TWI436591B - 具有過電壓保護之輸出驅動器及用於輸出驅動器之過電壓保護的方法 - Google Patents

Description

具有過電壓保護之輸出驅動器及用於輸出驅動器之過電壓保護的方法

本發明關於保護積體電路對抗施加至外部墊片之過度電性應力，且更特別地，關於具有過電壓保護之輸出驅動器及用於輸出驅動器之過電壓保護的方法。

目前利用次微米製程科技所備製之超大型積體電路(very large scale integrated circuit，VLSI)晶片具有相當小的幾何空間且操作於例如3伏特或更小的低電源供應電壓下。這類超大型積體電路易受到施加至該晶片外部墊片之過度電性應力之影響。例如，超過連接至一外部墊片之電晶體額定電壓之電壓可能使那些電晶體動作失敗。可於例如測試或使用之晶片生命期間內任何時間施用該過度電性應力至該晶片。然而，某些架構較其它架構更易受到過度電性應力之影響。例如，連接至外部裝置或連接器之晶片特別易受到不慎之過電壓應用影響。一特定例係為一電腦設備上常用之USB(通用序列式雙向)通訊埠。

用以在該電源供應電壓導通之例子中保護輸出驅動器對抗過電壓之電路係習知。然而，這類電路不會保護在該電源供應電壓關閉、處於低壓下、斷路或接地之例子中之輸出驅動器。但是，在這些情況下提供過電壓保護以防止對這類電路之不慎損害係可期待的。該過電壓可能發生於任何時間，也不限於在該電源供應電壓導通時期。例如，某些製造商可能需要該通用序列式雙向埠來對抗一5.25伏特過電壓，而與該電源供應電壓是導通或關閉無關。

因此，對於積體電路中之輸出驅動器過電壓保護之改良方法及裝置係有需要的。

根據本發明第一觀點，於一積體電路中提供一輸出驅動器。該輸出驅動器包括可由一電源供應電壓進行操作並耦接至一輸出墊片之驅動器電路；以及經配置以回應於該輸出墊片上之電壓而產生一墊片分壓並回應於該電源供應電壓之不存在而提供該墊片分壓至該驅動器電路之至少一電晶體做為一保護供應電壓之驅動器功率調節器。

根據本發明第二觀點，提供一種用於一積體電路中之驅動器電路的過電壓保護方法。該驅動器電路係可由一電源供應電壓進行操作並耦接至一輸出墊片。該方法包括回應於該輸出墊片上之電壓而產生一墊片分壓、偵測該電源供應電壓之不存在、及在該電源供應電壓不存在時施加該墊片供應分壓至該驅動器電路之至少一電晶體做為一保護供應電壓。

根據本發明第三觀點，提供一種用於一積體電路中之電路的過電壓保護方法。該電路係可由一電源供應電壓進行操作並耦接至一輸出墊片。該方法包括回應於該輸出墊片上之電壓而產生一保護電壓；及在該電源供應電壓不存在時施加該保護電壓至該電路之至少一電晶體。

一習知輸出驅動器電路之示意圖係示於圖1。若該電源供應電壓VDD存在，則該輸出驅動器被視為過電壓容許。P型金屬氧化物半導體電晶體20和22以及N型金屬氧化物半導體電晶體24和26係串接於該供應電壓VDD及接地之間並構成該基本輸出驅動器。該節點連接電晶體22和24係透過一電阻器54耦接至一輸出墊片30。電晶體24之閘極與供應電壓VDD之連接，保護電晶體24和26兩者避開製程過電壓。一包含P型金屬氧化物半導體電晶體32和34之mux(多工器)28防止了於過電壓事件下激發至供應電壓VDD之寄生二極體。一P型金屬氧化物半導體電晶體40於墊片過電壓大於供應電壓VDD之事件下強迫節點PC循跡追蹤輸出墊片30，藉以保護電晶體20和22，同時切斷從輸出墊片30至供應電壓VDD之任何電流路徑。由N型金屬氧化物半導體電晶體42及P型金屬氧化物半導體電晶體44所構成之傳輸閘藉由限制節點47至供應電壓VDD來保護任何驅動節點45的裝置(於此實例中為反相器46)。由P型金屬氧化物半導體電晶體50及N型金屬氧化物半導體電晶體52所構成之傳輸閘強迫節點53循跡追蹤該輸出墊片30。在某些例子中，電晶體50和52可被省略，且電晶體44之閘極可直接連接至輸出墊片30。在某些例子中可以不用電阻器54。

當圖1驅動器電路係配合3伏特之供應電壓VDD來操作且該輸出墊片30被施予一高達5.25伏特之電壓時，沒有電晶體承受過電壓。然而，若供應電壓VDD被短路接地且該輸出墊片30被施予一高達5.25伏特之電壓，這顯示電晶體24、42、52、40、32、34、50、22和44承受過度電性應力。有鑑於此，改良之驅動器電路係有需要的。

根據本發明一實施例之輸出驅動器100之方塊圖係示於圖2。該輸出驅動器100包含一驅動器電路110，具有訊號輸入端114和116及一連接至輸出墊片112之訊號輸出端。驅動器電路110係連接至一電源供應電壓VDD及接地。輸出驅動器100進一步包含一驅動器功率調節器120，其如下所述地提供保護以對抗過度電性應力。功率調節器120係連接至電源供應電壓VDD、接地及輸出墊片112。此外，功率調節器120接收一指示電源供應電壓VDD存在之待命訊號122。功率調節器120提供一保護供應電壓124至驅動器電路110，也可同時提供一保護井電壓126至驅動器電路110。

功率調節器120可包含一耦接於輸出墊片112及接地間之分壓器130。分壓器130包含串接之第一分壓構件132及第二分壓構件134。一節點136連接第一分壓構件132及第二分壓構件134。當一電壓存在於輸出墊片112上時，一墊片分壓存在於節點136上。該墊片分壓大小係為輸出墊片112上之電壓及分壓構件132及134之分壓比之函數。在某些實施例中，該墊片分壓約為輸出墊片112上之電壓的一半。然而，本發明不限於此。針對輸出墊片112上所給定之最大電壓，分壓器130之分壓比被選擇以產生一墊片分壓來保護驅動器電路110內之電晶體。

功率調節器120進一步包含一多工器140，其具有一接收供應電壓VDD之第一輸入端以及一接收來自分壓器130之墊片分壓之第二輸入端。多工器140包含一接收該待命訊號122之控制輸入端以及一供應該保護供應電壓124至驅動器電路110之輸出端。當該待命訊號122指示該供應電壓VDD存在時，多工器140提供供應電壓VDD做為該保護供應電壓。當該待命訊號122指示該電源供應電壓VDD不存在時，多工器140提供該墊片分壓做為該保護供應電壓。應了解，一非零墊片分壓僅存在於輸出墊片112上具有電壓之例子中。該保護供應電壓124保護驅動器電路110免於受到下述過度電性應力之損壞。

根據本發明另一實施例之功率調節器120之方塊圖係示於圖2A。如同在圖2中，功率調節器120係連接至電源供應電壓VDD及接地，並接至輸出墊片112。此外，功率調節器120接收待命訊號122並提供保護供應電壓124，同時可供應保護井電壓126至驅動器電路110(圖2)。多工器140包含一接收供應電壓VDD之第一輸入端及一接收該墊片分壓之第二輸入端。

在圖2A之實施例中，功率調節器120包含一耦接於輸出墊片112及多工器140之第二輸入端之間的降壓構件160。該降壓構件160產生一壓降，其使得該墊片分壓成為輸出墊片112上電壓之分數值。在某些實施例中，該墊片分壓係約輸出墊片112上電壓的一半。然而，本發明不限於此。藉由範例說明，該降壓構件160可為一二極體、串接之二或更多二極體、一電阻器、一電池或這些構件之結合。在每一個例子中，該降壓構件160被選擇以使輸出墊片112上之特定最大電壓及該墊片分壓間之差值不會過度加壓於該驅動器電路之電晶體。

由功率調節器120所執行操作之流程圖係示於圖3。在動作200中，該墊片分壓係由分壓器130回應於輸出墊片112上之電壓所產生。如上所示，分壓器130之分壓比被選擇以避免對於一在輸出墊片112上之給定電壓損壞驅動器電路110內之電晶體。在動作202中，對該電源供應電壓VDD是否不存在進行判定。本判定可由該待命訊號122之狀態來進行。若該電源供應電壓並非不存在(存在)，則在動作204中，施加該電源供應電壓至該驅動器電路110。若在動作202中判定該電源供應電壓不存在，則在動作206中，施加該墊片分壓至驅動器電路110。應了解，只有在輸出墊片112上之電壓不為零時，該墊片分壓才不為零。該功率調節器120不斷以本方式監控該電源供應電壓之狀態。

根據本發明一實施例之輸出驅動器100配置之示意圖係示於圖4。該輸出驅動器100之配置包含驅動器電路110及功率調節器120。在驅動器電路110中，P型金屬氧化物半導體電晶體220和222及N型金屬氧化物半導體電晶體224和226係串接於該供應電壓VDD及接地之間並構成該基本輸出驅動器。連接電晶體222和224之節點230係透過一電阻器254耦接至輸出墊片112。驅動器電路110接收來自功率調節器120之保護供應電壓124。P型金屬氧化物半導體電晶體240和250及N型金屬氧化物半導體電晶體242、252和224之閘極係連接至該保護供應電壓。驅動器電路110同時接收來自功率調節器120之保護井電壓126。

一多工器228包含P型金屬氧化物半導體電晶體232和234。電晶體232接收保護井電壓126，且電晶體234係耦接至輸出墊片112。多工器228之輸出端係耦接至P型金屬氧化物半導體電晶體220、222、240、244和250之井。

當供應電壓VDD存在且該墊片電壓係小於VDD時，該多工器228提供供應電壓VDD至電晶體220和222之後閘極。若該墊片電壓超過VDD，一大電流可流經電晶體220和222之寄生二極體而到達該供應電壓VDD。該多工器228施加VDD或該墊片電壓之最大值至電晶體220和222之井。當供應電壓VDD不存在時，該墊片電壓可超過電晶體232和234之最大操作電壓。藉由施加該保護井電壓126至電晶體232和234，本問題被避開。

送至驅動器電路110之輸入訊號包含一P訊號270、一N訊號272及一P控制訊號274。該P訊號270係透過邏輯閘247和248耦接至節點276及P型金屬氧化物半導體電晶體220之閘極。該P控制訊號274係透過邏輯閘245和246耦接至節點278及電晶體242和244。該N訊號272係耦接至N型金屬氧化物半導體電晶體226之閘極。在其它實施例中，一N控制訊號可透過兩個邏輯閘耦接至N型金屬氧化物半導體電晶體224之閘極。在這些其它實施例中，驅動N型金屬氧化物半導體電晶體224之最後一個邏輯閘係由該保護供應電壓124所供電。邏輯閘246和248係由該保護供應電壓124所供電，然而，邏輯閘245和247係由該供應電壓VDD所供電。

功率調節器120配置之示意圖係示於圖5。該功率調節器120依據該電源供應電壓VDD之狀態及輸出墊片112上之電壓產生該保護供應電壓124及該保護井電壓126。藉由直接連接至供應電壓VDD、連接至供應電壓VDD之延遲版本或連接至供應電壓VDD之分數版本，使該待命訊號122循跡追蹤供應電壓VDD。

若供應電壓VDD係存在的，則待命訊號122係高位準，且節點306(RDYB)被N型金屬氧化物半導體電晶體300所拉低。P型金屬氧化物半導體電晶體302隔離節點306與節點136並禁止電流通過N型金屬氧化物半導體電晶體304。在這些情況下，節點136上之電壓係接近於供應電壓VDD。這個阻止了操作時輸出墊片112上之高頻訊號透過電晶體340耦接至該保護供應電壓124。當節點306係低位準時，電晶體312導通，且供應電壓VDD流經電晶體312以提供保護供應電壓124。此外，當節點306係低位準時，電晶體310導通，且供應電壓VDD流經電晶體310以提供保護井電壓126。

接成二極體形式的N型金屬氧化物半導體電晶體320、322、324和326以及電阻器342充當一分壓器使用，沒有裝置承受過度電性應力。連接至電晶體322及電阻器342之節點328提供一墊片分壓329。電晶體320、322、324和326流過一小電流，其在輸出墊片112上之電壓到達該製程電壓限制之前並不重要。一N型金屬氧化物半導體電晶體330鏡射此低電流並配合N型金屬氧化物半導體電晶體304來建立節點136上之墊片分壓成為大約輸出墊片112上該電壓的一半。電流鏡電晶體330經電晶體302通過一電流。利用一低位準之待命訊號122使流經電晶體302之電流在電晶體302上建立一閘極-源極電壓V_gs 。流經電晶體330和302之電流也流過電晶體304和電阻器344。因此，電晶體304和324中之電流係匹配的。在本實施例中，該電流比係為1.0，但是該比值可以是不同的。因此，跨過電晶體304之閘極-源極電壓係與跨過電晶體324之閘極-源極電壓相同，且節點136和328上之電壓係近乎相等。若輸出墊片112上升至5.2伏特，節點136上之墊片分壓上升至大約2.6伏特。

若供應電壓VDD不存在，則待命訊號122係低位準，且節點306係高位準。電晶體340之閘極接收該低位準待命訊號122，且該墊片分壓通過電晶體340以提供該保護供應電壓124。電晶體312之閘極接收節點306上之高位準而被關閉。

P型金屬氧化物半導體電晶體310、312和340分享一連接至該保護供應電壓124之共用井。在供應電壓VDD不存在之例子中，電晶體310被節點306上之高位準所關閉。結果，該保護供應電壓124係透過電晶體310之井及寄生二極體耦接至高阻抗之保護井電壓126。因此，當供應電壓VDD不存在時，該保護供應電壓124及該保護井電壓126兩者係大約該輸出墊片電壓的一半。在其它實施例中，一獨立保護井電壓未被利用到，且該保護供應電壓124係耦接至驅動器電路110中需要保護的那些電晶體之井。

視需要，電阻器342和344可被選擇以下降額外電壓。在其它實施例中，電阻器342和344可由另一裝置取代以產生額外壓降，或可被省略。若輸出墊片112被快速地驅動至低位準，便使用N型金屬氧化物半導體電晶體350以快速放電該分壓器。電晶體350雖不需用於操作該電路，但在某些應用中係有用的。

當電源供應VDD不存在時，該保護供應電壓124被施加至驅動器電路110內電晶體之閘極，否則其會被存在於輸出墊片112上之電壓所過度加壓。考慮圖4之N型金屬氧化物半導體電晶體224並假設一3.3伏特之最大電壓額定值。若一5.2伏特電壓被施加至輸出墊片112且電晶體224之閘極因供應電壓VDD關閉而接地，電晶體224會被過度加壓。然而，根據本發明特徵，該保護供應電壓124被施加至電晶體224之閘極。該保護供應電壓係在這些情況下之墊片分壓。該墊片分壓係接近輸出墊片112上電壓的一半，或針對輸出墊片112上一5.2伏特電壓大約為2.6伏特。在這些情況下，電晶體224承受輸出墊片112上之電壓及該保護供應電壓間之差值，或約為上例中之2.6伏特。因此，電晶體224未被過度加壓。類似分析可被應用至驅動器電路110中之其它電晶體。選擇分壓器130之分壓比以使輸出墊片112上之特定最大電壓及該墊片分壓間之差值未過度加壓於該驅動器電路中之電晶體。

本發明各實施例已被描述，但許多改善例及修改例會發生於熟知此項技術之人士。因此，並非要限制本發明廣度至所示及所述特定實施例。相對地，本發明範圍係只受限於所附申請專利範圍及它們的等效例。

20、22．．．P型金屬氧化物半導體電晶體

24、26．．．N型金屬氧化物半導體電晶體

28．．．多工器

30．．．輸出墊片

32、34、40．．．P型金屬氧化物半導體電晶體

42．．．N型金屬氧化物半導體電晶體

44．．．P型金屬氧化物半導體電晶體

45．．．節點

46．．．反相器

47．．．節點

50．．．P型金屬氧化物半導體電晶體

52．．．N型金屬氧化物半導體電晶體

53．．．節點

54．．．電阻器

100．．．輸出驅動器

110．．．驅動器電路

112．．．輸出墊片

114、116．．．訊號輸入端

120．．．功率調節器

122．．．待命訊號

124．．．保護供應電壓

126．．．保護井電壓

130．．．分壓器

132．．．第一分壓構件

134．．．第二分壓構件

136．．．節點

140．．．多工器

160．．．降壓構件

200、202、204、206．．．由功率調節器所執行操作之每一個動作

220、222．．．P型金屬氧化物半導體電晶體

224、226．．．N型金屬氧化物半導體電晶體

228．．．多工器

230．．．節點

232、234、240．．．P型金屬氧化物半導體電晶體

242．．．N型金屬氧化物半導體電晶體

244．．．P型金屬氧化物半導體電晶體

245、246、247、248．．．邏輯閘

250．．．P型金屬氧化物半導體電晶體

252．．．N型金屬氧化物半導體電晶體

254．．．電阻器

270．．．P訊號

272．．．N訊號

274．．．P控制訊號

276、278．．．節點

300．．．N型金屬氧化物半導體電晶體

302．．．P型金屬氧化物半導體電晶體

304．．．N型金屬氧化物半導體電晶體

306．．．節點

310、312．．．電晶體

320、322、324、326．．．N型金屬氧化物半導體電晶體

328．．．節點

329．．．墊片分壓

330．．．N型金屬氧化物半導體電晶體

340．．．電晶體

342、344．．．電阻器

350．．．電晶體

為了更加了解本發明而參考至附圖，在此將其整體一併整合參考之，其中：

圖1係一習知輸出驅動器之示意圖。

圖2係根據本發明一實施例之輸出驅動器之示意方塊圖。

圖2A係根據本發明另一實施例之功率調節器之示意方塊圖。

圖3係根據本發明一實施例，說明圖2中該功率調節器操作之流程圖。

圖4係根據本發明一實施例之輸出驅動器配置之示意圖。

圖5係根據本發明一實施例之圖4的功率調節器之示意圖。

100‧‧‧輸出驅動器

110‧‧‧驅動器電路

112‧‧‧輸出墊片

114、116‧‧‧訊號輸入端

120‧‧‧功率調節器

122‧‧‧待命訊號

124‧‧‧保護供應電壓

126‧‧‧保護井電壓

130‧‧‧分壓器

132‧‧‧第一分壓構件

134‧‧‧第二分壓構件

136‧‧‧節點

140‧‧‧多工器

Claims (20)

1. 一種積體電路中之輸出驅動器，包括：一驅動器電路，可由一電源供應電壓來操作並耦接至一輸出墊片；及一驅動器功率調節器，配置以回應於該輸出墊片上之電壓而產生一墊片分壓並回應於該電源供應電壓之不存在而提供該墊片分壓至該驅動器電路之至少一電晶體做為一保護供應電壓；其中，該驅動器電路包含一輸入邏輯構件，其中，該輸入邏輯構件係在該電源供應電壓之不存在時，由該保護供應電壓所供電。
2. 如申請專利範圍第1項所定義之輸出驅動器，其中，該驅動器功率調節器係配置以回應於該電源供應電壓之存在而提供該電源供應電壓做為該保護供應電壓。
3. 根據申請專利範圍第1項所定義之輸出驅動器，其中，該驅動器功率調節器係配置以產生一墊片分壓而使在該輸出墊片上之特定最大電壓及該墊片分壓間之差值不會過度加壓該驅動器電路中之電晶體。
4. 如申請專利範圍第1項所定義之輸出驅動器，其中，該驅動器功率調節器包含一分壓器電路，用以產生來自該輸出墊片上電壓之墊片分壓；以及一開關電路，用以回應於該電源供應電壓之不存在而供應該墊片分壓至該驅動器電路。
5. 如申請專利範圍第1項所定義之輸出驅動器，其中， 該驅動器功率調節器包含一降壓構件，用以產生來自該輸出墊片上電壓之墊片分壓；以及一開關電路，用以回應於該電源供應電壓之不存在而供應該墊片分壓至該驅動器電路。
6. 如申請專利範圍第1項所定義之輸出驅動器，進一步包括一保護電路，用以在一過電壓被施加至該輸出墊片且該電源供應電壓係存在時，保護該驅動器電路之電晶體。
7. 如申請專利範圍第1項所定義之輸出驅動器，其中，該驅動器功率調節器係配置以在該電源供應電壓之不存在時，提供一保護井電壓至該驅動器電路中電晶體之井。
8. 如申請專利範圍第1項所定義之輸出驅動器，其中，該驅動器電路包含一或更多欲受保護之電晶體，且其中，該保護供應電壓係耦接至該等欲受保護電晶體之一或更多終端。
9. 一種用於一積體電路中驅動器電路之過電壓保護的方法，該驅動器電路可由一電源供應電壓來操作並耦接至一輸出墊片，該方法包括：回應於該輸出墊片上之電壓而產生一墊片分壓；偵測該電源供應電壓之不存在；及回應於偵測到該電源供應電壓不存在而施加該墊片分壓至該驅動器電路之至少一電晶體做為一保護供應電壓；其中，一輸入邏輯構件係耦接至該驅動器電路，進一步包括：在該電源供應電壓不存在時，施加該保護供應電壓至該輸入邏輯構件。
10. 如申請專利範圍第9項所定義之方法，進一步包括：回應於偵測到該電源供應電壓之存在而施加該電源供應電壓至該輸出驅動器電路做為該保護供應電壓。
11. 如申請專利範圍第10項所定義之方法，其中，施加該墊片分壓包括：回應於偵測到該電源供應電壓之不存在而自該電源供應電壓切換至該墊片分壓。
12. 如申請專利範圍第9項所定義之方法，其中，產生一墊片分壓包括產生一墊片分壓以使在該輸出墊片上之特定最大電壓及該墊片分壓間之差值不會過度加壓該驅動器電路中之電晶體。
13. 如申請專利範圍第9項所定義之方法，進一步包括：在該電源供應電壓存在時，保護該驅動器電路對抗該輸出墊片上之過電壓。
14. 如申請專利範圍第9項所定義之方法，進一步包括：在該電源供應電壓不存在時，施加一保護井電壓至該驅動器電路中電晶體之井。
15. 如申請專利範圍第9項所定義之方法，其中，該驅動器電路包含一或更多欲受保護之電晶體，且其中，該墊片分壓係施加至該等欲受保護電晶體之一或更多終端。
16. 如申請專利範圍第9項所定義之方法，其中，產生一墊片分壓包括：分割該輸出墊片上之電壓以提供該墊片分壓。
17. 如申請專利範圍第9項所定義之方法，其中，產生一墊片分壓包括：下降該輸出墊片上之電壓以提供該墊片 分壓。
18. 一種用於一積體電路中驅動器電路之過電壓保護之方法，該驅動器電路可由一電源供應電壓來操作並耦接至一輸出墊片，該方法包括：回應於該輸出墊片上之電壓而產生一保護電壓；及在該電源供應電壓不存在時施加該保護電壓至該驅動器電路之至少一電晶體；其中，一輸入邏輯構件係耦接至該驅動器電路，進一步包括：在該電源供應電壓不存在時，施加該保護電壓至該輸入邏輯構件。
19. 如申請專利範圍第18項所定義之方法，其中，產生一墊片分壓包括產生該保護電壓以使在該輸出墊片上之特定最大電壓及該保護電壓間之差值不會過度加壓該驅動器電路中之電晶體。
20. 如申請專利範圍第18項所定義之方法，其中，該驅動器電路包含一或更多欲受保護之電晶體，且其中，該保護電壓係施加至該等欲受保護電晶體之一或更多終端。