止信号，保护停止信号用于触发设备进入正常读写状态。

本实施例提供了两种具体的保护策略，通过全局复位，保护了电路不被ESD损坏，通过使能关数据收发，保护了数据不会出现混乱，解决了现有防ESD方式存在的在发生ESD时不能对数据和电路进行保护的技术问题。

实施例六：

图6为本实用新型实施例六涉及的现有电子设备的相关电路结构图，由图6可知，利用ESD保护器件/电路，在ESD发送时产生的泄放通路，将大电流放掉，进而保护芯片；ESD保护器件包括二极管，双极结型晶体管(BJT)，栅极接地NMOS管(GGNMOS)，低电压触发可控硅整流器(LVTSCR)等。如图6所示，ESD器件/电路能够被动保护芯片，使其不被ESD击穿，但因为缺少检测、报警机制，无法主动保护内部数据的安全。

为此，如图7所示，本实施例提供了一种具体的电子设备，其包括本实用新型提供的静电保护电路，本实施例是在ESD保护网络的基础上，实时检测带电ESD事件的发生，及时报警，利用报警信号全局复位芯片，并将切断数据接收/发送。这样，既能通过ESD保护网络对大电流泄放，又能在低功耗情况下实时检测芯片是否被ESD攻击，从而及时报警复位，同时关闭接收/发送数据，保护片内数据的安全准确。

在图6涉及的钳位电路中，将R、C接触点作为带电ESD检测点，命名为V_DET。

带电ESD检测原理图如图7所示，主要包括电源VCC(即前述实施例中的设备电压Vs)、地VSS，钳位电路中的R和C，RC节点为检测点V_DET(即前述实施例中的参考电压Vf)，分别接Schmitt1(即前述实施例中的反相器F3)、Schmitt2(即前述实施例中的反相器F4)的输入端和电源端。Schmitt1、Schmitt 2的输出分别为VO1、VO2，同时接到或非门NOR输入端，或非门输出OUT，接复位扩展电路(即前述实施例中的全局复位电路131)。复位扩展后输出复位信号RST，RST同时控制数据收/发控制模块(即前述实施例中的数据收发电路132)，再输出接收/发送控制使能R_EN。

Schmitt1、Schmitt2是调整了触发点的施密特反相器，它们的电源分别接VCC和V_DET。当芯片上电后，V_DET≈VCC。此时，Schmitt1、2均输出低，NOR或非操作后，输出高，表示复位释放，芯片正常工作；

当带电ESD脉冲对VCC打击时，考虑正/负ESD脉冲情况：

正ESD脉冲，会将VCC抬高，此时Schmitt1的翻转点抬高，而电容C会将V_DET保持原值，当VCC与V_DET差值超过Schmitt1的翻转阈值时，VO1变高，NOR后为低，表示需要复位，经过复位扩展后，全局复位，且接收/发送使能关；

负ESD脉冲，会将VCC降低，此时Schmitt2的输入端电压降低，而电容C会将V_DET保持原值，当VCC与V_DET差值超过Schmitt2的翻转阈值时，VO2变高，NOR后为低，表示需要复位，经过复位扩展后，全局复位，且接收/发送使能关；

因此，无论正/负带电ESD脉冲，都可以触发全局复位和接收/发送使能。调节Schmitt反相器的阈值，就可以调节带电ESD检测的灵敏度。而阈值的调节，要比普通反相器更低，但同时又不能影响正常工作，避免产生误报警。

本实施例的优点包括：

功耗低；利用Schmitt反相器，静态功耗基本可以不计；

实时检测；因为功耗低，所以可以直接挂在电源上，上电后一直检测；

面积小；由于利用ESD网络本身的电阻、电容，而Schmitt本身结构简单，面积小。

如图8所示，本实施例提供的静电保护方法包括以下：

S801：上电。外部VCC上电，芯片开始工作。带电ESD检测模块工作。

S802：检测。实时检测带电ESD脉冲。

S803：判断。带电ESD脉冲来时，检测其正/负脉冲是否超过阈值。若超过阈值，触发全局复位并切断数据接收/发送(S804)；若未超过阈值，输出复位释放态另芯片正常工作(S805)。

S804：全局复位。正/负带电ESD脉冲超过阈值时，触发全局复位并切断数据接收/发送。同时继续检测ESD脉冲情况。

S805：复位释放。当带电ESD脉冲过去，V_DET电压恢复到阈值以内后，就会复位释放，令芯片正常工作。

本实施例借用ESD网络本身的电阻、电容，不需要额外增加面积，Schmitt反相器无需静态偏置，检测电路本身功耗非常小；灵活使用Schmitt反相器的电源端和输入端，可以检测正/负脉冲的带电ESD；可以调节Schmitt方向器的阈值，控制检测的灵敏度；复位扩展产生一定复位脉宽，待ESD脉冲完全过去后，再让芯片复位释放。

通过以上实施例的实施可知，本实用新型具备以下有益效果：

本实用新型提供了一种静电保护电路及电子设备，该设备保护电路通过监测至少一个仅在设备发生静电脉冲时发生变化的电参数，根据监测到的电参数，判断设备是否发生静电脉冲，在判断结果为设备发生静电脉冲时，输出用于触发设备进入保护状态的保护信号，这样就可以实现在电子设备发生ESD攻击时，对设备中的数据或者电路进行保护，避免了ESD对电子设备内数据及电路的损坏，解决了现有防ESD方式存在的在发生ESD时不能对数据和电路进行保护的技术问题。

以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种静电保护电路，其特征在于，包括：依次连接的监测端口、判断电路及保护电路及输出端口；所述监测端口用于监测至少一个电参数，所述电参数仅在设备发生静电脉冲时发生变化；所述判断电路根据所述监测端口监测到的电参数，判断设备是否发生静电脉冲，并输出判断结果；所述保护电路用于在所述判断结果为设备发生静电脉冲时，通过所述输出端口输出保护信号，所述保护信号用于触发所述设备进入保护状态。

2.如权利要求1所述的静电保护电路，其特征在于，所述判断电路包括第一反相器，所述第一反相器的输入端通过所述监测端口连接参考电压，所述第一反相器的控制端通过所述监测端口连接设备电压，所述第一反相器的输出端在所述设备电压与所述参考电压的差值小于翻转阈值时输出高电平、在所述设备电压与所述参考电压的差值大于翻转阈值时输出低电平；所述参考电压大小等于所述设备电压、且在所述设备发生静电脉冲时不变，所述设备电压在所述设备发生正静电脉冲时变大；所述保护电路用于在所述第一反相器的输出端输出低电平时，通过所述输出端口输出保护信号。

3.如权利要求1所述的静电保护电路，其特征在于，所述判断电路包括第二反相器，所述第二反相器的输入端通过所述监测端口连接设备电压，所述第二反相器的控制端通过所述监测端口连接参考电压，所述第二反相器的输出端在所述参考电压与所述设备电压的差值小于翻转阈值时输出高电平、在所述参考电压与所述设备电压的差值大于翻转阈值时输出低电平；所述参考电压大小等于所述设备电压、且在所述设备发生静电脉冲时不变，所述设备电压在所述设备发生负静电脉冲时变小；所述保护电路用于在所述第二反相器的输出端输出低电平时，通过所述输出端口输出保护信号。

4.如权利要求1所述的静电保护电路，其特征在于，所述判断电路包括第三反相器、第四反相器及或非门器件；所述第三反相器的输入端通过所述监测端口连接参考电压，所述第三反相器的控制端通过所述监测端口连接设备电压，所述第三反相器的输出端在所述设备电压与所述参考电压的差值小于翻转阈值时输出低电平、在所述设备电压与所述参考电压的差值大于翻转阈值时输出高电平；所述第四反相器的输入端通过所述监测端口连接设备电压，所述第四反相器的控制端通过所述监测端口连接所述参考电压，所述第四反相器的输出端在所述参考电压与所述设备电压的差值小于翻转阈值时输出低电平、在所述参考电压与所述设备电压的差值大于翻转阈值时输出高电平；所述参考电压大小等于所述设备电压、且在所述设备发生静电脉冲时不变，所述设备电压在所述设备发生正静电脉冲时变大、且在所述设备发生负静电脉冲时变小；所述非门器件的第一输入端连接所述第三反相器的输出端，所述非门器件的第二输入端连接所述第四反相器的输出端，所述非门器件的输出端仅在所述非门器件的第一输入端及所述非门器件的第二输入端均输入低电平时，输出高电平；所述保护电路用于在所述或非门器件的输出端输出低电平时，通过所述输出端口输出保护信号。

5.如权利要求2至4任一项所述的静电保护电路，其特征在于，所述参考电压为所述设备中钳位电路的电阻与电容连接点的电压，所述设备电压为所述设备的供电电压；或者，所述参考电压为所述设备中芯片外部地电压，所述设备电压为所述设备中芯片内部地电压。

6.如权利要求2至4任一项所述的静电保护电路，其特征在于，第一反相器、第二反相器、第三反相器及第四反相器为施密特反相器。

7.如权利要求2至4任一项所述的静电保护电路，其特征在于，所述判断电路还包括调整电路，所述调整电路用于调整所述翻转阈值的大小。

8.如权利要求1至4任一项所述的静电保护电路，其特征在于，所述保护电路包括全局复位电路和/或数据收发电路，所述全局复位电路用于输出所述保护信号中的全局复位信号，所述数据收发电路用于输出所述保护信号中的数据收发使能关信号。

9.如权利要求8所述的静电保护电路，其特征在于，所述保护电路还用于通过所述输出端口输出保护信号之后，在所述判断结果为设备没有发生静电脉冲时，通过所述输出端口输出保护停止信号，所述保护停止信号用于触发所述设备进入正常读写状态。

10.一种电子设备，其特征在于，设置有如权利要求1至9任一项所述的静电保护电路。