CN219067844U - Io电路的保护电路及系统、芯片 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种IO电路的保护电路及系统、芯片，保护电路包括跟踪电源、信号开关管以及保护电阻，跟踪电源的输入端连接IO电路的电源电压，跟踪电源的输出端连接信号开关管的第一端，信号开关管的第二端连接保护电阻的一端，信号开关管的第三端连接目标芯片，保护电阻的另一端连接所述IO电路的输出/输入端。本申请通过利用跟踪电源配合信号开关管的压控开关特性，保持对输出数字信号电平的跟踪，当IO电路出现高电压时对IO电路进行快速关断，如此可以实现对IO电路全电压范围的灵敏保护。

Description

IO电路的保护电路及系统、芯片
技术领域
本申请涉及高压保护电路技术领域，尤其涉及一种IO电路的保护电路及系统、芯片。
背景技术
目前在对芯片进行烧录、测试时，芯片烧录器和芯片测试机需要通过IO电路输出或输入数字信号给目标芯片，而目标芯片可能输出超出IO电路承受范围的高电压信号，导致IO电路被损坏。
现有技术中一般高电压保护电路采用压敏类器件进行电压钳位处理，来保护IO电路不会承受高电压或者采用电压比较器来检测高电压并断开IO电路的方式来进行保护。
但是采用现有技术会存在如下问题：
1、采用通过压敏类器件进行电压钳位处理时，压敏类器件比如亚敏电阻或者TVS二极管等，在IO电路上出现过电压时，其自身呈现低阻抗来始终对IO电路上的电压进行钳位，以此来保护IO电路，这种方式在IO电路出现高电压时，保护器件会产生非常高的功耗，因此只适用于由于静电导致的高电压进行保护(因为静电导致的高电压放电持续时间非常短，一般小于1微秒)，更大功率的保护器件能够对持续数十微秒的高压脉冲进行有效保护。但是在芯片烧录、测试时，目标芯片管脚上出现的高电压信号持续时间远远超过数十微秒，这种情况下保护器件将会出现过热失效等破坏性的损坏，导致IO电路最终出现故障。
2、通过电压比较器检测高电压，并断开IO电路的方式，需要电路提供电压比较器、基准电压源、高速开关电路等，导致电路复杂、占用PCB面积过大且成本较高。
发明内容
本申请实施例的目的在于提出一种IO电路的保护电路及系统、芯片，能够解决现有技术中采用压敏类器件进行电压钳位处理时带来电路复杂、占用PCB面积过大且成本较高等问题。
为了解决上述技术问题，本申请实施例提供一种IO电路的保护电路，所述保护电路包括跟踪电源、信号开关管以及保护电阻，所述跟踪电源的输入端连接所述IO电路的电源电压，所述跟踪电源的输出端连接所述信号开关管的第一端，所述信号开关管的第二端连接所述保护电阻的一端，所述信号开关管的第三端连接目标芯片，所述保护电阻的另一端连接所述IO电路的输出/输入端。
其中，所述跟踪电源用于对所述IO电路输出的数字信号电平进行跟踪，所述信号开关管用于当所述IO电路出现高电压时，对所述IO电路进行快速关断。
其中，所述信号开关管为场效应场效应晶体管。
其中，所述信号开关管为N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管或P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管中的一种。
其中，所述跟踪电源的输出电压大于所述IO电路的电源电压，且二者的电压差值为2.5V。
其中，所述保护电路的最低保护动作电压为：
VGR–VGth＝VIO+1.5V
其中，VGR为所述跟踪电源的输出电压，VGth为场效应晶体管的最大开启电压，VIO为所述IO电路的电源电压。
其中，所述保护电路进一步包括第一电阻，所述第一电阻的第一端连接所述跟踪电源的输出端，所述第一电阻的第二端连接所述信号开关管的第一端。
其中，所述保护电路进一步包括瞬态二极管，所述瞬态二极管的一端连接所述信号开关管的第一端，所述瞬态二极管的另一端连接所述信号开关管的第三端。
为了解决上述技术问题，本申请实施例还提供一种IO电路系统，所述IO电路系统包括IO电路以及上述任一所述的保护电路。
为了解决上述技术问题，本申请实施例又提供一种芯片，所述芯片包括上述所述的IO电路系统，所述芯片通过所述IO电路系统与外部设备进行数据交互。
与现有技术相比，本申请实施例主要有以下有益效果：
本申请提供一种IO电路的保护电路及其系统、芯片，通过利用跟踪电源配合信号开关管的压控开关特性，保持对输出数字信号电平的跟踪，当IO电路出现高电压时对IO电路进行快速关断，如此可以实现对IO电路全电压范围的灵敏保护。且采用本申请的保护电路还具备保护电压阈值低、保护动作更灵敏，比较低的反向高电压也可保护性关断；电路结构简单，占用PCB面积小、成本低以及可以保护持续施加的反向高电压等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请中的方案，下面将对本申请实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请IO电路的保护电路一实施方式的结构示意图。
具体实施方式
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。本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本申请针对背景技术中存在的问题，开创性的采用简洁而巧妙的电路结构，利用MOSFET器件的电压控制开关的特性，当IO电路出现高电压时，对IO电路进行快速关断来实现电路保护的目的。且在芯片烧录、测试时，IO电路的输出数字信号电平需要根据烧录、测试的需要变化，本申请设计跟踪电源，保持对输出数字信号电平的跟踪，实现IO电路全电压范围的灵敏保护，下面结合本申请的具体电路结构详细介绍本申请的技术方案。
请参照图1，图1是本申请IO电路的保护电路一实施方式的结构示意图，如图1，本申请提供的保护电路100包括跟踪电源110、信号开关管120以及保护电阻130。
其中，跟踪电源110的输入端VIN连接IO电路200的电源电压VIO，所述跟踪电源110的输出端VOUT连接信号开关管120的第一端，所述信号开关管120的第二端连接所述保护电阻R1的一端，所述信号开关管120的第三端连接目标芯片300，保护电阻R1的另一端连接所述IO电路200的输出/输入端B。
可以理解的是，本申请中通过采用简洁而巧妙的电路结构，当IO电路200出现高电压时，利用信号开关管120对IO电路进行快速关断，且采用跟踪电源对IO电路输出的数字信号电平进行跟踪，能够实现对IO电路的全电压范围进行灵敏保护。
进一步，本申请中信号开关管120可以为场效应场效应晶体管，具体可以为N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管或P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管中的一种。
可选地，在本申请一具体应用场景中，信号开关管120可以采用N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(N沟道MOSFET器件)，N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极(G)连接跟踪电源110的输出端VOUT，所述N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的源极(S)连接保护电阻130的一端，所述N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极(D)连接所述目标芯片300。本申请中采用N沟道MOSFET是保护电路的压控开关器件，负责在电路出现反向高电压时关断电路，使得IO电路200免受高电压的危害，且N沟道MOSFET自身的栅极需要进行过压保护，防止高电压对N沟道MOSFET自身的击穿。因此，本申请的保护电路100中还包括瞬态二极管140，所述瞬态二极管140的一端连接所述信号开关管120的第一端，即N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极(G)，所述瞬态二极管140的另一端连接所述信号开关管120的第三端，即N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极(D)，如此便可以保护N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管本身不被损坏。当然在其他实施方式中，信号开关管120还可以采用P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管或其他压控开关器件来代替，此处不作具体限定。
可选地，本申请中跟踪电源110具有电压自动跟随能力，且所述跟踪电源110的输出电压VOUT大于IO电路110的电源电压VIO，且二者的电压差值为2.5V。可以理解的是，本申请中选择2.5V的原因在于信号开关管120(本实施例中为N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管)的最大开启电压值VGth为1.5V，跟踪电源110作为MOSFET的栅极电压需要至少比IO电路200的电源电压大1.5V，如此才能保证正常使用时N沟道MOSFET处于打开状态，且选择2.5V是留出1V的电压裕量，防止因为电路参数的微小波动导致电路工作在不稳定的边缘状态。可以理解的是，本申请中还可以采用固定的参考电压源(电压值为VGC)代替跟踪电源，电路的保护功能依然有效，只是保护电压阈值固定为VGC–VGth，此处不做具体限定。
进一步，本申请中保护电路100的最低保护动作电压为：
VGR–VGth＝VIO+1.5V
其中，VGR为所述跟踪电源的输出电压，VGth为信号开关管120(本申请实施例中为N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管)的最大开启电压，VIO为所述IO电路的电源电压。
可以理解的是，本申请中最低保护动作电压很接近IO电路200输出电压，这是TVS二极管(瞬态拟制二极管)保护电路难以做到的，TVS二极管保护时，其钳位电压一般在VIO+4.0V。
此外，本申请还包括第一电阻Rg，所述第一电阻Rg的第一端连接所述跟踪电源110的输出端VOUT，所述第一电阻Rg的第二端连接所述信号开关管120的第一端，即N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极(G)。
下面结合图1的电路图，详细介绍本申请保护电路的工作原理：
1、IO电路正常工作过程，作为数字信号输出时；
可以理解的是，由于跟踪电源的输出电压VGR比IO电路的电源电压VIO大2.5V，信号开关管120(N沟道MOSFET)始终处于打开状态，IO电路200在附图1中③点的位置正常输出IO信号。
进一步，当作为数字信号输入时，输入信号电平同样比跟踪电源的输出电压VGR低2.5V以上，信号开关管120(N沟道MOSFET)处于打开状态，而且由于N沟道MOSFET属于双向器件，打开状态下，其漏极(D)和源极(S)之间呈现很低的沟道阻抗(一般小于1Ω)，因此输入的数字信号可以正常的传输到附图1中的②处。
2、当IO电路工作于输入状态时；
可以理解的是，图1中的①点出现反向高电压，由于信号开关管120(N沟道MOSFET)处于打开状态，附图1中的②点也等于反向高电压，这时信号开关管120(N沟道MOSFET)的VGS低于VGth，信号开关管120立刻关断，对IO电路200进行保护。其中，关断的响应时间小于1微秒，可以有效保证IO电路不会过压损坏。
3、当IO电路工作于输出状态时；
由于串联的保护电阻R1增大了IO电路200的输出电路内阻，当反向高电压施加在附图1中的②点时，由于串联的保护电阻R1的作用，反向高电压不会被拉低，使得信号开关管120也可以快速关断，实现对IO电路200进行保护。
上述实施方式中，通过利用跟踪电源配合信号开关管的压控开关特性，保持对输出数字信号电平的跟踪，当IO电路出现高电压时对IO电路进行快速关断，如此可以实现对IO电路全电压范围的灵敏保护。且采用本申请的保护电路还具备如下优点：
1、保护电压阈值低、保护动作更灵敏，比较低的反向高电压也可保护性关断；
2、电路结构简单，占用PCB面积小、成本低；
3、可以保护持续施加的反向高电压。
本申请实施例中还提供一种IO电路系统，所述IO电路系统包括IO电路以及上述实施例中所述的保护电路，且该保护电路的具体结构和实现原理详见上述说明书的具体描述，此处不再赘述。
本申请实施例中还提供一种芯片，所述芯片包括上述实施方式中的IO电路系统，所述芯片通过所述IO电路系统与外部设备进行数据交互。
上述实施方式中，通过利用跟踪电源配合信号开关管的压控开关特性，保持对输出数字信号电平的跟踪，当IO电路出现高电压时对IO电路进行快速关断，如此可以实现对IO电路全电压范围的灵敏保护。且采用本申请的保护电路还具备如下优点：
1、保护电压阈值低、保护动作更灵敏，比较低的反向高电压也可保护性关断；
2、电路结构简单，占用PCB面积小、成本低；
3、可以保护持续施加的反向高电压。
显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种IO电路的保护电路，其特征在于，所述保护电路包括跟踪电源、信号开关管以及保护电阻，所述跟踪电源的输入端连接IO电路的电源电压，所述跟踪电源的输出端连接所述信号开关管的第一端，所述信号开关管的第二端连接所述保护电阻的一端，所述信号开关管的第三端连接目标芯片，所述保护电阻的另一端连接所述IO电路的输出/输入端。
2.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述跟踪电源用于对所述IO电路输出的数字信号电平进行跟踪，所述信号开关管用于当所述IO电路出现高电压时，对所述IO电路进行快速关断。
3.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述信号开关管为场效应场效应晶体管。
4.根据权利要求3所述的保护电路，其特征在于，所述信号开关管为N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管或P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管中的一种。
5.根据权利要求3所述的保护电路，其特征在于，所述跟踪电源的输出电压大于所述IO电路的电源电压，且二者的电压差值为2.5V。
6.根据权利要求5所述的保护电路，其特征在于，所述保护电路的最低保护动作电压为：
VGR–VGth＝VIO+1.5V
其中，VGR为所述跟踪电源的输出电压，VGth为所述场效应晶体管的最大开启电压，VIO为所述IO电路的电源电压。
7.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述保护电路进一步包括第一电阻，所述第一电阻的第一端连接所述跟踪电源的输出端，所述第一电阻的第二端连接所述信号开关管的第一端。
8.根据权利要求1-7中任一所述的保护电路，其特征在于，所述保护电路进一步包括瞬态二极管，所述瞬态二极管的一端连接所述信号开关管的第一端，所述瞬态二极管的另一端连接所述信号开关管的第三端。
9.一种IO电路系统，其特征在于，所述IO电路系统包括IO电路以及权利要求1-8中任一所述的保护电路。
10.一种芯片，其特征在于，所述芯片包括权利要求9所述的IO电路系统，所述芯片通过所述IO电路系统与外部设备进行数据交互。
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