TWI401784B - 靜電放電防護裝置 - Google Patents

Description

靜電放電防護裝置

本發明是有關於一種靜電放電防護裝置，且特別是有關於一種靜電放電發生時，靜電放電電流通入核心電路的靜電放電防護裝置。

電子產品於實際使用環境中可能會遭受靜電放電(electrostatic discharge,ESD)的影響而導致損壞。由於靜電放電電壓較一般所提供的電源電壓大出甚多，而當靜電放電發生時，此靜電放電電流便很有可能將元件燒毀。因此必須在電路中作一些靜電放電防護措施以有效隔離靜電放電電流。

圖1繪示為習知靜電放電防護裝置的電路圖。請參照圖1，在正常操作模式下，靜電放電防護裝置100之輸入端IN不會接收到靜電放電之高電壓(亦即超過核心電路之正常工作電壓，例如大於5V)，此時，接地電壓VSS會透過電阻R2傳送到N型金氧半電晶體110的閘極端，使得N型金氧半電晶體110不導通，則靜電放電防護裝置100不運作。

在靜電放電模式下，靜電放電之高電壓從輸入端IN進入，則電容C1會將輸入端IN的電壓耦合至N型金氧半電晶體110的閘極端，使得N型金氧半電晶體110導通，以便將靜電放電電流經由N型金氧半電晶體110傳導至接地電壓VSS。由於流經電容C1的電流較大，因此電容C1的佈局面積也會變大，進而影響佈局面積之大小。

本發明提供一種靜電放電防護裝置，藉以在靜電放電模式下，可避免靜電放電電流通入核心電路，以保護核心電路內部元件，並且還可以減少電路的佈局面積。

本發明提出一種靜電放電防護裝置，包括靜電放電防護單元、靜電放電偵測單元、電流鏡模組與回授控制單元。靜電放電防護單元耦接在焊墊與接地電壓之間。靜電放電偵測單元耦接焊墊及接地電壓，依據耦合焊墊上的電壓信號來偵測靜電放電狀態，並依據靜電放電狀態以提供控制信號至靜電放電防護單元，使靜電放電防護單元依據控制信號以傳導靜電放電電流至接地電壓。電流鏡模組耦接焊墊、靜電放電偵測單元以及靜電放電防護單元，接收並依據偏壓信號，以產生補償電流。回授控制單元耦接焊墊、靜電放電偵測單元與電流鏡模組，接收並依據控制信號，產生偏壓信號。

在本發明之一實施例中，上述靜電放電防護單元包括第一電晶體。第一電晶體的閘極端接收控制信號，第一電晶體的汲極端耦接焊墊，第一電晶體的基體端與源極端耦接接地電壓。

在本發明之一實施例中，上述靜電放電偵測單元包括電容與電阻。電容的第一端接收補償電流，電容的第二端產生控制信號。電阻的第一端耦接電容的第二端，電阻的第二端耦接接地電壓。

在本發明之一實施例中，上述電容的佈局面積大小依據補償電流而調整。

在本發明之一實施例中，上述電流鏡模組包括第二電晶體與第三電晶體。第二電晶體的基體端與源極端耦接焊墊，第二電晶體的汲極端與閘極端彼此耦接並接收偏壓信號，並依據上述偏壓信號而產生上述補償電流。第三電晶體的閘極端耦接第二電晶體的閘極端，第三電晶體的汲極端耦接靜電放電防護單元，第三電晶體的基體端與源極端耦接焊墊。

在本發明之一實施例中，上述回授控制單元包括緩衝器與第四電晶體。緩衝器的輸入端接收控制信號，緩衝器的電源端耦接焊墊。第四電晶體的閘極端耦接緩衝器的輸出端，第四電晶體的基體端與源極端耦接焊墊，第四電晶體的汲極端產生偏壓信號。

在本發明之一實施例中，上述緩衝器包括第五電晶體、第六電晶體、第七電晶體與第八電晶體。第五電晶體的閘極端為緩衝器的輸入端，第五電晶體的閘極端基體端與源極端為緩衝器的電源端。第六電晶體的閘極端耦接第五電晶體的閘極端，第六電晶體的汲極端耦接第五電晶體的汲極端，第六電晶體的基體端與源極端耦接接地電壓。第七電晶體的閘極端耦接第五電晶體的汲極端，第七電晶體的基體端與源極端耦接第五電晶體的源極端，第七電晶體的汲極端為緩衝器的輸出端。第八電晶體的閘極端耦接第七電晶體的閘極端，第八電晶體的汲極端耦接第七電晶體的汲極端，第八電晶體的基體端與源極端耦接第六電晶體的源極端。

在本發明之一實施例中，上述焊墊為電源焊墊。

在本發明之一實施例中，上述靜電放電偵測單元包括電容與第九電晶體。電容的第一端接收補償電流，電容的第二端產生控制信號。第九電晶體的閘極端耦接焊墊，第九電晶體的汲極端耦接電容的第二端，第九電晶體的源極端與基體端耦接接地電壓。

本發明採用靜電放電偵測單元來偵測靜電放電狀態是否發生，藉以在當靜電放電狀態發生時，控制靜電放電防護單元啟動且即時地將靜電放電電流導引至接地電壓，以避免核心電路的元件損壞，而在靜電放電狀態未發生(即正常操作)時，控制靜電放電防護單元關閉，以防止漏電流的發生。另外，本發明還可藉由電流鏡模組產生的補償電流，來減少電路的佈局面積。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖2A繪示為本發明之一實施例之靜電放電防護裝置的方塊圖。請參照圖2A，靜電放電防護裝置200包括靜電放電防護單元210、靜電放電偵測單元220、電流鏡模組230與回授控制單元240。靜電放電防護單元210耦接在焊墊215與接地電壓VSS之間。其中，焊墊215可為一電源焊墊。

靜電放電偵測單元220耦接焊墊215與接地電壓VSS，依據耦合在焊墊215上的電壓信號來偵測靜電放電狀態，並依據靜電放電狀態提供控制信號CS至靜電放電防護單元210，使靜電放電防護單元210依據上述控制信號CS以將焊墊215上的靜電放電電流傳導至接地電壓VSS，以避免靜電放電電流流至核心電路(未繪示)而造成核心電路損壞。

電流鏡模組230耦接焊墊215、靜電放電偵測單元220以及靜電放電防護單元210，接收並依據偏壓信號VB，產生補償電流I。回授控制單元240耦接焊墊215、靜電放電偵測單元220與電流鏡模組230，接收並依據靜電放電偵測單元220產生的控制信號CS，產生偏壓信號VB。

以下便詳細敘述各單元之運作。

圖2B繪示為圖2A之靜電放電防護裝置200的電路圖。請參照圖2A與圖2B，靜電放電防護單元210包括電晶體M1。電晶體M1的閘極端接收控制信號CS，電晶體M1的汲極端耦接焊墊215，電晶體M1的基體端與源極端耦接接地電壓VSS。其中，電晶體M1例如是NMOS電晶體。

靜電放電偵測單元220包括電容C與電阻R。電容C的第一端接收補償電流I，電容C的第二端產生控制信號CS。電阻R的第一端耦接電容C的第二端，電阻R的第二端耦接接地電壓VSS。在本實施例中，電容C以一PMOS電晶體實現之，而此PMOS電晶體之基體端、源極端與汲極端耦接一起形成電容C之其一電極端(亦即電容C的第一端)。在另一實施例中，電阻R亦可由一NMOS電晶體M9來實施，如圖2C所示。電晶體M9的閘極端耦接焊墊215，電晶體M9的汲極端耦接電容C的第二端，電晶體M9的源極端與基體端耦接接地電壓VSS。

電流鏡模組230包括電晶體M2與M3。電晶體M2的基體端與源極端耦接焊墊215，電晶體M2的閘極端與汲極端彼此耦接，並產生補償電流I。電晶體M3的閘極端耦接電晶體M2的閘極端，電晶體M3的汲極端耦接靜電放電防護電路210(即電晶體M1的閘極端)，電晶體M3的基體端與源極端耦接焊墊215。其中，電晶體M2與M3例如是PMOS電晶體。

回授控制電路240包括緩衝器250與電晶體M4。緩衝器250的輸入端接收靜電放電偵測單元220產生的控制信號CS(即緩衝器250的輸入端耦接電容C的第二端)，緩衝器250的電源端耦接焊墊215。電晶體M4的閘極端耦接該緩衝器250的輸出端，電晶體M4的基體端與源極端耦接焊墊215，電晶體M4的汲極端為回授控制單元240的輸出端，用以產生偏壓信號VB。其中，電晶體M4例如是PMOS電晶體。

另外，在本實施例中，緩衝器250還包括電晶體M5~M8，如圖2D所示。電晶體M5的閘極端為緩衝器250的輸入端，電晶體M5的基體端與源極端為緩衝器250的電源端。電晶體M6的閘極端耦接電晶體M5的閘極端，電晶體M6的汲極端耦接電晶體M5的汲極端，電晶體M6的基體端與源極端耦接接地電壓VSS。

電晶體M7的閘極端耦接電晶體M5的汲極端，電晶體M7的基體端與源極端耦接電晶體M5的源極端，電晶體M7的汲極端為緩衝器250的輸出端。電晶體M8的閘極端耦接電晶體M7的閘極端，電晶體M8的汲極端耦接電晶體M7的汲極端，電晶體M8的基體端與源極端耦接電晶體M6的源極端。其中，電晶體M5與M7例如是PMOS電晶體，電晶體M6與M8例如是NMOS電晶體。

在正常模式操作下，接地電壓VSS會透過靜電放電偵測單元220的電阻R傳送到電晶體M1的閘極端(亦即靜電放電偵測單元220提供與接地電壓VSS相同之電壓值的控制信號CS至電晶體M1的閘極端)，使得電晶體M1不導通。因此，焊墊215的電流並不會透過電晶體M1傳到至接地電壓VSS。

另一方面，接地電壓VSS會透過靜電放電偵測單元220的電阻R傳送至回授控制單元240之緩衝器250的輸入端(亦即靜電放電偵測單元220提供與接地電壓VSS相同之電壓值的控制信號CS至回授控制單元220之緩衝器250的輸入端)。接著，緩衝器250會對應與接地電壓VSS相同之電壓值的控制信號CS而產生與接地電壓VSS相同之電壓值的輸出電壓(亦即緩衝器250的電晶體M5與M8導通)，並傳送至電晶體M4的閘極端，使得電晶體M4導通。當電晶體M4導通後，焊墊215的電源電壓(例如為VDD)會通過電晶體M4的汲極端，使得電晶體M4之汲極端產生的偏壓信號VB為電源電壓VDD，接著，當電流鏡模組230的電晶體M2與M3的閘極端接收到上述偏壓信號VB(即電源電壓VDD)，使得M2與M3不導通。如此一來，在正常模式操作下，靜電放電防護單元210並不會讓焊墊215上的電流通過電晶體M1流至接地電壓VSS，以有效地避免漏電流的發生。

另外，當靜電放電之脈衝(例如VESD)從焊墊215進入時，靜電放電偵測單元220的電容C會耦合焊墊215上的電壓信號來偵測到靜電放電狀態，並依據靜電放電狀態提供控制信號CS(例如電壓VC)至靜電放電防護單元210之電晶體M1的閘極端，使得電晶體M1導通。此時，靜電放電防護裝置200便可將靜電放電電流經由電晶體M1傳導至接地電壓VSS，以避免靜電放電電流流至核心電路。

另一方面，靜電放電偵測單元220產生的控制信號CS(例如電壓VC)會傳送至回授控制單元240之緩衝器250的輸入端。接著，緩衝器250對應與靜電放電電壓VESD相同之電壓值的控制信號CS而產生與靜電放電電壓VESD相同之電壓值的輸出電壓(亦即緩衝器250的電晶體M6與M7導通)，並傳送至電晶體M4的閘極端，使得電晶體M4不導通，而使得電晶體M2與M3導通。

另外，本實施例可藉由調整電晶體M2與M3的寬長比(W/L)，以調整電晶體M2之汲極端輸出之補償電流I的電流值，也就是說，調整流經電容C的補償電流的大小，來改變RC時間常數(time constant)。然而，為了達到與習知圖1之靜電放電防護裝置100近似的RC時間常數，則可將本實施例之電容C的佈局面積縮小，亦即可將電容C的佈局面積至少縮小至1/(A+1)倍。因此，本領域的技術人員可視電容C縮小之倍數的需求，來調整電晶體M2與M3的寬長比(W/L)_M2 與(W/L)_M3 (即調整電晶體M2與M3的電流比為(W/L)_M3 /(W/L)_M2 =A)。舉例來說，當調整電晶體M2與M3的電流比A為5時，可將電容C的佈局面積可縮小為1/(A+1)=1/6，但本實施例不限於此，使用者亦可將電容C的佈局面積縮小至大於1/(A+1)=1/6，例如1/7、1/8或1/10等。如此一來，本實施例便可藉由調整電流鏡模組230內之電晶體M2與M3的寬長比，以有效地縮小電容C的佈局面積。

綜上所述，本發明採用靜電放電偵測單元來偵測靜電放電狀態是否發生，藉以在當靜電放電狀態發生時，控制靜電放電防護單元啟動且即時地將靜電放電電流導引至接地電壓，以避免核心電路的元件損壞，而在靜電放電狀態未發生(即正常操作)時，控制靜電放電防護單元關閉，以防止漏電流的發生。另外，本發明還可藉由調整回授單元之偏壓信號以及電流鏡模組產生之補償電流的大小(亦即調整電流鏡模組之電晶體M2與M3的寬長比)，來減少電路的佈局面積(亦即電容C的佈局面積)。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200．．．靜電放電防護裝置

110．．．N型金氧半電晶體

210．．．靜電放電防護單元

215．．．焊墊

220．．．靜電放電偵測單元

230．．．電流鏡模組

240．．．回授控制單元

250．．．緩衝器

C、C1．．．電容

R、R1、R2．．．電阻

M1~M9．．．電晶體

CS．．．控制信號

I．．．補償電流

VB．．．偏壓信號

VSS．．．接地電壓

圖1繪示為習知靜電放電防護裝置的示意圖。

圖2A繪示為本發明之一實施例之靜電放電防護裝置的方塊圖。

圖2B繪示為圖2A之靜電放電防護裝置的電路圖。

圖2C繪示為圖2B之靜電放電偵測單元之另一實施例的電路圖。

圖2D繪示為圖2B之緩衝器的電路圖。

200．．．靜電放電防護裝置

210．．．靜電放電防護單元

220．．．靜電放電偵測單元

230．．．電流鏡模組

240．．．回授控制單元

215．．．焊墊

VSS．．．接地電壓

CS．．．控制信號

VB．．．偏壓信號

I．．．補償電流

Claims (9)

1. 一種靜電放電防護裝置，包括：一靜電放電防護單元，耦接在一焊墊與一接地電壓之間；一靜電放電偵測單元，耦接該焊墊及該接地電壓，依據耦合該焊墊上上的一電壓信號來偵測一靜電放電狀態，並依據該靜電放電狀態以提供一控制信號至該靜電放電防護單元，使該靜電放電防護單元依據該控制信號以傳導一靜電放電電流至該接地電壓；一電流鏡模組，耦接該焊墊、該靜電放電偵測單元以及該靜電放電防護單元，接收並依據一偏壓信號，以產生一補償電流；以及一回授控制單元，耦接該焊墊、該靜電放電偵測單元與該電流鏡模組，接收並依據該控制信號，產生該偏壓信號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護裝置，其中該靜電放電防護單元包括：一第一電晶體，其閘極端接收該控制信號，其汲極端耦接該焊墊，其基體端與源極端耦接該接地電壓。
3. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護裝置，其中該靜電放電偵測單元包括：一電容，其第一端接收該補償電流，其第二端產生該控制信號；以及一電阻，其第一端耦接該電容的第二端，其第二端耦接該接地電壓。
4. 如申請專利範圍第3項所述之靜電放電防護裝置，其中該電容的佈局面積大小依據該補償電流而調整。
5. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護裝置，其中該電流鏡模組包括：一第二電晶體，其基體端與源極端耦接該焊墊，其汲極端與閘極端彼此耦接並接收該偏壓信號，且依據該偏壓信號而產生該補償電流；以及一第三電晶體，其閘極端耦接該第二電晶體的閘極端，其汲極端耦接該靜電放電防護單元，其基體端與源極端耦接該焊墊。
6. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護裝置，其中該回授控制單元包括：一緩衝器，其輸入端接收該控制信號，其電源端耦接該焊墊；以及一第四電晶體，其閘極端耦接該緩衝器的輸出端，其基體端與源極端耦接該焊墊，其汲極端產生該偏壓信號。
7. 如申請專利範圍第6項所述之靜電放電防護裝置，其中該緩衝器包括：一第五電晶體，其閘極端為該緩衝器的輸入端，其基體端與源極端為該緩衝器的電源端；一第六電晶體，其閘極端耦接該第五電晶體的閘極端，其汲極端耦接該第五電晶體的汲極端，其基體端與源極端耦接該接地電壓；一第七電晶體，其閘極端耦接該第五電晶體的汲極端，其基體端與源極端耦接該第五電晶體的源極端，其汲極端為該緩衝器的輸出端；以及一第八電晶體，其閘極端耦接該第七電晶體的閘極端，其汲極端耦接該第七電晶體的汲極端，其基體端與源極端耦接該第六電晶體的源極端。
8. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護裝置，其中該焊墊為一電源焊墊。
9. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護裝置，其中該靜電放電偵測單元包括：一電容，其第一端接收該補償電流，其第二端產生該控制信號；以及一第九電晶體，其閘極端耦接該焊墊，其汲極端耦接該電容的第二端，其源極端與基體端耦接該接地電壓。