TWI509927B - 靜電放電防護電路 - Google Patents

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Description

靜電放電防護電路
本發明係有關於靜電放電防護電路，尤指一種具有可調整時間常數(time constant)的靜電放電防護電路。
近年來，由於電子產品的靜電放電(Electrostatic Discharge，ESD)法規的要求日趨增加，除了元件層級(component level)的靜電放電測試之外，系統層級的靜電槍(ESD gun)測試、電氣快速暫態脈衝(Electrical Fast Transient，EFT)測試、雷擊(surge)測試等也逐步被加入到產品驗證項目中。然而，由於每一種靜電放電測試的靜電放電期間(ESD stress duration)都不一樣，舉例來說，系統層級的靜電槍測試與雷擊測試的靜電放電期間都會大於元件層級的靜電放電測試，因此，如何因應不同的測試以及不同產品的應用來設計靜電放電防護電路，以使得靜電放電防護電路在不同情形之下都能夠有效宣洩靜電放電電流，以達到保護內部電路的效果，是一個重要的課題。
因此，本發明的目的之一在於提供一種靜電放電防護電路，其可以因應不同的測試或是不同產品的應用來調整靜電放電防護電路中的電阻電容時間常數，以在不同情形之下都能夠有效宣洩靜電放電電流，達到保護內部電路的效果。
依據本發明一實施例，一種靜電放電防護電路包含有多個電阻、至少一電容、一驅動電路以及一靜電放電箝制元件，其中每一個電阻的一第 一端點連接到一第一供應電壓，且至少一部份的電阻的一第二端點分別透過其對應的開關以選擇性地連接到一輸入端點，且該電容的一第一端點連接到一第二供應電壓，且一第二端點連接到該輸入端點；該驅動電路係用以根據該輸入端點上的電壓以產生一驅動訊號；且該靜電放電箝制元件係耦接於該驅動電路、並連接於該第一供應電壓與該第二供應電壓之間，且該靜電放電箝制元件用以根據該驅動訊號來選擇性地旁通一靜電放電電流。
依據本發明另一實施例，一種靜電放電防護電路包含有至少一電阻、多個電容、一驅動電路以及一靜電放電箝制元件，其中該電阻的一第一端點連接到一第一供應電壓，且一第二端點連接到一輸入端點；每一個電容的一第一端點係連接到一第二供應電壓，且至少一部份的電容的一第二端點係分別透過其對應的開關以選擇性地連接到該輸入端點；該驅動電路係用以根據該輸入端點上的電壓以產生一驅動訊號；且該靜電放電箝制元件係耦接於該驅動電路、並連接於該第一供應電壓與該第二供應電壓之間，且該靜電放電箝制元件用以根據該驅動訊號來選擇性地旁通一靜電放電電流。
100、400、500‧‧‧靜電放電防護電路
102、402‧‧‧第一電源線
104、404‧‧‧第二電源線
110、410、510、550‧‧‧驅動電路
120、420、520、560‧‧‧靜電放電箝制元件
130、430、530‧‧‧控制電路
440、540‧‧‧偵測電路
442、N1‧‧‧端點
C1~CM‧‧‧電容
D1、D2、D3‧‧‧二極體
Nin‧‧‧輸入端點
R1~RN‧‧‧電阻
SWR2~SWRN、SWC2~SWCM‧‧‧開關
第1圖為依據本發明一實施例之靜電放電防護電路的示意圖。
第2圖為當靜電放電防護電路進行元件層級的人體放電模式測試時的示意圖。
第3圖為當靜電放電防護電路進行系統層級的靜電槍測試時的示意圖。
第4圖為依據本發明另一實施例之靜電放電防護電路的示意圖。
第5圖為依據本發明另一實施例之靜電放電防護電路的示意圖。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定 的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。此外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段，因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或者透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
請參考第1圖，第1圖為依據本發明一實施例之靜電放電防護電路100的示意圖。如第1圖所示，靜電放電防護電路100包含了多個電阻R1 ~RN 、多個電容C1 ~CM 、一驅動電路110、一靜電放電箝制元件120以及一控制電路130，其中電阻R1 ~RN 的第一端點均連接到用來提供一第一供應電壓VDD 的一第一電源線102，電阻R1 的第二端點連接到一輸入端點Nin，而電阻R2 ~RN 的第二端點則分別透過其對應的開關SWR2 ~SWRN 以選擇性地連接到輸入端點Nin；以及電容C1 ~CN 的第一端點均連接到用來提供一第二供應電壓VSS 的一第二電源線104，電容C1 的第二端點連接到輸入端點Nin，而電容C2 ~CN 的第二端點則分別透過其對應的開關SWC2 ~SWCM 以選擇性地連接到輸入端點Nin。
在本實施例中，開關SWR2 ~SWRN 、SWC2 ~SWCM 為可編程(programmable)開關，且開關SWR2 ~SWRN 、SWC2 ~SWCM 的導通/非導通狀態係由控制電路130所產生的控制訊號Vc來控制。此外，因應靜電放電防護電路100所應用的電子產品的不同，或是靜電放電防護電路100所需要進行的靜電放電測試，每一個開關SWR2 ~SWRN 、SWC2 ~SWCM 分別具有一預設的導通/非導通狀態。
在第1圖所示的靜電放電防護電路100中，藉由開關SWR2 ~SWRN 、SWC2 ~SWCM 的導通與否，電阻R1 ~RN 與電容C1 ~CM 可以產生各種不同的時間常數(time constant)，亦即圖示的輸入端點Nin因應第一供應電壓VDD 改變的響應能力也不同。另外，驅動電路110用來根據輸入端點Nin上的電壓以產生一驅動訊號Vd，而靜電放電箝制元件120根據驅動訊號Vd來選擇性地旁通(bypass)一靜電放電電流，亦即在第一供應電壓VDD 與第二供應電壓VSS 之間提供一個電流路徑。需注意的是，雖然在第1圖中驅動電路110是以三個反相器串接而成，而靜電放電箝制元件120是一個N型電晶體，然而，本領域技術人員應能了解驅動電路110可以採用任何其他的緩衝電路來實現，且靜電放電箝制元件120也可以具有其他不同的電路設計。
以下舉例說明靜電放電防護電路100根據所需要進行的靜電放電測試來進行時間常數設定的示意圖，請先參考第2圖，當靜電放電防護電路100需要進行元件層級的人體放電模式(Human-Body Model，HBM)測試時，會施加一個具有電壓值VESD 的測試脈波至第一電源線102，此時控制電路130係被設定來產生控制訊號Vc以使得所有的開關SWR2 ~SWRN 、SWC2 ~SWCM 均為未導通的狀態，亦即此時圖式電路所產生的時間常數為R1 *C1 。在一實施例中，由於時間常數與輸入端點Nin電壓爬升的時間有關，時間常數越大則端點Nin電壓爬升的時間越長，因此，當靜電放電防護電路100進行人體放電模式測試時，其時間常數R1 *C1 會大於測試脈波的脈波寬度(此脈波寬度可參見於相關的規格書中)，以使得在測試脈波具有高電壓準位VESD 的期間內，靜電放電箝制元件120會持續導通以旁通因為測試脈波所產生的一靜電放電電流。
接著，請參考第3圖，當靜電放電防護電路100需要進行系統層 級的靜電槍測試時，控制電路130係被設定來產生控制訊號Vc以使得開關SWC2 為導通狀態，而其餘的開均為未導通的狀態，亦即此時電阻R1 ~RN 與電容C1 ~CM 所產生的時間常數為R1 *(C1 +C2 )。在一實施例中，當靜電放電防護電路100進行系統層級的靜電槍測試時，其時間常數R1 *(C1 +C2 )會大於靜電槍所產生之測試脈波的脈波寬度(此脈波寬度可參見於相關的規格書中)，以使得在測試脈波具有高電壓準位的期間內，靜電放電箝制元件120會持續導通以旁通因為測試脈波所產生的一靜電放電電流。
基於上述有關於第2、3圖的敘述，當靜電放電防護電路100需要進行其他種類的靜電放電測試時，例如電氣快速暫態脈衝測試或是雷擊測試時，亦可以藉由控制每一個開關SWR2 ~SWRN 、SWC2 ~SWCM 的導通與否，來決定出最適合的時間常數，以達到最佳的靜電放電防護效果。
需要注意的是，上述第1~3圖所描述的是靜電放電防護電路100可以根據所應用的電子產品的不同，或是需要進行的靜電放電測試，來產生具有不同時間常數的電阻電容電路，因此，本領域具有通常知識者應能了解到第1~3圖所示的電阻R1 ~RN 與電容C1 ~CM 的設計並非是作為本發明的限制。舉例來說，在本發明的其他實施例中，圖示的電阻R1 與電容C1 也可以透過開關來連接到輸入端點Nin，電阻R1 ~RN 與電容C1 ~CM 所設置的位置可以對調(其他電路需要做相對應的變化)，或是電阻R2 ~RN 及開關SWR2 ~SWRN 可以自第1圖所示的靜電放電防護電路100中移除(亦即時間常數可控制的範圍為(R1 *C1 )~(R1 *(C1 +C2 +...+CM )))，抑或是電容C2 ~CM 及開關SWC2 ~SWCM 可以自第1圖所示的靜電放電防護電路100中移除(亦即時間常數可控制的範圍為(R1 *C1 )~(R1 //R2 ...//RN )*C1 )，這些設計上的變化均應隸屬於本發明的範疇。
請參考第4圖，第4圖為依據本發明另一實施例之靜電放電防護 電路400的示意圖。如第4圖所示，靜電放電防護電路400包含了多個電阻R1 ~RN 、多個電容C1 ~CM 、一驅動電路410、一靜電放電箝制元件420、一控制電路430及一偵測電路440，其中電阻R1 ~RN 的第一端點均連接到用來提供一第一供應電壓VDD 的一第一電源線402，電阻R1 的第二端點連接到一輸入端點Nin，而電阻R2 ~RN 的第二端點則分別透過其對應的開關SWR2 ~SWRN 以選擇性地連接到輸入端點Nin；以及電容C1 ~CN 的第一端點均連接到用來提供一第二供應電壓VSS 的一第二電源線404，電容C1 的第二端點連接到輸入端點Nin，而電容C2 ~CN 的第二端點則分別透過其對應的開關SWC2 ~SWCM 以選擇性地連接到輸入端點Nin。
在本實施例中，開關SWR2 ~SWRN 、SWC2 ~SWCM 為可編程開關，且開關SWR2 ~SWRN 、SWC2 ~SWCM 的導通/非導通狀態係由控制電路430所產生的控制訊號Vc來控制。此外，因應靜電放電防護電路400所應用的電子產品的不同，或是靜電放電防護電路400所需要進行的靜電放電測試，每一個開關SWR2 ~SWRN 、SWC2 ~SWCM 分別具有一預設的導通/非導通狀態。
在第4圖所示的靜電放電防護電路400中，藉由開關SWR2 ~SWRN 、SWC2 ~SWCM 的導通與否，電阻R1 ~RN 與電容C1 ~CM 可以產生各種不同的時間常數(time constant)，亦即圖示的輸入端點Nin因應第一供應電壓VDD 改變的響應能力也不同。另外，驅動電路410用來根據輸入端點Nin上的電壓以產生一驅動訊號Vd，而靜電放電箝制元件420根據驅動訊號Vd來選擇性地旁通(bypass)一靜電放電電流，亦即在第一供應電壓VDD 與第二供應電壓VSS之間提供一個電流路徑。需注意的是，雖然在第4圖中驅動電路410是以三個反相器串接而成，而靜電放電箝制元件420是一個N型電晶體，然而，本領域技術人員應能了解驅動電路410可以採用任何其他的緩衝電路來實現，且靜電放電箝制元件420也可以具有其他不同的電路設計。
另外，在第4圖所示的靜電放電防護電路400中，偵測電路440會偵測一端點442或是第一電源線402上的電壓準位以產生一偵測結果，其中端點442可以是晶片中任何可以反映出是否有靜電發生的端點，例如任何連接到第一供應電壓VDD 的端點；且控制電路430可根據偵測電路440所產生的該偵測結果來動態地對每一個開關SWR2 ~SWRN 、SWC2 ~SWCM 進行控制，以產生具有不同時間常數的電阻電容電路。舉例來說，當偵測電路440偵測到第一電源線402上的電壓準位高於一臨界值時，控制電路430會產生控制訊號Vc以產生具有更大時間常數的電阻電容電路，亦即使得電阻R1 ~RN 與電容C1 ~CM 對輸入端點Nin所造成的時間常數會大於預設的導通/非導通狀態時對輸入端點Nin所造成的時間常數。舉例來說，假設每一個開關SWR2 ~SWRN 、SWC2 ~SWCM 的預設狀態均為非導通狀態，亦即在預設狀態時電阻電容電路對輸入端點Nin所造成的時間常數為(R1 *C1 )，當偵測電路440偵測到第一電源線402上的電壓準位高於一臨界值時，控制電路430可以產生控制訊號Vc以使得開關SWC2 為導通狀態，亦即此時電阻電容電路對輸入端點Nin所造成的時間常數為(R1 *(C1 +C2 ))。接著，當偵測電路440偵測到第一電源線402上的電壓準位下降時，例如低於一臨界值時，控制電路430可再次產生控制訊號Vc以使得開關SWC2 為非導通狀態，亦即電阻電容電路對輸入端點Nin所造成的時間常數回復到預設的(R1 *C1 )。
請參考第5圖，第5圖為依據本發明另一實施例之靜電放電防護電路500的示意圖。如第5圖所示，靜電放電防護電路500包含了多個電阻R1 ~RN 、多個電容C1 ~CM 、一驅動電路510、一靜電放電箝制元件520、一控制電路530及一偵測電路540，其中電阻R1 ~RN 的第一端點均連接到一第一電源域(power domain)的一第一供應電壓VDD1 ，電阻R1 的第二端點連接到一輸入端點Nin，而電阻R2 ~RN 的第二端點則分別透過其對應的開關 SWR2 ~SWRN 以選擇性地連接到輸入端點Nin；以及電容C1 ~CN 的第一端點均連接到第一電源域的一第二供應電壓VSS1 ，電容C1的第二端點連接到輸入端點Nin，而電容C2 ~CN 的第二端點則分別透過其對應的開關SWC2 ~SWCM 以選擇性地連接到輸入端點Nin。
此外，靜電放電防護電路500係設置於一晶片中，且該晶片另包含有位於一第二電源域的電路，其中第5圖所示之使用第二電源域的電路亦為一靜電放電防護電路，且其包含了一電阻R、一電容C、一驅動電路550以及一靜電放電箝制元件560。在第5圖中，第一電源域與第二電源域的供應電壓VDD1 、VDD2 、VSS1 、VSS2 分別透過二極體D1、D2、D3來連接。
在本實施例中，開關SWR2 ~SWRN 、SWC2 ~SWCM 為可編程開關，且開關SWR2 ~SWRN 、SWC2 ~SWCM 的導通/非導通狀態係由控制電路530所產生的控制訊號Vc來控制。此外，因應靜電放電防護電路500所應用的電子產品的不同，或是靜電放電防護電路500所需要進行的靜電放電測試，每一個開關SWR2 ~SWRN 、SWC2 ~SWCM 分別具有一預設的導通/非導通狀態。
在第5圖所示的靜電放電防護電路500中，藉由開關SWR2 ~SWRN 、SWC2 ~SWCM 的導通與否，電阻R1 ~RN 與電容C1 ~CM 可以產生各種不同的時間常數，亦即圖示的輸入端點Nin因應第一供應電壓VDD1 改變的響應能力也不同。另外，驅動電路510用來根據輸入端點Nin上的電壓以產生一驅動訊號Vd，而靜電放電箝制元件520根據驅動訊號Vd來選擇性地旁通一靜電放電電流，亦即在第一供應電壓VDD1 與第二供應電壓VSS1 之間提供一個電流路徑。需注意的是，雖然在第5圖中驅動電路510是以三個反相器串接而成，而靜電放電箝制元件520是一個N型電晶體，然而，本領域技術人員應能了解驅動電路510可以採用任何其他的緩衝電路來實現，且靜電放電箝制元件520 也可以具有其他不同的電路設計。
另外，在第5圖所示的靜電放電防護電路500中，偵測電路540會偵測第二電源域中的端點N1以產生一偵測結果，且控制電路430可根據偵測電路440所產生的該偵測結果來動態地對每一個開關SWR2 ~SWRN 、SWC2 ~SWCM 進行控制，以產生具有不同時間常數的電阻電容電路。舉例來說，當偵測電路540偵測到端點N1上的電壓準位高於一臨界值時，控制電路530會產生控制訊號Vc以產生具有更大時間常數的電阻電容電路，亦即使得電阻R1 ~RN 與電容C1 ~CM 對輸入端點Nin所造成的時間常數會大於預設的導通/非導通狀態時對輸入端點Nin所造成的時間常數。接著，若是偵測電路540偵測到端點N1上的電壓準位下降時，例如低於一臨界值時，控制電路530可再次產生控制訊號Vc以使得開關SWC2 為非導通狀態，亦即電阻R1 ~RN 與電容C1 ~CM 回復到預設的時間常數。
需注意的是，雖然第5圖所示的偵測電路540係偵測第二電源域中的端點N1以產生偵測結果，然而，在本發明之其他實施例中，偵測電路540亦可偵測晶片中任何可以反映出是否有靜電發生的端點來產生偵測結果，這些設計上的變化均應隸屬於本發明的範疇。
在第5圖的靜電放電防護電路500，第一電源域中的電路可以是晶片中較為重要的電路，因此，藉由偵測其他電源域中是否有靜電發生來主動地增加電容電阻電路的時間常數，可以提前對其中的電路進行保護。
簡要歸納本發明，在本發明的靜電放電防護電路中，可以因應不同的測試或是不同產品的應用來調整靜電放電防護電路中的電阻電容時間常數，因此，在不同情形之下都能夠有效宣洩靜電放電電流，達到保護內部電 路的效果。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100‧‧‧靜電放電防護電路
102‧‧‧第一電源線
104‧‧‧第二電源線
110‧‧‧驅動電路
120‧‧‧靜電放電箝制元件
130‧‧‧控制電路
Nin‧‧‧輸入端點
C1~CM‧‧‧電容
R1~RN‧‧‧電阻
SWR2~SWRN、SWC2~SWCM‧‧‧開關

Claims (14)

  1. 一種靜電放電防護電路，包含有：多個電阻，其中每一個電阻的一第一端點連接到一第一供應電壓，且至少一部份的電阻的一第二端點分別透過其對應的開關以選擇性地連接到一輸入端點；至少一電容，其中該電容的一第一端點連接到一第二供應電壓，且一第二端點連接到該輸入端點；一驅動電路，連接於該輸入端點，用以根據該輸入端點上的電壓以產生一驅動訊號；以及一靜電放電箝制元件，耦接於該驅動電路、並連接於該第一供應電壓與該第二供應電壓之間，其中該靜電放電箝制元件用以根據該驅動訊號來選擇性地旁通(bypass)一靜電放電電流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的靜電放電防護電路，其中該至少一部份的電阻所分別對應到的開關係為可編程(programmable)開關，且該些開關分別具有一預設的導通/非導通狀態。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的靜電放電防護電路，其中該靜電放電防護電路係位於一晶片中，且該靜電放電防護電路另包含有：一偵測電路，用以偵測該晶片中一特定端點上的電壓準位，以產生一偵測結果；以及一控制電路，耦接於該偵測電路，用以根據該偵測結果來控制該至少一部份的電阻所對應到的開關的導通/非導通狀態。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的靜電放電防護電路，其中該第一供應電壓係由一第一電源線所提供，該第二供應電壓係由一第二電源線所提供， 且該偵測電路偵測該第一電源線或是該第二電源線上的電壓準位以產生該偵測結果。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的靜電放電防護電路，其中當該偵測結果表示該特定端點上的電壓準位高於一預定電壓準位時，該控制電路控制該至少一部份的電阻所對應到的開關的導通/非導通狀態，以使得該多個電阻與該至少一電容對該輸入端點所造成的時間常數(time constant)會大於該預設的導通/非導通狀態時該多個電阻與該至少一電容對該輸入端點所造成的時間常數。
  6. 如申請專利範圍第3項所述的靜電放電防護電路，其中該特定端點與該靜電放電防護電路係分別位於該晶片中的不同電源域(power domain)。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的靜電放電防護電路，其中該至少一電容包含多個電容，每一個電容的一第一端點係連接到一第二供應電壓，且至少一部份的電容的一第二端點係透過相對應的開關以選擇性地連接到該輸入端點。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的靜電放電防護電路，其中該至少一部份的電阻與該至少一部份的電容所分別對應到的開關係為可編程開關，且該些開關分別具有一預設的導通/非導通狀態。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的靜電放電防護電路，其中該靜電放電防護電路係位於一晶片中，且該靜電放電防護電路另包含有：一偵測電路，用以偵測該晶片中一上的電壓準位，以產生一偵測結果；以及 一控制電路，耦接於該偵測電路，用以根據該偵測結果來控制該至少一部份的電阻與該至少一部份的電容所對應到的開關的導通/非導通狀態。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的靜電放電防護電路，其中該第一供應電壓係由一第一電源線所提供，該第二供應電壓係由一第二電源線所提供，且該偵測電路偵測該第一電源線或是該第二電源線上的電壓準位以產生該偵測結果。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的靜電放電防護電路，其中當該偵測結果表示該特定端點上的電壓準位高於一預定電壓準位時，該控制電路控制該至少一部份的電阻與該至少一部份的電容所對應到的開關的導通/非導通狀態，以使得該多個電阻與該多個電容對該輸入端點所造成的時間常數(time constant)會大於該預設的導通/非導通狀態時該多個電阻與該多個電容對該輸入端點所造成的時間常數。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的靜電放電防護電路，其中該特定端點與該靜電放電防護電路係分別位於該晶片中的不同電源域(power domain)。
  13. 一種靜電放電防護電路，包含有：至少一電阻，其中該電阻的一第一端點連接到一第一供應電壓，且一第二端點連接到一輸入端點；多個電容，其中每一個電容的一第一端點係連接到一第二供應電壓，且至少一部份的電容的一第二端點係分別透過其對應的開關以選擇性地連接到該輸入端點；一驅動電路，連接於該輸入端點，用以根據該輸入端點上的電壓以產生 一驅動訊號；以及一靜電放電箝制元件，耦接於該驅動電路、並連接於該第一供應電壓與該第二供應電壓之間，其中該靜電放電箝制元件用以根據該驅動訊號來選擇性地旁通(bypass)一靜電放電電流。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的靜電放電防護電路，其中該至少一部份的電容所分別對應到的開關係為可編程(programmable)開關，且該些開關分別具有一預設的導通/非導通狀態。
TW103128707A 2014-08-20 2014-08-20 靜電放電防護電路 TWI509927B (zh)

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