JP2009534845A - 電力状態の検出によるesdクランプ制御 - Google Patents
電力状態の検出によるesdクランプ制御 Download PDFInfo
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Abstract
本発明によれば、デバイスの望ましくないトリガリングを防止するためのトリガ回路を制御することにより、ESD保護回路に対する改善が提供される。回路はESDクランプを備えており、該クランプにトリガ回路が結合されている。クランプおよびトリガ回路は、いずれも第1の基準電位に結合されている。回路は、さらに、トリガ回路に結合された制御ラインを備えている。制御ラインは第2の基準電位に結合されており、この第2の基準電位に電力が供給されるとトリガ回路を不能にし、また、第2の基準電位に電力が供給されない場合、トリガ回路を使用可能状態にするようにトリガ回路の挙動をさらに制御している。
Description
本出願は、いずれも参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、2006年4月21日に出願した米国仮出願第60/794,078号および2006年4月21日に出願した米国仮出願第60/794,297号の利益を主張するものである。
本発明は一般に静電放電(ESD)保護回路の分野に関し、より詳細には集積回路(IC)の保護回路におけるトリガ回路の制御の改善に関している。
ICの敏感な接続点をESD応力から保護するためには、回路内の特定のポイントにESDクランプを配置しなければならない。ESDクランプの重要な部品はトリガ・デバイスである。トリガ・デバイスは、ESD事象を検出してESDクランプをターン・オンすることができる。トリガ・デバイスは、MOS、SCRまたは他のEDSクランプなどの任意のESDクランプと組み合わせて使用することができる。
トリガ・デバイスを構築するための多くの異なるトポロジーが存在している。図1に示されている、RC時定数トリガリングに基づく電力保護クランプの回路100の従来技術による実施態様は、このような実施例の1つを示したものである。回路100は、電流を導くためにアクティブ・モードで使用される、MOSトランジスタであるESDクランプMP102を備えている。この大型MOSデバイスMP102は、Vdd電源ラインであることが好ましい第1の電圧104と、Vss電源ラインであることが好ましい第2の電圧106の間に接続されている(ドレイン−ソース)。この大型MOSデバイス102または上で参照した組合せは、主ESDクランプまたは保護エレメントと呼ばれている。抵抗器(R1)108は、ESD MOSデバイス102のゲートと第1の電圧104の間に接続されている。また、回路100は、もう1つのMOSデバイス(MN)110からなっており、このMOSデバイス(MN)110のソースは、ESD MOSデバイス102のゲート端子に接続されている。トリガ回路は、ESD MOSクランプ102のゲート端子に提供されたコンデンサC112および抵抗器R2 114とMOSデバイス110とからなっている。したがって、MOSゲート信号は、通常、(MOS)キャパシタンス112および(MOS)抵抗器114からなるRCタイマー回路から直接または間接的に引き出されている。
このRCフィルタ・スキームの時定数は、R110およびC108エレメントの実際の値で決まる。従来技術による実施態様は、通常、50ns〜5μs程度の時定数を有している。この方法の主な着想は、ESD応力の間、ESD保護クランプ102が、VDDライン上の電圧104が極めて速やかに上昇する(50ns〜5μsの範囲より速く上昇する)導通モードにあることである。それにより、チップを処理している間およびチップを輸送している間、良好なESD保護が保証される。
チップすなわちESD保護クランプ102、MOSデバイス112および抵抗R(20)114がPCB基板上で配線され、かつ、システム内でパワー・アップされる場合、RCフィルタからのキャパシタンスC112が充電され、MOSクランプ110がターン・オフし、OFF信号が主ESDクランプ102に送信される。チップがオン状態にある間に高速電圧/電流パルスが電源ラインに印加されると、場合によってはキャパシタンスC112上の電圧が変化し、そのためにMOSクランプ・デバイス110にON信号がもたらされ、それにより主MOS ESDクランプ102が導通状態になり、延いては短時間の間、電源電圧が降下することになる。したがって、図2および3を参照して以下で説明するように、これらの高速パルスによって正規の動作中に電力クランプ102が不必要に導通状態にトリガされることがある。
図2を参照すると、チップ206の出力パッド204(内部または外部)に配置された回路によって画定された出力ドライバ202から見た負荷変化201を含んだ図1の回路100の従来技術による実施態様が示されている。負荷変化201がある値から他の値へ変化すると、出力ドライバ202を通って電流が流れ、したがって電源Vdd104はもはや一定ではなく、つまり安定ではなく、若干のスパイクが電源に導入されることになる。電源Vdd104がもはや安定でなくなると、それは、回路100のESDクランプ102のトリガ・エレメント(C112およびR114)からは高速事象として観察され、したがってESD事象として定義される。トリガ・エレメントは、オン状態では主ESDクランプ102をターンさせ、ESDクランプ102を通って流れる電流をもたらすことになる。この電流は意図しない電流であり、正規の動作にとっては望ましくない電流である。図2Aは、図2の負荷変化に基づく電圧パルスおよび電流パルスをグラフで示したものである。
図3を参照すると、同じく出力ドライバ202を通って電流が流れ、したがってVDD電力ライン104が不安定になるが、この場合、出力ドライバ202をスイッチングすることによってこの電流がもたらされる、図1の回路100の従来技術による実施態様が示されている。図2の場合と同様、正規の状態の間、ドライバの状態変化によって、漏れ電流がESD MOSクランプ102に流入する。図3Aは、図3の内部スイッチ302による負荷変化に基づく電圧パルスおよび電流パルスをグラフで示したものである。図2および3に関連して上で説明した効果は、完全にチップ内に存在しているドライバにも同様に生じることがあるが、これらのドライバはその電流能力がはるかに低いため、これらの効果が生じる可能性は小さい。
米国仮出願第60/794,078号
米国仮出願第60/794,297号
異なる回路技法によって時定数を小さくする試行が過去においてなされているが、正規の電源ライン電力供給動作中にデバイスを不必要にトリガする危険が依然として存在している。
本発明によれば、ESDクランプと、該クランプに結合されたトリガ回路とを備えたESD保護回路が提供される。クランプおよびトリガ回路は、第1の基準電位に結合されている。ESD保護回路は、さらに、トリガ回路に結合された制御ラインを備えている。制御ラインは、第2の基準電位に結合されている。したがって、第2の基準電位に電力が供給されると、制御ラインはトリガ回路を不能にし、また、第2の基準電位に電力が供給されない場合、制御ラインはトリガ回路を使用可能状態にする。
図4を参照すると、本発明の一実施形態による、制御ラインによって制御されたESDクランプ/トリガ・エレメント全体のブロック図400が開示されている。ESDクランプ402は、第1の基準電位すなわち正の電圧源である電力ラインVdd406と、第2の基準電位すなわち接地であることが好ましい電力ラインVss408との間にまとめて結合されたトリガ回路/エレメント404に結合されている。また、トリガ回路/トリガ・エレメント404には、トリガ回路を制御するための制御ライン410が追加されている。この制御ラインは、第2の電力ライン/電源(図示せず)に結合されていることが好ましい。この特定の事例の場合、これは、トリガ回路404が第2の電源と主ESDクランプ402の間の低抵抗性経路であるため、ESDクランプ402をトリガするだけで十分であることに留意されたい。しかしながら、図4に関連して説明した一般的な事例の場合、第2の電力ラインに電力が供給されると、つまり、正規の動作中(「オン状態」)に、制御ライン410を介して電圧が印加されると、制御ライン410はトリガ回路404に信号を送ってターン・オフさせ、延いてはESDクランプ402を不能にする。ESDクランプ402が不能になると、電流の流れ、つまり正規動作でESD電流が「オン」状態になるのが防止される。別の電力ライン(雑音が少ない)にトリガが配置されているため、第1の電力ラインVdd406に過渡雑音を誘導する雑音が入力に存在している場合であってもESDクランプ402がトリガすることはない。しかしながら、電力が印加されていない場合(「オフ」状態)、トリガ回路404がターン・オンし、延いてはESDクランプ402がアクティブ・モードになる。つまり、ESDクランプ402は、ESD事象の間、トリガすることができる。この手法によれば、特定の電圧領域におけるESD保護クランプのESDの設計窓を極めて小さくすることができ、さらには負の設計窓にすることができる。設計窓が極めて小さく、さらには負の設計窓の場合、窓の設計が小さすぎるため、特定の電圧(トリガ電圧)に到達するとターン・オンするESDエレメントの使用が極めて困難である。第2の電力ラインがターン・オフすると、トリガ回路は、極めて低い電圧でトリガする。
本発明の一実施形態では、図4のトリガ回路404は、少なくとも1つのMOSデバイスを備えていることが好ましいことに留意されたい。制御ライン410の電圧がたとえばMOSの閾値電圧より低い場合、トリガ回路404はESDクランプ402を使用可能状態にする。制御ライン410の電圧がMOSの閾値電圧より高い場合、トリガ回路404はESDクランプ402を不能にする。
多重電圧領域のICの場合、正規の動作中に、異なる電圧領域に電力を供給すべき順序を割り当てることができることが好ましい。最初に電力を供給すべき電圧領域の状態を使用して、ICの他の電圧領域のESD保護クランプをターン・オンまたはターン・オフさせることができることが好ましい。同様に、次にパワー・アップされる電圧領域を使用して、第1等々の電圧領域を除くICの他の電圧領域のESD保護クランプをターン・オンまたはターン・オフさせることができる。多重電圧領域を備えた一般的な形態は、IC上の微小回路であって、1つまたは複数の他の電圧領域の現在の状態に基づいて、1つまたは複数の特定の電圧領域のESD保護クランプを使用可能状態または不能にする微小回路からなっている。図5は、このような一般的なブロック回路500の一実施例を示したもので、2つの異なる電圧領域、すなわちVdd1 502aおよびVss1 502bからなるVdd1〜Vss1(Vdd1電圧領域)502と、Vdd2 504aおよびVss2 504bからなるVdd2〜Vss2(Vdd2電圧領域)504とを有している。この実施例では、Vdd1電圧領域502は、正規の動作中に最初に電力が供給されるように特化されており、また、Vdd2 504電圧領域は、その次に電力が供給される。したがって、Vdd1電圧領域502の電圧レベルを使用して、Vdd2電圧領域504のESDクランプの状態が定義される。この一般的なブロック回路500は、主として3つの部分からなっており、電力検出506は、Vdd1電圧領域502がパワー・アップされたかどうかを検出している。電力検出506は、その最も単純な形態では、Vdd1 502aとトリガ回路404の入力の間の短絡である。トリガ回路ブロック404は電力検出506に結合されており、この電力検出ブロック506からの信号を使用してESDクランプ402をターン・オンまたはターン・オフさせている。ESDのエネルギーを実際に散逸させているのはこのESDクランプ402である。要するに、Vdd1電圧領域502に特定の供給電圧を印加するかどうかの条件が、トリガ回路404がVdd2電圧領域504のESDクランプ402をトリガするのを防止しており、言い換えると、ESDクランプ402をターン・オフさせている。
正規の動作中ではないある状態では、電力がオフ、つまり第1の電圧領域Vdd1 502(Vdd1 502aとVss1 502bの間)が0ボルトであり、また、第2の電圧領域Vdd2 504(Vdd2 504aとVss2 504bの間)にESD事象が存在している。この状態では、電力検出回路506は、同じく、トリガ回路404への入力である0ボルトを出力することになる。このトリガ回路404は、制御ライン410の入力が0ボルトの場合に、第2の電圧領域Vdd504のESD事象をピック・アップするように設計されている。そのため、トリガ回路404が「オン」状態になり、したがって、ESDクランプ402をトリガするためのトリガ信号である出力に高電圧が提供される。
他の状態では、電力がオンで、第1の電圧領域Vdd1 502がたとえば1.2ボルトであり、また、たとえば約1.8ボルトである第2の電圧領域Vdd2 504にESD事象が存在している。この場合、トリガ回路404への入力である電力検出回路506の出力は、高電圧すなわち1.2ボルトを有しており、この高電圧によって延いてはトリガ回路404が低電圧を出力し、ESDクランプ402をターン・オフさせることになる。これは、トリガ回路404に高い出力を提供するための1つの実施例であり、主ESDクランプ402をターン・オフさせるためにトリガ回路404に高い出力を付与することができる他の実施態様を創作することも可能であることに留意されたい。また、低い出力を提供し、かつ、高い入力を受け取るトリガ回路404は、少なくとも1つのインバータ(図示せず)を備えることができることが好ましい。上で説明したトリガ回路404は、場合によっては、第2の電圧領域504のESD事象を検出することができない短絡(図示せず)であることが好ましく、あるいは第2の電圧領域のESD事象を検出することができるRCベースのトリガ回路(図示せず)であることが好ましい。また、トリガ回路は、さらに、インバータ等々の組合せを備えることができることが好ましい。したがって、以下、トリガ回路の多くの異なる実施形態について、より詳細に説明する。
図6は、電力検出回路506の一実施形態を示したものである。図6では、電力検出506は、Vdd1 502aからトリガ回路404までの接続として実施されており、また、ESDクランプ402はSCR602として実施されている。図6に示されているトリガ回路404は、ESD電流をESDクランプ602に供給することができるPMOS604と、トリガPMOS604のゲートを調整するブラック・ボックス606の2つの部分を備えている。Vdd1 502aおよびVdd2 504aに電力が供給されないESDの間、PMOS604はON状態であり、電力検出回路506は、ブラック・ボックス606への入力である0ボルト出力を出力する。電力検出回路506が0ボルト出力を出力すると、ブラック・ボックス606は、ESDの間、PMOS604へのゲート電圧を低いレベルに維持する。PMOS604のゲートのレベルを低くすることにより、ESDの間、クランプ602をトリガすることができる。電力がオンで、Vddライン502aが正規動作であり、また、Vdd2 504aにESD事象が存在している場合、電力検出回路506は、ブラック・ボックス606への入力である高電圧出力を出力する。それによりブラック・ボックス606は、PMOS604のゲートを高電圧に維持してPMOS604をOFF状態にし、延いてはESDクランプ602を不能にする。したがって、ブラック・ボックス606は、場合によっては、その入力電圧をPMOS604を制御するための適切な電圧に変換する少なくとも何らかのインバータ回路であることが好ましい。
図7は、本発明の好ましい実施形態による図5のトリガ回路404の回路図の実例を示したものである。この回路図では、電力検出506は、同じく、Vdd1 502aからトリガ回路404まで接続している制御ライン410として実施されている。トリガ回路404は、基本的には、コンデンサ710と、その複数の入力のうちの1つへ帰還される出力を備えた論理ORゲート702と、インバータ704の組合せである。図7に示されているように、論理ORゲート702は、トランジスタM1、M2、M3およびM4を備えており、また、インバータ704は、トランジスタM5およびM6を備えている。接続点1 706は、図には、インバータ704に信号を提供しているトランジスタM1のドレインの出力として示されている。接続点2 708は、ESDクランプ402にトリガ信号を提供しているインバータ704の出力である。
正規の動作の下でVdd1領域502に電圧が印加されると、Vdd1 502aが「ON」状態になる。つまり、最初にVdd1 502aに電圧が印加され、それによりトランジスタM1がターン・オンし、また、トランジスタM2がターン・オフする。そのため、M1のドレイン電圧によって接続点1 706が0ボルトであるVss2に引っ張られる。したがって接続点1 706は、Vdd1 502aの電圧によって制御される。接続点1 706の電圧信号はインバータ704への入力であり、また、接続点2 708はインバータ704の出力であるため、延いては接続点2 708がVdd2 504a電圧すなわち高電圧に引っ張られる。接続点2 708の高電圧は、ESDクランプ402をターン・オフする信号を送り、したがってクランプ402はトリガしない。Vdd1〜Vss1が低電圧領域であり、また、Vdd2〜Vss2が高電圧領域である場合、M1およびM2の両方の入力トランジスタに、高電圧タイプのトランジスタだけでなく、低電圧タイプのトランジスタを使用することも可能であることに留意されたい。また、Vdd1〜Vss1が高電圧領域であり、Vdd2〜Vss2が低電圧領域である場合、M1およびM2の両方の入力トランジスタに、低電圧タイプのトランジスタだけでなく、高電圧タイプのトランジスタを使用することも可能である。
ESDの間、第1の電圧領域すなわちVdd1 502aではすべての電力がターン・オフされ、したがって第2の電圧領域Vdd2 504aにESD応力が印加される。つまり、Vdd2 504aが「ON」状態になり、トランジスタM1がターン・オフされるため、接続点1 706はもはやVdd1 502aによっては制御されなくなる。しかしながら、Vdd2 504aの電圧は高くなり、また、上昇し続けることになる。キャパシタンス710のため、最初に接続点2がVss2 504bに引っ張られ、M3がターン・オフしてM4がターン・オンすることになる。キャパシタンスの充電は、VDD2 504bラインの電圧の上昇よりはるかに遅い。そのため、接続点2の電圧は、M3およびM4によって形成されているもう1つのインバータのスイッチング電圧より低くなる。接続点2の電圧がもう1つのインバータのスイッチング電圧より低くなると、接続点1の電圧が高くなる。接続点2は、接続点1を入力として備えたインバータ704の出力であるため、この出力は低電圧になる。この低電圧によって、ESDの間、ESDクランプ402をターン・オンさせることができる。帰還接続のため、接続点2は低電圧を維持することができることに留意されたい。
図8は、シミュレーションが実施された図7の電力保護クランプの回路図の実例を示したものである。この回路図は図7に類似しており、ESDクランプ402は、本発明の好ましい実施形態では第2のインバータとして示されている。しかしながら、通常は図7に示されているようにVdd1 502aに接続される制御ライン410は、この第1の電圧領域は、図8に示されているように電力が供給されない領域と見なされるため、ここではVss2 504bすなわち接地に接続されている。また、Vdd1バス502a(図示せず)は制御ライン410に結合され、また、Vss1 502b(図示せず)はVss2 504bに結合されており、したがってVdd1バス502a(図示せず)は、短絡によって模擬されているコンデンサC1 710によって接地に結合されている。
図8Aおよび図8Bは、シミュレーションの結果を示したものである。図8Aは、図8の200fFのコンデンサC1 710のシミュレーション結果をプロットしたグラフを示したものである。図8Bは、図8の250fFのコンデンサC1 710のシミュレーション結果をプロットしたグラフを示したものである。いずれのシミュレーションも、Vssに対するVdd2へのESD放電を模擬するために、立上り時間が速いランプ・アップ信号をVdd2に使用して実施されている。
図8Aのグラフは、最初に接続点1が立ち上がるが、しばらくしてローに引っ張られ、それにより接続点2がハイになることを示している。これは、ESDクランプ402がトリガしない状態であるため、この状況は望ましくない。したがって、上で説明したように、インバータ(M5およびM6)704は、ESD保護を駆動するために使用することができる接続点2の信号を増幅し、かつ、モニタするために接続点2の後段に配置されている。このインバータの出力は、「アウト」信号として示されている。このシミュレーションから、200fFの値を有するコンデンサC1 710は、Vdd2に対するESD事象の間、模擬された立上り時間で適切にトリガさせるためには小さすぎる、と推論される。
図8Bのグラフは、C1のキャパシタンス値が十分に大きい状況、つまり値が250fFである状況を示している。Vdd2信号がランプ・アップしている間、接続点2が立ち上がるが、トランジスタM3およびM4の入力のパルスをスロー・ダウンさせる。特定のポイントでインバータ704(M5およびM6)がスイッチし、その出力接続点2 708がローになる。それにより接続点1 706がハイに引っ張られる。ESDクランプ402である第2のインバータの出力は、出力接続点2 708から入力信号を受け取り、したがって同じくハイになる(グラフには「アウト」で示されている)。この状態は、ESD保護がトリガされ、Vdd2 504a上の電圧を安全な値にクランプする状態である。
図8Cは、図8の様々なサイズのコンデンサC1のシミュレーション結果をプロットしたグラフを示したものである。図8Cのプロットは、3つの異なるキャパシタンス値、すなわち200fF、250fF、500fFのC1を比較したものである。キャパシタンスが大きいほど、アウト信号がより速くVdd2にクランプし、ESD保護をターン・オンすることが分かる。しかしながら、250fFより大きくしても性能には大きな差はない。適切な動作のためにはキャパシタンスが小さくなりすぎる臨界値は、これらのシミュレーションによれば、200fFと250fFの間に存在している。他の技術の場合、この値は、場合によっては異なることがある。したがって、コンデンサC1の好ましい値は250fFである。しかしながら、この値は、使用される技術またはトランジスタのサイズによって異なることがあることに留意されたい。
図9は、本発明の他の実施形態による、ICの低電圧領域に対する電力ライン保護として使用される図5の電力保護クランプのブロック図の回路図の実例を示したものである。この実施形態では、第1の電圧領域すなわちVdd1 502は高電圧(HV)領域であり、一方、第2の電圧領域Vdd2 504は低電圧(LV)領域である。この実施形態の図9におけるESDクランプは、PNPトランジスタ402aおよびNPN402bトランジスタを備えたSCRであることが好ましい。電力検出ブロック506は、Vdd1とトリガ回路404の入力との間の短絡または抵抗接続からなっている。トリガ回路404自体は、その入力とSCR402のG2との間の短絡である。したがって、ESDクランプ402は、この実施形態ではトリガ回路404は単純な短絡であるため、物理的なトリガ回路を必要とすることなく電力検出506に接続されている。したがって、G2トリガ・タップは、この実施形態では高電圧領域である第1の電圧領域Vdd1 502のVdd1ライン502aに接続されている。高電圧領域502は、正規の動作の下で最初に電力が供給されるように特化されている。したがって、正規の動作中、つまりESD事象が存在していない場合、最初にVdd1 502a(高電圧領域)に電力が印加されることになる。Vdd2 502bの電圧はVdd1 502aの電圧よりはるかに低く、したがってVdd2 502bとVdd1 502aの間の電圧の差は負の値である。したがって、SCR402がトリガするためにはG2のゲート電圧を少なくとも0.7ボルトにしなければならないため、SCR402がトリガすることはない。アノード、つまりSCR402のVdd2−G2接合上の電圧が0.7Vより高い場合、PNP402aがターン・オンし、NPN402bに流入する電流によって、デバイスのESD動作を開始させることになる帰還が生成される。この電圧がより低い場合、PNP402aはターン・オンせず、したがってデバイスのSCR402の動作がターン・オンすることはない。チップ・キャパシタンスは、Vdd1 502aをVss1 502b電圧の近くに維持し、また、Vdd2 504aの電圧が0.7ボルトより高い値に上昇するため(ESD事象)、402aの電圧とG2の電圧の差も0.7ボルトより高くなり、デバイスをトリガしてSCRモードで動作させることになる。したがってVdd2 504aとVss2 504bの間に十分なクランピングが提供される。ESD状態の下で、両方のVssラインすなわちVss1 502bラインとVss2 504bラインの間の接続を確立するために、逆並列ダイオード508が配置されている。これは、正規動作中の電圧差が極めて小さいため、Vssライン間にESD保護が必要であり、ダイオードがESD経路を提供するのに十分であることによるものである。したがって、図9に示されているように背中合わせ構成で構成された2つのダイオード508は、2方向ESD保護を提供することができる。
ESD放電がVdd2 504aからVss1 504bに向かって生じる場合、Vdd2 504aの電圧が高く、また、Vdd1 502aの電圧は0ボルトである。G2はVdd1 502aに結合されており、したがって図9に示されているようにチップ・キャパシタンス510によってVss1 502bに結合されている。
図10を参照すると、図5の電力保護クランプ1000のブロック図の回路図の実例が示されている。図10の回路図は、本発明の他の実施形態による電源雑音免疫能動クランプ回路1000を示したものである。ESDクランプ402は、MOSデバイス1002として実施されていることが好ましく、また、トリガ回路404は、図10に示されているようにRC過渡検出器1006として実施されていることが好ましい。MOSデバイス1002は、図にはPMOSとして示されているが、この技法をNMOSと共に使用することも可能である。RC過渡検出器は、抵抗器(R)1007、コンデンサ(C)1008およびVddからC1008への電源ラインの接続を制御するためにC1008に接続されたスイッチ1009を備えている。制御ラインは、図に示されているようにスイッチ1009に接続されていることが好ましい。この実施形態の場合、チップに電力が供給されている状態の間、スイッチ1009によってコンデンサC1008を電源ラインから分離することにより、電源雑音の問題を防止することができる。
ESDは、Vddライン406とVssライン408の間で生じ、あるいはIO保護のためにIO(図示せず)とVss408の間またはVdd406とIO(図示せず)の間で生じることがある。ESDの間、スイッチ1009は閉じており、つまり、導通状態であり、したがってコンデンサ1008はRCフィルタ1006として接続され、従来技術の場合と同様、電力をクランプするためのRC時定数を生成する。しかしながら、ESD事象が存在しない正規動作の間、キャパシタンス1008は、スイッチ・デバイス1009を使用してRCフィルタ1006から断路される。コンデンサの電荷/電圧は、電源ラインすなわちVddライン406に高速過渡現象が現われても、もはや変化することはできない。コンデンサC1008をVddライン406から断路することにより、電源電位の高速変化によるトリガ回路すなわちRC検出器1006のトリガリングが防止される。したがってスイッチ1009は、一般に、「断路スイッチ」とも呼ばれている。このネーミングは説明のためのものであり、制限的な意味合いは一切含まれていない。このスイッチ・デバイス1009は、それらに限定されないが、自動車アプリケーション、電力調整、大型ディスプレイ・ドライバなどの多くの雑音アプリケーションに極めて有利である。ほとんどの場合、このスイッチは、チップ上の他の回路によって制御される能動デバイスである。
ESDクランプ402がMOSトランジスタ1002として示されている図10の場合であっても、ESDクランプは、さらに、バイポーラ・トランジスタ、SCR、ダイオードまたは他の任意のデバイスを備えることができることが好ましいことに留意されたい。以下、本発明によるこの実施形態の動作原理をさらに説明するために、より多くの実施例について説明するが、これらの実施例は説明を目的としたものにすぎず、本発明の範囲を制限するものではない。
図11は、本発明の他の実施形態による電源雑音免疫能動クランプ回路の回路図1100の実例を示したものである。この図11は図10に類似しており、SCR1102として実施されたスイッチ1009を備えている。SCR1102のトリガリングは様々な方法で実施することができる。SCR1102がトリガしない正規の動作中、SCR1102はコンデンサ1008を断路する。ESDの間、SCR1102がターン・オンし、コンデンサ1008をPMOS1002のゲート(一般的にはESDクランプ402)に接続する。SCR1102のカソードはコンデンサC1008に結合されているため、SCR1102がラッチ・アップの危険をもたらすことは全くないことに留意されたい。この実施例では、SCR1102はG2トリガリングである。二重トリガリングまたはG1トリガリングなどの他のトリガリング・スキームを使用することも可能である。他の興味深い事実は、デバイスをESD保護デバイスとして動作させる場合、SCR1102をトリガリングする必要はないことである。しかしながら、ESDの間、SCR1102がトリガされない場合、その寄生キャパシタンスを十分に大きくしなければならないため、デバイスの幅を十分に広くしなければならない。ESDの間、SCR1102がトリガする場合、その場合はSCR1102をダイオード(微小信号等価の場合は抵抗器)としてモデル化することができるため、SCRのサイズをより小さくすることができる。
図12は、本発明の他の実施形態による電源雑音免疫能動クランプ回路の回路図1200の実例を示したものである。この図12は図11に類似しており、第1のPMOSデバイス1202として実施された断路スイッチ1009を備えている。したがってこの実施形態の場合、トリガ回路は、R1007、C1008および第1のPMOSデバイス1202を備えた第1のタイミング回路1204である。断路スイッチすなわち第1のPMOSデバイス1202のゲートを制御するための多くの可能性が存在している。過渡制御すなわち第2のタイミング回路1206がESDスイッチ1202の制御ラインと同じ制御ラインに追加され、かつ、接続されている。第2のタイミング回路1206は、図5の電力検出回路506の好ましい一実施形態である。この回路を使用することによって多くの利点が得られる。第1に、第1のタイミング回路1204の時定数とは異なる時定数になるように第2のタイミング回路1206を調整することができる。第2に、Vddライン406上の異なる場所で第2のタイミング回路1206を接続することができる。つまり、図に示されているように、両方のタイミング回路の間に大きなバス抵抗Rbus1208を存在させることができる。それにより、局部雑音事象によるPMOS1002のESDクランプのトリガリングが回避される。ESD事象が存在しない正規の動作中に電力がオンされると、第2のタイミング回路は、Vddライン406の高電圧を検出し、電力がオンであることを記憶しておくことができる。この第2のタイミング回路1206は、次に、第1のタイミング回路1204の第1のPMOSデバイス1202をターン・オフすなわち不能にし、したがって第1のタイミング回路1204がESDクランプすなわちPMOS1002にトリガ信号を提供することはない。ESD事象の間、電力がオフされると(Vddライン406の電圧が0ボルトである)、第2のタイミング回路1206は、Vddライン406のこの0ボルトを検出することができなくなる。したがって、第1のタイミング回路1204がこのESD事象を検出し、第1のPMOSデバイス1202をターン・オンし、ESDクランプすなわちPMOS1002にトリガ信号を提供することになる。第2のタイミング回路に断路スイッチを追加することも可能であることが好ましく、第1のタイミング回路の断路スイッチと同様の制御をこの断路スイッチにも適用することが可能であることに留意されたい。
本発明の機能を証明するために、上で説明した図12の回路に対するいくつかのシミュレーションが実施された。図12Aは、パワー・アップ中またはオン状態における図12の回路の電圧挙動をプロットしたグラフを示したものである。したがって、正規の動作中に電力がオンされると、つまりICにVdd電圧が印加されると、ESDドライバすなわち第1のPMOS1202はOFF状態を維持する。これは、この第1のPMOS1202のゲートの電位を可能な限り電力ラインの電位に近い電位にしなければならないことを意味している。したがって、パワー・アップの間、ゲート電位をVddライン406に追従させなければならない。これらの2つの電圧の差が大きくなりすぎると、第1のPMOS1202は、若干の電流を流し始める。グラフの点線は、Vddライン406の電位を表している。ダッシュ線の曲線は、本発明の模擬挙動を表している。実線は、従来技術による電力クランプの従来の模擬挙動を表している。実線およびダッシュ線は、パワー・アップ中にESDクランプ(この場合、PMOS1002)に引き渡される電圧を示している。本発明の場合、点線(Vddライン)である電源の挙動をゲートすなわちダッシュ線が追従していることは明らかである。PMOS1002のソースおよびゲートの電圧は極めて低く、したがってPMOS1002はオフ状態を維持する。実線である従来の手法と比較すると、この電圧は、もはや低くはない。したがって正規の動作中(このシミュレーションではパワー・アップ中)、PMOSがターン・オンする。
図12Bは、パワー・アップ中の図12の回路の電流挙動をプロットしたグラフを示したものである。このグラフから分かるように、ダッシュ線で示されている、本発明による電力クランプ(すなわちPMOS1002、第1のタイミング回路1204および第2のタイミング回路1206を含む図12の回路全体)を通って流れる電流は、パワー・アップの間、実線であるより古い技法の場合よりはるかに小さい。
図13は、断路スイッチの最小電圧制御を備えた電源雑音免疫能動クランプ回路の回路図1300の実例を示したものである。図13は、第2のタイミング回路を除き、図12に類似している。図12の第2のタイミング回路が時間領域のVdd406の状態(オン/オフ)を検出しているのに対して、図13は、電圧領域のVdd406の状態(オン/オフ)を検出するV−検出器(電圧検出器)1302を備えている。V−検出器1302は、Vddライン406の電圧の値を検出し、検出した値が特定の値より大きい場合、コンデンサ1008が接続され、第1のPMOSデバイス1202がターン・オンすることになる。Vddライン406の電圧が特定の値より小さい場合、コンデンサ1008は断路され、第1のPMOS1202はオフを維持することになる。Vddライン406が特定の値より小さい場合にコンデンサ1008を接続し、また、Vddライン406が特定の値より大きい場合にコンデンサ1008を断路することも可能であることに留意されたい。この値は、たとえば、正規の動作中における擬似トリガリングが回避されるよう、正規の動作供給電圧より大きい値にすることができる。
図14は、図5の電力保護クランプのブロック図の回路図1400の実例を示したものである。詳細には、図14は、断路スイッチの最大電圧制御を備えた電源雑音免疫能動クランプ回路の回路図の実例を示したものである。HV領域406a’のVddの電圧が特定の電圧より高い場合、断路スイッチすなわち第1のPMOS1202がスイッチ・オフされる。この値は、正規の動作供給電圧より小さい。したがってこの場合も、正規の動作中におけるトリガリングが阻止される。この場合、ESDクランプすなわちPMOS1002は、選択された断路スイッチ・ターン・オフ電圧より低い電圧でトリガしなければならないことに留意されたい。高い電圧でトリガしないようにESDクランプ1002を創作することは矛盾するように思われるかもしれないが、これは、ラッチ・アップの問題を回避し、かつ、依然としてESD保護を創作することができる有効な手法である。コンデンサC1008を断路するためには、第1のPMOS1202のゲートをそのソース(すなわちVdd406a”とVss406b”の間の第1のPMOS1202のソース)より高くしなければならないため、ゲート・ドライバ回路は、より高い電圧が供給される低電圧領域のデバイスからなっていなければならない。したがって、図14に示されているように、同じチップに2つの電圧領域が存在している場合に単純な解決法が得られる。低電圧領域におけるVdd406a”とVss406b”の間のPMOSデバイス1002のクランピング電圧は、HV領域における第1のインバータ1402のスイッチング電圧より低くしなければならない。クランピング電圧の方がスイッチング電圧より高い場合、Vdd406a”とVss406b”の間のコア回路(図示せず)に、それが最も抵抗が小さい経路であるため、ほとんどの電流が流れることになる。クランピング電圧の方がスイッチング電圧より低い場合、ESDクランプすなわちPMOS1002にほとんどの電流が流れ、コア回路(図示せず)の破壊が防止される。また、第2のインバータ1404は、図14に示されているように、LVのVdd406a”を制御ライン410に結合している。したがって、Vdd406a”が低電圧すなわち0ボルトである場合、第1のインバータ1402は、その低電圧を高電圧に変換し、その高電圧が第2のインバータ1404に入力されることになる。第2のインバータ1404は、この高電圧を変換して低電圧に戻し、延いては第1のPMOS1202がESDクランプすなわちPMOS1002をトリガすることになる。しかしながら、Vdd406b”が高電圧である場合、第1のインバータ1402は、その高電圧を低電圧に変換し、その低電圧が第2のインバータ1404に入力されることになる。第2のインバータ1404は、この低電圧を変換して高電圧に戻し、延いては第1のPMOS1202がESDクランプすなわちPMOS1002を不能にすることになる。
ESDは大電流からなっているため、ターン・オンさせるために大電流を必要とするように断路スイッチを創作することができる。ターン・オンさせるために大電流を必要とするこの断路スイッチ(図示せず)は、電圧制御断路スイッチと組み合わせて図14に追加することができることが好ましい。
また、たとえば図14に示されている実施態様は、第1のインバータのスイッチングを遅延させるためのRC時間回路(図示せず)をHV領域に追加することができることが好ましい。
図15は、他の電圧領域の状態を使用して断路スイッチを制御する電源雑音免疫能動クランプ回路1500を示したものである。単純化されたこの図では、低電圧領域からの電源は、オフ状態のHV PMOSを駆動することができることが仮定されている。電力クランプ1500がLV領域で実施される場合、両方の電源がONである場合に、HV領域からの電位Vdd406’を使用してコンデンサ1008を断路することができる。第1のHV PMOSデバイス1202は、この第1のPMOSデバイス1202のゲート電圧が高すぎることによって生じるゲート問題を防止するために使用されることが好ましい。電力クランプ1500がHV領域で実施される場合、両方の電源がONである場合に、LV領域からの電位Vdd406”を使用してコンデンサ1008を断路することができる。第1のHV PMOSデバイス1202は、この第1のPMOSデバイス1202のドレインおよびゲートの電圧が高すぎることによって生じるゲート問題を防止するために使用されることが好ましい。
以上、本明細書において、本発明の教示を組み込んだ様々な実施形態について図に示し、かつ、詳細に説明したが、当業者には、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、これらの教示をさらに組み込んだ他の多くの様々な実施形態を容易に工夫することが可能である。
Claims (21)
- ESDクランプと、
前記クランプに結合されたトリガ回路であって、前記クランプおよび前記トリガ回路が第1の基準電位に結合されたトリガ回路と、
前記トリガ回路に結合された制御ラインであって、第2の基準電位に結合された制御ラインと
を備えたESD保護回路であって、
前記第2の基準電位に電力が供給されると、前記制御ラインが前記トリガ回路を不能にし、また、前記第2の基準電位に電力が供給されない場合、前記制御ラインが前記トリガ回路を使用可能状態にするESD保護回路。 - 前記第1の基準電位が前記第2の基準電位に結合された、請求項1に記載のESD保護回路。
- 前記制御ラインが電力検出回路を介して前記第2の基準電位に結合された、請求項1に記載のESD保護回路。
- 前記ESDクランプが、SCR、MOSトランジスタ、バイポーラ・トランジスタおよびダイオードのうちの少なくとも1つを備えた、請求項1に記載のESD保護回路。
- 前記トリガ回路が論理ORゲートおよびインバータを備え、前記論理ORゲートが入力および出力を有し、前記出力が前記入力および前記インバータの入力に帰還される、請求項1に記載のESD保護回路。
- 前記インバータの出力が、ESDの間、また、前記第1の基準電位に電力が供給されていない場合に、前記クランプにトリガ信号を提供するために前記ESDクランプに結合された、請求項5に記載のESD保護回路。
- 前記インバータの前記入力に結合されたコンデンサをさらに備えた、請求項5に記載のESD保護回路。
- 前記電力検出回路が少なくとも1つのインピーダンスを備えた、請求項3に記載のESD保護回路。
- 前記インピーダンスが抵抗器を備えた、請求項8に記載のESD保護回路。
- 前記トリガ回路がインピーダンス回路を備えた、請求項1に記載のESD保護回路。
- 前記インピーダンス回路が抵抗器を備えた、請求項10に記載のESD保護回路。
- 前記インピーダンス回路が直列接続の抵抗器、コンデンサおよびスイッチを備えた、請求項10に記載のESD保護回路。
- 前記スイッチが前記制御ラインに結合された、請求項12に記載のESD保護回路。
- 前記スイッチがMOSデバイスである、請求項12に記載のESD保護回路。
- 前記MOSデバイスのソースおよびドレインが第1のタイミング回路を形成するべく前記抵抗器および前記コンデンサに直列に結合され、前記MOSデバイスのゲートが前記制御ラインに結合され、また、前記抵抗器、前記コンデンサおよび前記スイッチの接続が前記ESDクランプに結合された、請求項14に記載のESD保護回路。
- 前記スイッチがSCRを備えた、請求項15に記載のESD保護回路。
- 前記制御ラインに結合され、かつ、前記第2の基準電位に結合された第2のタイミング回路をさらに備えた、請求項1に記載のESD保護回路。
- 前記第2のタイミング回路が直列に接続された抵抗器およびコンデンサを備えた、請求項17に記載のESD保護回路。
- 前記第2のタイミング回路が直列に接続された抵抗器および電圧検出器を備えた、請求項17に記載のESD保護回路。
- 前記トリガ回路が少なくとも1つのMOSデバイスを備え、前記制御ラインが、前記制御ラインの電圧が前記MOSデバイスの閾値電圧より低い場合に前記トリガ回路を不能にし、また、前記電圧が前記閾値電圧より高い場合に前記トリガ回路を使用可能状態にする、請求項1に記載のESD保護回路。
- 前記電力検出回路が少なくとも1つのインバータを備え、前記インバータの入力が前記第1の基準電位に接続された、請求項3に記載のESD保護回路。
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