TWI408792B - 保護電路 - Google Patents

Description

保護電路

本發明係有關於一種保護電路，特別是有關於一種靜電放電保護電路。

隨著半導體製程的發展，積體電路之元件尺寸已縮小至次微米階段以增進積體電路的性能以及運算速度。但元件尺寸的縮減，卻出現了一些可靠度的問題，尤以積體電路對靜電放電(electrostatic discharge，ESD)或雷擊(lightning surge)的防護能力影響最大，換句話說，元件對於ESD的耐受力大幅降低。

第1圖係表示一習知ESD保護裝置。參閱第1圖，單一ESD保護裝置10耦接於輸出入埠11與晶片組12之間。當輸出入埠11遭受到突波電壓時，則會引起過量的電流，稱為突波電流。此時，為了保護晶片組12不受到突波電流所擊損，保護裝置10則會排放部分電荷，即由保護電流12來將部分電流I10導入接地端GND。剩下的殘餘電流I2則進入至晶片組12。但是殘餘電流I11之電荷仍會造成晶片組12遭受到過渡的電性應力(electrical overstress，EOS)，使得晶片組12內之元件損壞，而整體系統無法正常地運作。

第2圖係表示另一習知ESD保護裝置。第2圖與第1圖之不同之處在於，具有兩個ESD保護裝置。參閱第2圖，兩個ESD保護裝置20a及20b耦接於輸出入埠21與晶片組22之間。同樣地，當輸出入埠21遭受到突波電壓時，保護裝置20b應會排放部分電荷。但是如此將形成π型電路，可能無法達到20b的箝位電壓。此外，雖然保護裝置20a與20b則將部分電流I20a與I20b導入接地端GND，剩下的殘餘電流I21之電荷會造成晶片組22內之元件損壞，而整體系統無法正常地運作。

因此，期望提供一種保護電路，其能執行靜電放電操作，並能更降低靜電放電操作後進入至晶片組之殘餘電流。

本發明提供一種保護電路，耦接於晶片組與輸出入埠之間，此保護電路包括至少二個保護裝置以及一控制裝置。該些保護裝置彼此並聯，且耦接於輸出入埠與晶片組之間。該些保護裝置接收來自輸出入埠之輸入信號。當輸出入埠具有突波電流時，該些保護裝置對該突波電流執行放電操作。控制裝置選擇該些保護裝置之一者以傳送輸入信號至晶片組。

在一些實施例中，控制裝置偵測晶片組是否接收輸入信號，並根據偵測結果來選擇該些保護裝置之一者以傳送輸入信號至晶片組。

在另一些實施例中，當控制裝置選擇該些保護裝置之一者且偵測到晶片組沒有接收輸入信號時，控制裝置選擇另一保護裝置以傳送輸入信號至晶片組。

為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

第3a圖係表示根據本發明實施例之保護電路。參閱第3a圖，保護電路30耦接於輸出入埠31與晶片組32。輸出入埠31用以接收輸入信號IN30。保護電路30包括至少二個保護裝置310以及一個控制裝置311。在此實施例中，係以三個保護裝置310a-310c為例來說明。在實際應用上，保護裝置310之數量根據系統需求而定。保護裝置310a-310c彼此並聯且耦接於輸出入埠31與晶片組32之間。每一保護裝置310a-310c都接收來自輸出入埠31之輸入信號IN30。當輸出入埠31遭受到突波電壓而引起突波電流時，保護裝置310a-310c則執行放電操作以排放部分電荷至接地端GND。控制裝置311則產生控制信號Sa、Sb、及Sc分別給保護裝置310a-310c，以選擇保護裝置310a-310c之一者使其傳送輸入信號IN30至晶片組32。因此，當輸出入埠31遭受到突波電壓而引起突波電流時，藉由並聯之保護裝置310a-310c來將此突波電流分散成三個較小的電流，從而降低透過保護裝置310a-310c之一者而被傳送至晶片組32之殘餘電流。詳細電路與說明將由下文來敘述。

參閱第3a圖，每一保護裝置310a-310c都包括保護元件PE3與開關元件SE3：保護裝置310a包括保護元件PE3_a與開關元件SW3_a；保護裝置310b包括保護元件PE3_b與開關元件SW3_b；以及保護裝置310c包括保護元件PE3_c與開關元件SW3_c。在此實施例中，保護元件PE3_a-PE3_c係以電容器、二極體、或電晶體來實現。以下將以保護裝置310a為例來說明，而保護裝置310b及310c具有與保護裝置310a相同之電路架構。如第3a圖所示，保護元件PE3_a耦接於輸出入埠31與接地端GND之間。開關元件SW3_a耦接於輸出入埠31與晶片組32之間，且受控於控制信號Sa。

假設控制裝置311選擇保護裝置310a使其傳送輸入信號IN30至晶片組32。此時，保護裝置310a之開關元件SW3_a則根據來自控制裝置311之控制信號Sa而導通，保護裝置310b及310c之開關元件SW3_b及SW3_c則根據控制信號Sb與Sc而關閉。因此，來自輸出入埠31之輸入信號IN30透過保護裝置310a而傳送至晶片組32。當輸出入埠31遭受到突波電壓而引起突波電流Ispi時，突波電流Ispi分散成三個較小的電流Ia、Ib、及Ic而分別流入保護裝置310a-310c。保護裝置310a-310c之保護元件PE3_a-PE3_c分別執行放電操作以排放電流Ia、Ib、及Ic之電荷。由於突波電流Ispi已藉由並聯之保護裝置310a-310c而分散成三個較小的電流Ia、Ib、及Ic，因此，即使保護裝置310a之保護元件PE3_a無法完全排放電流Ia之電荷而產生殘餘電流Ire_a，此殘餘電流Ire_a也相應地減小，降低了晶片組32被擊損的機率。

同時地，控制裝置311會偵測晶片組32是否接收來自保護裝置310a之輸入信號IN30。若控制裝置311偵測到晶片組32沒有接收輸入信號IN30，則表示保護裝置310a之開關元件SW3_a被殘餘電流Ire_a所擊損。控制裝置311根據偵測結果來選擇另一保護裝置使其傳送輸入信號IN30至晶片組32，例如選擇保護裝置310b。參閱第3b圖，此時，保護裝置310b之開關元件SW3_b則根據來自控制裝置311之控制信號Sb而導通，保護裝置310a及310c之開關元件SW3_a及SW3_c則根據控制信號Sa與Sc而關閉。

在上述實施例中，保護裝置310a-310b之開關元件SW3_a、SW3_b、及SW3_c具有相同之規格。

在其他實施例中，可將其一開關元件設計為具有較低之規格，例如開關元件SW3_b。控制裝置311可預設選擇保護裝置310b使其傳送輸入信號IN30至晶片組32。當輸出入埠31遭受到突波電壓而引起突波電流Ispi時，保護裝置310b之開關元件SW3_b則被其殘餘電流擊損，得以保護晶片組32而不受到突波電流Ispi侵襲。此時，控制裝置311偵測到晶片組32沒有接收輸入信號IN30，並選擇具有較高之規格之開關單元的保護電路SW3_a及SW3_c來傳送輸入信號IN30至晶片組32。

第4a圖係表示根據本發明實施例之另一保護電路。參閱第4a圖，保護電路40耦接於輸出入埠41與晶片組42。輸出入埠41用以接收輸入信號IN40。保護電路40包括至少二個保護裝置410、控制裝置411、以及開關裝置412。在此實施例中，係以三個保護裝置410a-410c為例來說明。在實際應用上，保護裝置410之數量根據系統需求而定。保護裝置410a-410c彼此並聯且耦接於輸出入埠41與開關裝置412之間。每一保護裝置410a-410c都接收來自輸出入埠41之輸入信號IN40。當輸出入埠41遭受到突波電壓而引起突波電流時，保護裝置410a-410c則執行放電操作以排放部分電荷至接地端GND。控制裝置411則產生控制信號Sa、Sb、及Sc分別給保護裝置410a-410c，以選擇保護裝置410a-410c之一者使其透過開關裝置412傳送輸入信號IN40至晶片組42。因此，當輸出入埠41遭受到突波電壓而引起突波電流時，藉由並聯之保護裝置410a-410c來將此突波電流分散成三個較小的電流，從而降低透過保護裝置410a-410c之一者而被傳送至晶片組42之殘餘電流。詳細電路與說明將由下文來敘述。

參閱第4a圖，每一保護裝置410a-410c都包括保護元件PE4與開關元件SE4：保護裝置410a包括保護元件PE4_a與開關元件SW4_a；保護裝置410b包括保護元件PE4_b與開關元件SW4_b；以及保護裝置410c包括保護元件PE4_c與開關元件SW4_c。在此實施例中，保護元件PE4_a-PE4_c係以電容器、二極體、或電晶體來實現。以下將以保護裝置410a為例來說明，而保護裝置410b及410c具有與保護裝置410a相同之電路架構。如第4a圖所示，保護元件PE4_a耦接於輸出入埠41與接地端GND之間。開關元件SW4_a耦接於輸出入埠31與開關裝置412之間，且受控於控制信號Sa。

參閱第4a圖，開關裝置412包括多工器元件MUX。多工器元件MUX具有三個輸入端ITa、ITb、及ITc，分別耦接保護裝置410a-410c之開關元件SW4_a-SW4_c。多工器元件MUX具有一輸出端OT，耦接晶片組42。

假設控制裝置411選擇保護裝置410a使其傳送輸入信號IN40至晶片組42。此時，保護裝置410a之開關元件SW4_a則根據來自控制裝置411之控制信號Sa而導通，保護裝置410b及410c之開關元件SW4_b及SW4_c則根據控制信號Sb與Sc而關閉。此時，開關裝置412之多工器元件MUX則根據來自控制裝置411之控制信號Smux而透過對應之輸入端ITa接收來自保護裝置410a之輸入信號IN40。因此，來自輸出入埠41之輸入信號IN40透過保護裝置410a與多工器元件MUX而傳送至晶片組42。當輸出入埠41遭受到突波電壓而引起突波電流Ispi時，突波電流Ispi分散成三個較小的電流Ia、Ib、及Ic而分別流入保護裝置410a-410c。保護裝置410a-410c之保護元件PE4_a-PE4_c分別執行放電操作以排放電流Ia、Ib、及Ic之電荷。由於突波電流Ispi已藉由並聯之保護裝置410a-410c而分散成三個較小的電流Ia、Ib、及Ic，因此，即使保護裝置410a之保護元件PE4_a無法完全排放電流Ia之電荷而產生殘餘電流Ire_a，此殘餘電流Ire_a也相應地減小，降低了晶片組42被擊損的機率。

同時地，控制裝置411會偵測晶片組42是否接收來自保護裝置410a之輸入信號IN40。若控制裝置411偵測到晶片組42沒有接收輸入信號IN30，則表示保護裝置410a之開關元件SW4_a被殘餘電流Ire_a所擊損。控制裝置411根據偵測結果來選擇另一保護裝置使其傳送輸入信號IN40至晶片組42，例如選擇保護裝置410b。此時，保護裝置410b之開關元件SW4_b則根據來自控制裝置311之控制信號Sb而導通，保護裝置410a及410c之開關元件SW4_a及SW4_c則根據控制信號Sa與Sc而關閉。開關裝置412之多工器元件MUX則根據來自控制裝置411之控制信號Smux而透過對應之輸入端ITb接收來自保護裝置410b之輸入信號IN40。因此，自輸出入埠41之輸入信號IN40係透過保護裝置410b與多工器元件MUX而傳送至晶片組42。

根據本發明之上述實施例，當輸出入埠遭遇到突波電流時，突波電流藉由並聯之複數保護裝置而分散成數個較小的電流。因此可減少殘餘電流量，以降低晶片組被擊損的機率。此外，保護裝置可作為防護閘。當其中之一的保護裝置被殘餘電流擊損而無法傳送輸入信號時，控制裝置可選擇先未損壞之保護裝置來傳送輸入信號至晶片組，以使系統能恢復正常運作。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，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，當可做些許的更動與潤飾，因此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。

第1圖：

10．．．保護裝置

11．．．輸出入埠

12．．．晶片組

I10．．．放電電流

I11．．．殘餘電流

第2圖：

20a、20b．．．保護裝置

21．．．輸出入埠

22．．．晶片組

I20a、I20b．．．放電電流

I21．．．殘餘電流

第3a-3b圖：

30．．．保護電路

31．．．輸出入埠

32．．．晶片組

310a、310b、310c．．．保護裝置

311．．．控制裝置

GND．．．接地端

Ia、Ib、Ic．．．電流

Ire_a．．．殘餘電流

IN30．．．輸入信號

PE3_a、PE3_b、PE3_c．．．保護元件

SW3_a、SW3_b、SW3_c．．．開關元件

Sa、Sb、Sc．．．開關元件之控制信號

第4a-4b圖：

40．．．保護電路

41．．．輸出入埠

42．．．晶片組

410a、410b、410c．．．保護裝置

411．．．控制裝置

412．．．開關裝置

GND．．．接地端

MUX．．．多工器元件

Ia、Ib、Ic．．．電流

Ire_a．．．殘餘電流

IN40．．．輸入信號

ITa、IT2、IT3．．．多工器元件之輸入端

PE4_a、PE4_b、PE4_c．．．保護元件

OT．．．多工器元件之輸出端

Smux．．．多工器元件之控制信號

SW4_a、SW4_b、SW4_c．．．開關元件

Sa、Sb、Sc．．．開關元件之控制信號

第1圖表示一習知ESD保護裝置；

第2圖表示另一習知ESD保護裝置；

第3a-3b圖表示根據本發明實施例之一ESD保護電路；以及

第4a-4b圖表示根據本發明實施例之另一ESD保護裝置。

30．．．保護電路

31．．．輸出入埠

32．．．晶片組

310a、310b、310c．．．保護裝置

311．．．控制裝置

GND．．．接地端

Ia、Ib、Ic．．．電流

Ire_a．．．殘餘電流

IN30．．．輸入信號

PE3_a、PE3_b、PE3_c．．．保護元件

SW3_a、SW3_b、SW3_c．．．開關元件

Sa、Sb、Sc．．．開關元件之控制信號

Claims (16)

1. 一種保護電路，耦接於一晶片組與一輸出入埠之間，包括：至少二個彼此並聯之保護裝置，耦接於該輸出入埠與該晶片組之間，其中，該等保護裝置接收來自該輸出入埠之一輸入信號，且當該輸出入埠具有一突波電流時，用以對該突波電流執行一放電操作；以及一控制裝置，用以選擇該等保護裝置之一者以傳送該輸入信號至該晶片組；其中，每一該保護裝置包括：一保護元件，耦接於該輸出入埠與一接地端之間；以及一開關元件，耦接於該輸出入埠與該晶片組之間，且受控於一控制信號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之保護電路，其中，該控制裝置偵測該晶片組是否接收該輸入信號，並根據該偵測結果來選擇該等保護裝置之一者以傳送該輸入信號至該晶片組。
3. 如申請專利範圍第2項所述之保護電路，其中，當該控制裝置選擇該等保護裝置之一者且偵測到該晶片組沒有接收該輸入信號時，該控制裝置選擇另一該保護裝置以傳送該輸入信號至該晶片組。
4. 如申請專利範圍第1項所述之保護電路，其中，該控制裝置偵測該晶片組是否接收該輸入信號，並根據該偵測結果來產生該等控制信號以選擇性地導通該等開關元件之一者。
5. 如申請專利範圍第1項所述之保護電路，其中，該 保護元件係以一電容器、一二極體、或一電晶體來實現。
6. 如申請專利範圍第1項所述之保護電路，其中，該等保護裝置之一者之該開關元件的規格低於其他之該等保護裝置之該等開關元件的規格。
7. 如申請專利範圍第6項所述之保護電路，其中，該控制裝置預設選擇具有低規格之該開關元件的該保護裝置以傳送該輸入信號至該晶片組。
8. 如申請專利範圍第7項所述之保護電路，其中，當該控制裝置選擇具有低規格之該開關元件的該保護裝置且偵測到該晶片組沒有接收該輸入信號時，該控制裝置選擇另一該保護裝置以傳送該輸入信號至該晶片組。
9. 如申請專利範圍第1項所述之保護電路，更包括：一開關裝置，耦接於該等保護裝置與該晶片組之間，其中，當該控制裝置選擇該等保護裝置之一者時，該控制裝置控制該開關裝置接收來自被選擇之該保護裝置之該輸入信號以傳送至該晶片組。
10. 如申請專利範圍第9項所述之保護電路，其中，該控制裝置偵測該晶片組是否接收該輸入信號，並根據該偵測結果來選擇該等保護裝置之一者以透過該開關裝置傳送該輸入信號至該晶片組。
11. 如申請專利範圍第10項所述之保護電路，其中，當該控制裝置選擇該等保護裝置之一者且偵測到該晶片組沒有接收該輸入信號時，該控制裝置選擇另一該保護裝置以透過該開關裝置傳送該輸入信號至該晶片組。
12. 如申請專利範圍第9項所述之保護電路，其中，每一該保護裝置包括： 一保護元件，耦接於該輸出入埠與一接地端之間；以及一開關元件，耦接於該輸出入埠與該開關裝置之間，且受控於一控制信號。
13. 如申請專利範圍第12項所述之保護電路，其中，該控制裝置偵測該晶片組是否接收該輸入信號，並根據該偵測結果來產生該等控制信號以選擇性地導通該等開關元件之一者，以透過該開關裝置傳送該輸入信號至該晶片組。
14. 如申請專利範圍第12項所述之保護電路，其中，該保護元件以一電容器、一二極體、或一電晶體來實現。
15. 如申請專利範圍第9項所述之保護電路，其中，該開關裝置包括一多工器元件，具有分別耦接該等開關元件之至少兩輸入端以及耦接該晶片組之一輸出端。
16. 如申請專利範圍第15項所述之保護電路，其中，當該控制裝置選擇該等保護裝置之一者時，該控制裝置控制該多工器元件透過對應之該輸入端接收來自被選擇之該保護裝置之該輸入信號。