TWI627727B

TWI627727B - 靜電放電防護裝置與其偵測電路

Info

Publication number: TWI627727B
Application number: TW106112648A
Authority: TW
Inventors: 徐薪承; 曹太和; 林柏青
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2017-04-14
Filing date: 2017-04-14
Publication date: 2018-06-21
Also published as: TW201838137A; US20180301898A1; US10714934B2

Abstract

靜電放電防護裝置包含偵測電路以及箝位電路。偵測電路用以根據不同的第一電壓與第二電壓輸出第一控制訊號與第二控制訊號。在一靜電放電事件發生時，偵測電路用以根據第二電壓執行反相操作以產生第一控制訊號與第二控制訊號。箝位電路用以根據第一控制訊號與第二控制訊號導通，以提供關聯於靜電放電事件之電流的放電路徑。

Description

靜電放電防護裝置與其偵測電路

本案是有關於一種靜電放電防護裝置，且特別是有關於採用標稱電壓之元件實施的耐高電壓的靜電放電防護裝置與其偵測電路。

一般而言，積體電路由一或多個電晶體實現。隨著製程發展，電晶體的尺寸越來越小，使得電晶體的任兩端所能承受的電壓越來越低。為了避免靜電放電所造成的過度電壓應力造成的損壞，通常會使用靜電放電防護電路來保護積體電路免於靜電放電之傷害。

於一些實施例中，靜電放電防護裝置包含偵測電路以及箝位電路。偵測電路用以根據不同的第一電壓與第二電壓輸出第一控制訊號與第二控制訊號。在一靜電放電事件發生時，偵測電路用以根據第二電壓執行反相操作以產生第一控制訊號與第二控制訊號。箝位電路用以根據第一控制訊號與第二控制訊號導通，以提供關聯於靜電放電事件之電流的放電路徑。

於一些實施例中，靜電放電偵測電路包含第一阻抗元件、第一耦合元件、反相器以及第一開關。第一阻抗元件用以接收第一電壓。第一耦合元件用以接收第二電壓，且第一電壓不同於第二電壓。其中第一耦合元件與第一阻抗元件耦接於第一節點，第一耦合元件更用以在靜電放電事件發生時傳送第二電壓至第一節點。反相器用以根據第一節點的第一電壓準位產生第一控制訊號。第一開關用以根據第二電壓與第一控制訊號導通，以將第一控制訊號輸出為第二控制訊號。其中第一控制訊號以及第二控制訊號用以控制箝位電路，以旁路關聯於靜電放電事件的電流。

綜上所述，本案提供的靜電放電防護裝置與偵測電路可藉由承受標稱電壓的元件實現，可使靜電放電防護裝置與偵測電路承受高於標稱電壓的操作電壓，並可在靜電放電事件發生時提供放電路徑，以提高裝置中內部元件的可靠度。

100‧‧‧靜電放電防護裝置

120‧‧‧偵測電路

140‧‧‧箝位電路

101、102、103‧‧‧電源軌

VDDH、VDDL‧‧‧電壓

VSS‧‧‧地電壓

VC1、VC2‧‧‧控制訊號

IED‧‧‧電流

R1、R2‧‧‧阻抗元件

M1、M2‧‧‧開關

C1、C2‧‧‧耦合元件

M3、M4、M5‧‧‧開關

NA、NB‧‧‧節點

122‧‧‧反相器

3.3V、1.8V、0V‧‧‧電壓

NC、ND‧‧‧節點

S310、S320‧‧‧操作

300、400‧‧‧方法

S410、S420‧‧‧操作

S330、S340‧‧‧操作

S430、S440‧‧‧操作

本案所附圖式之說明如下：第1圖為根據本揭示內容的一些實施例所繪示的一種靜電放電防護裝置的示意圖；第2圖為根據本揭示內容的一些實施例所繪示第1圖中的靜電放電防護裝置的電路示意圖；第3A圖為根據本揭示內容的一些實施例所繪示第2圖中的靜電放電防護裝置於正常操作時執行的方法之流程圖；第3B圖為根據本揭示內容的一些實施例所繪示第2圖中的靜電放電防護裝置於執行第3A圖的方法的操作狀態示意圖；第4A圖為根據本揭示內容的一些實施例所繪示第2圖中的靜電放電防護裝置於靜電放電事件發生時所執行的防護方法的流程圖；以及第4B圖為根據本揭示內容的一些實施例所繪示第2圖中的靜電放電防護裝置於執行第4A圖的方法的操作狀態示意圖。

下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，但所提供之實施例並非用以限制本案所涵蓋的範圍，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本案所涵蓋的範圍。此外，圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。為使便於理解，下述說明中相同元件將以相同之符號標示來說明。

關於本文中所使用之『約』、『大約』或『大致約』一般通常係指數值之誤差或範圍約百分之二十以內，較好地是約百分之十以內，而更佳地則是約百分五之以內。文中若無明確說明，其所提及的數值皆視作為近似值，即如『約』、『大約』或『大致約』所表示的誤差或範圍。

另外，關於本文中所使用之『耦接』或『連接』，均可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，亦可指二或多個元件相互操作或動作。

參照第1圖，第1圖為根據本揭示內容的一些實施例所繪示的一種靜電放電(Electrostatic Discharge,ESD)防護裝置100的示意圖。於一些實施例中，ESD防護裝置100可應用於各種電子裝置、積體電路或晶片中，以提高上述元件的可靠度。

於一些實施例中，ESD防護裝置100包含偵測電路120以及箝位電路140。偵測電路120與箝位電路140耦接於電源軌101、電源軌102以及電源軌103之間。於一些實施例中，電源軌101用於提供電壓VDDH，電源軌102用於提供電壓VDDL，其中電壓VDDH不同於電壓VDDL。於一些實施例中，電源軌103用於提供地電壓VSS。

於一些實施例中，電壓VDDL低於電壓VDDH。舉例而言，於一些應用中，電壓VDDH約為3.3伏特(V)，且電壓VDDL約為1.8V。於一些實施例中，地電壓VSS小於電壓VDDH或電壓VDDL。例如，於一些應用中，地電壓VSS約為0V。上述關於各電壓的數值僅為示例。各種適用於電壓VDDH、VDDL或VSS的數值皆為本案所涵蓋的範圍。

偵測電路120耦接於電源軌101以及電源軌102之間，並用以根據電壓VDDH與電壓VDDL輸出控制訊號VC1以及控制訊號VC2。於一些實施例中，當ESD事件發生時，偵測電路120用以根據電壓VDDL執行反相操作，以產生控制訊號VC1以及控制訊號VC2。於一些實施例中，控制訊號VC1以及控制訊號VC2的訊號值可用來表示是否有ESD事件出現。此處之相關內容將於參照後述第3A圖與第4A圖說明。

箝位電路140耦接於電源軌101以及電源軌103之間，並用以根據控制訊號VC1以及控制訊號VC2導通，以提供關聯於ESD事件的電流IESD的放電路徑。

參照第2圖，第2圖為根據本揭示內容的一些實施例所繪示第1圖的ESD防護裝置100的電路示意圖。為易於理解，第2圖中的類似元件按照第1圖被指定為相同標號。

於一些實施例中，偵測電路120包含多個阻抗元件R1~R2、多個耦合元件C1~C2、反相器122、開關M1與M2。於一些實施例中，多個耦合元件C1~C2用以可提供耦合交流訊號的路徑。例如。多個耦合元件C1~C2可由電容性元件實現。於一些實施例中，多個阻抗元件R1~R2可由各種主被動元件實現，例如包含被動電阻器、晶片上電阻或電晶體。上述關於各元件之實施方式僅為示例。各種適用於實施上述元件的實施方式皆為本案所涵蓋的範圍。

如第2圖所示，阻抗元件R1的一端耦接至電源軌101以接收電壓VDDH，且阻抗元件R1的另一端與耦合元件C1的一端耦接至節點NA。耦合元件C1的另一端耦接至電源軌102以接收電壓VDDL。反相器122操作於電壓VDDH以及電壓VDDL之間。反相器122的輸入端耦接至節點NA，且反相器122的輸出端耦接至節點NB。於一些實施例中，反相器122用以根據節點NA上的電壓準位輸出控制訊號VC1至節點NB。

於一些實施例中，開關M1由P型電晶體實現。如第2圖所示，開關M1的第一端耦接至節點NB以接收控制訊號VC1，開關M1的第二端耦接至節點NC，且開關M1的控制端耦接至電源軌102以接收電壓VDDL。開關M1用以根據電壓VDDL與控制訊號VC1導通，以將控制訊號VC1輸出為控制訊號VC2至節點NC。

阻抗元件R2的一端耦接至電源軌102以接收電壓VDDL，且阻抗元件R2的另一端耦接至節點ND。耦合元件C2耦接於節點ND以及電源軌103之間，以接收地電壓VSS。於一些實施例中，開關M2由N型電晶體實現。如第2圖所示，開關M2的第一端耦接至節點NC，開關M2的第二端耦接至電源軌103以接收地電壓VSS，且開關M2的控制端耦接至節點ND。於一些實施例中，開關M2用以根據節點ND的電壓準位調整其阻值，以調整控制訊號VC2的電壓準位。於一些實施例中，阻抗元件R2、耦合元件C2及開關M2可由另一阻抗元件所取代，其中所述另一阻抗元件耦接於節點NC與地電壓VSS之間。

箝位電路140包含多個串聯耦接的開關M3~M5。於一些實施例中，多個開關M3~M5可由N型電晶體實現。開關M3用以降低開關M4之第一端的電壓，開關M3的第一端與控制端耦接於電源軌101，且開關M3的第二端耦接於開關M4的第一端。開關M4的第二端耦接於開關M5的第一端，且開關M4的控制端耦接節點NB以接收控制訊號VC1。於一些實施例中，開關M4用以根據控制訊號VC1選擇性地導通。開關M5耦接於開關M4的第二端與電源軌103之間，且開關M5 的控制端耦接於節點NC以接收控制訊號VC2。於一些實施例中，開關M5用以根據控制訊號VC2而選擇性地導通。

參照第3A圖以及第3B圖。第3A圖為根據本揭示內容的一些實施例所繪示第2圖中的ESD防護裝置100於正常操作時執行的方法300之流程圖。第3B圖為根據本揭示內容的一些實施例所繪示第2圖中的ESD防護裝置100於執行方法300的操作狀態示意圖。為易於理解，第3B圖上示出各電壓的參考數值，但本案並不以此些數值為限。

於操作S310中，反相器122根據節點NA上的電壓準位輸出具有相同於電壓VDDL之電壓準位的控制訊號VC1至節點NB。例如，當ESD事件未發生時，電源軌101上不存在暫態訊號(例如為突波電壓或電流IESD)。於此條件下，多個耦合元件C1~C2皆無法傳遞訊號至對應節點。因此，節點NA的電壓準位經由阻抗元件R1維持於電壓VDDH(例如為3.3V)。據此，反相器122輸出電壓準位為1.8V的控制訊號VC1。

於操作S320中，開關M1根據電壓VDDL以及控制訊號VC1被關斷。於操作S330中，開關M2根據節點ND上的電壓準位導通，以下拉節點NC的電壓準位至地電壓VSS。例如，控制訊號VC1的電壓準位以及電壓VDDL皆為1.8V，故開關M1被關斷。如上所述，在ESD事件未發生時，耦合元件C2無法傳遞訊號，故節點ND的電壓準位經由阻抗元件R2而維持在電壓VDDL。因此，開關M2被導通而下拉節點NC的電壓準位至地電壓VSS(例如為0V)。換句話說，於操作S330中，開關M2的阻值被調整為低阻值而提供訊號傳遞路徑。等效而言，藉由操作S320以及S330，偵測電路120輸出具有相同於地電壓VSS之電壓準位的控制訊號VC2。

於操作S340，開關M5根據控制訊號VC2被關斷。如前所述，控制訊號VC2的電壓準位相同於地電壓VSS，故開關M5被關斷而不提供放電路徑。於一些實施例中，開關M3為常通，而開關M4依據實際開關的臨界值而可以被導通或關斷。因此，不論開關M4導通與否，於此例中，箝位電路140所提供的放電路徑仍透過開關M5切斷。換言之，當正常操作(亦即ESD事件未發生)時，箝位電路140不導通。如此一來，在正常操作下，可避免漏電流自電源軌101流至電源軌103。

參照第4A圖以及第4B圖。第4A圖為根據本揭示內容的一些實施例所繪示第2圖中的ESD防護裝置100於ESD事件發生時所執行的防護方法400流程圖。第4B圖為根據本揭示內容的一些實施例所繪示第2圖中的ESD防護裝置100於執行方法400的操作狀態示意圖。為易於理解，第4B圖上示出各電壓的參考數值，但本案並不以此些數值為限。

於操作S410中，反相器122根據節點NA上的電壓準位輸出具有相同於電壓VDDH之電壓準位的控制訊號VC1至節點NB。例如，當ESD事件發生時，電源軌101上存在暫態訊號(例如為突波電壓或電流IESD)。於此條件下，多個耦合元件C1~C2可傳遞訊號至對應節點。因此，節點NA的電壓準位經由耦合元件C1下拉至電壓VDDL。據此，反相器122輸出電壓準位為3.3V的控制訊號VC1。

於操作S420中，開關M1根據電壓VDDL以及控制訊號VC1被導通，以將控制訊號VC1輸出為控制訊號VC2。於操作S430中，開關M2根據節點ND上的電壓準位關斷。例如，當控制訊號VC1的電壓準位為3.3V以及電壓VDDL為1.8V時，開關M1會被導通。同時節點ND的電壓準位經由耦合元件C2而下拉至地電壓VSS，使得開關M2被關斷。換句話說，於操作S430，開關M2的阻值被調整為高阻值而切斷訊號傳遞路徑。等效而言，藉由操作S420以及S430，偵測電路120輸出具有相同於電壓VDDH之電壓準位的控制訊號VC2。

於操作S440中，開關M4根據控制訊號VC1導通，且開關M5根據控制訊號VC2被導通。如前所述，開關M3為常通。於此例中，控制訊號VC1與控制訊號VC2約為3.3V，故開關M4與開關M5被導通。換言之，當ESD事件發生時，箝位電路140為導通，以提供電流IESD的放電路徑。在ESD事件發生時，電流IESD可從電源軌101經由箝位電路140旁路至電源軌103。如此一來，ESD事件所引起的暫態電壓可被降低，以提高裝置內部元件的可靠度。

上述方法300與400的多個步驟僅為示例，並非限於上述示例的順序執行。在不違背本揭示內容的各實施例的操作方式與範圍下，在方法300與400下的各種操作當可適當地增加、替換、省略或以不同順序執行。

於上述各實施例中，ESD防護裝置100的電路設置方式僅為示例。各種可實施與ESD防護裝置100相同功能的電路設置方式皆為本案所涵蓋的設置範圍。例如，於一些實施例中，阻抗元件R2、耦合元件C2及開關M2可由一般的電阻元件實現。或者，於一些實施例中，箝位電路140可不採用開關M3。於一些實施例中，箝位電路140可僅包含開關M4及開關M5。箝位電路140中所採用的開關個數可視電壓VDDH的實際數值進行調整。

於各實施例中，ESD防護裝置100中所採用的電晶體的導電型態僅為示例。各種可實施ESD防護裝置100的導電型態的電晶體皆為本案所涵蓋的範圍。在各實施例中，ESD防護裝置100中所採用的開關元件可由承受標稱(nominal)電壓的電晶體實現。於一些實施例中，藉由ESD防護裝置100的設置方式，電晶體中的任意兩端之間的壓差可承受約110%的標稱電壓。於一些實施例中，電壓VDDH可約為標稱電壓的兩倍。

綜上所述，本案提供的ESD防護裝置、偵測電路與方法可藉由承受標稱電壓的元件實施，並在ESD事件發生時提供放電路徑，以提高裝置內部元件的可靠度。

雖然本案已以實施方式揭露如上，然其並非限定本案，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種靜電放電防護裝置，包含：一偵測電路，用以根據不同的一第一電壓與一第二電壓輸出一第一控制訊號與一第二控制訊號，其中該偵測電路包含一反相器，在一靜電放電事件發生時，該反相器用以根據該第二電壓執行一反相操作以產生該第一控制訊號與該第二控制訊號，且該反相器操作於該第一電壓與該第二電壓之間；以及一箝位電路，用以根據該第一控制訊號與該第二控制訊號導通，以提供關聯於該靜電放電事件之一電流的一放電路徑。
如請求項1所述的靜電放電防護裝置，其中該偵測電路更包含：一第一阻抗元件，耦接於一第一電源軌，以接收該第一電壓；一第一耦合元件，耦接於一第二電源軌，以接收該第二電壓，其中該第二電壓低於該第一電壓，該第一耦合元件與該第一阻抗元件耦接於一第一節點，且該第一耦合元件更用以在該靜電放電事件發生時傳送該第二電壓至該第一節點；以及一開關，用以根據該第二電壓與該第一控制訊號導通，以將該第一控制訊號輸出為該第二控制訊號。
如請求項2所述的靜電放電防護裝置，其中該偵測電路更包含：一第二阻抗元件，耦接於該開關與一第三電源軌之間，並用以調整該第二控制訊號的一電壓準位，其中該第三電源軌用以提供一地電壓。
如請求項3所述的靜電放電防護裝置，其中該當該靜電放電事件未發生時，該第二控制訊號的該電壓準位經由該第二阻抗元件下拉至該地電壓。
如請求項3所述的靜電放電防護裝置，其中該偵測電路更包含：一第三阻抗元件，耦接於該第二電源軌，以接收該第二電壓；以及一第二耦合元件，其中該第二耦合元件與該第三阻抗元件耦接於一第二節點，並用以在該靜電放電事件發生時下拉該第二節點的一第二電壓準位至該地電壓，其中該第二阻抗元件更用以根據該第二電壓準位調整該第二阻抗元件之阻值。
如請求項2所述的靜電放電防護裝置，其中當該靜電放電事件未發生時，該第一控制訊號的一電壓準位相同於該第二電壓，且當該靜電放電事件發生時，該第一控制訊號的該電壓準位相同於該第一電壓。
如請求項1所述的靜電放電防護裝置，其中該箝位電路包含：一第一開關，耦接至該偵測電路，並用以根據該第一控制訊號導通；以及一第二開關，串聯耦接於該第一開關與地之間，並用以根據該第二控制訊號導通，其中該第一開關與該第二開關形成該放電路徑。
如請求項7所述的靜電放電防護裝置，其中該箝位電路包含：一第三開關，串聯耦接於一電源軌與該第一開關之間，其中該電源軌用以提供該第一電壓。
一種靜電放電防護裝置，包含：一偵測電路，用以根據不同的一第一電壓與一第二電壓輸出一第一控制訊號與一第二控制訊號，其中在一靜電放電事件發生時，該偵測電路用以根據該第二電壓執行一反相操作以產生該第一控制訊號與該第二控制訊號，且該偵測電路更包含一開關，該開關用以根據該第二電壓與該第一控制訊號導通，以將該第一控制訊號輸出為該第二控制訊號；以及一箝位電路，用以根據該第一控制訊號與該第二控制訊號導通，以提供關聯於該靜電放電事件之一電流的一放電路徑。
一種靜電放電偵測電路，包含：一第一阻抗元件，用以接收一第一電壓；一第一耦合元件，用以接收一第二電壓，且該第一電壓不同於該第二電壓，其中該第一耦合元件與該第一阻抗元件耦接於一第一節點，該第一耦合元件更用以在一靜電放電事件發生時傳送該第二電壓至該第一節點；一反相器，用以根據該第一節點的一第一電壓準位產生一第一控制訊號；以及一第一開關，用以根據該第二電壓與該第一控制訊號導通，以將該第一控制訊號輸出為一第二控制訊號，其中該第一控制訊號以及該第二控制訊號用以控制一箝位電路，以旁路關聯於該靜電放電事件的一電流。