TWI851368B

TWI851368B - 靜電放電電路

Info

Publication number: TWI851368B
Application number: TW112128841A
Authority: TW
Inventors: 王世鈺; 黃文聰; 徐誌緯
Original assignee: 旺宏電子股份有限公司
Filing date: 2023-08-01
Publication date: 2024-08-01

Abstract

一種靜電放電電路，包含放電開關、第一觸發電路及第二觸發電路。放電開關包含第一端、第二端及控制端。第一端耦接於積體電路的第一電源域，第二端耦接於積體電路的第二電源域，以使第一端相對於第二端為高電位。第一觸發電路耦接於第一端及控制端之間，且包含電容。第二觸發電路耦接於第二端及控制端之間，其中當第一電源域出現靜電放電電壓時，第二觸發電路用以在第二端及控制端之間形成導通電壓，以導通放電開關。當第二電源域出現靜電放電電壓時，第二觸發電路用以將第二端及控制端相短路，以透過靜電放電電壓導通放電開關。

Description

靜電放電電路

本揭示內容關於靜電放電防護技術，特別是關於一種靜電放電電路。

在積體電路的設計上，由於人體放電或機器放電的因素，靜電放電（Electro Static Discharge）造成的電壓及電流容易對電路內部造成損害。因此，積體電路中需要設置靜電放電電路，達到靜電保護的目的。

本揭示內容係關於一種靜電放電電路，包含放電開關、第一觸發電路及第二觸發電路。放電開關包含第一端、第二端及控制端。第一端耦接於積體電路的第一電源域，第二端耦接於積體電路的第二電源域，以使第一端相對於第二端為高電位。第一觸發電路耦接於第一端及控制端之間，且包含電容。第二觸發電路耦接於第二端及控制端之間，其中當第一電源域出現靜電放電電壓時，第二觸發電路用以在第二端及控制端之間形成導通電壓，以導通放電開關。當第二電源域出現靜電放電電壓時，第二觸發電路用以將第二端及控制端相短路，以透過靜電放電電壓導通放電開關。

本揭示內容還關於一種靜電放電電路，包含放電開關、第一觸發電路及第二觸發電路。放電開關包含第一端、第二端及控制端。第一端耦接於積體電路的第一電源域，第二端耦接於積體電路的第二電源域，以使第一端相對於第二端為高電位。第一觸發電路耦接於第一端及控制端之間，且包含電容。第二觸發電路耦接於第二端及控制端之間，且包含觸發開關。當第一電源域及第二電源域之電位未超出預設範圍時，觸發開關用以根據閘極電壓導通，以關斷放電開關。觸發開關還包含單向開關，當第二電源域出現靜電放電電壓時，第二觸發電路用以透過單向開關將第二端及控制端相短路，以導通放電開關。

根據靜電放電電壓之產生位置的不同，第二觸發電路將具有不同的運作特性。在第一電源域產生靜電放電壓時，第二觸發電路可利用自身阻抗形成導通電壓，以導通放電開關。在第二電源域產生靜電放電壓時，第二觸發電路則用以形成短路，利用靜電放電電壓即時導通放電開關。據此，靜電放電電路將能具有雙向的防護功能。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

於本文中，當一元件被稱為「連接」或「耦接」時，可指「電性連接」或「電性耦接」。「連接」或「耦接」亦可用以表示二或多個元件間相互搭配操作或互動。此外，雖然本文中使用「第一」、「第二」、…等用語描述不同元件，該用語僅是用以區別以相同技術用語描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否則該用語並非特別指稱或暗示次序或順位，亦非用以限定本發明。

第1圖所示為根據本揭示內容之部份實施例的靜電放電電路100的應用示意圖。在一實施例中，靜電放電電路100應用於積體電路CX，用以排除靜電放電現象。例如：當積體電路CX中出現靜電放電電壓時，靜電放電電壓將優先通過靜電放電電路100，而不會被導通至積體電路CX內的運算電路，以防止積體電路CX的運算功能受損。由於本領域人士能理解靜電放電（Electro Static Discharge）的原理，故在此不另贅述。

積體電路CX具有多個不同的電源域（power domain），意即，積體電路CX中的多個不同電路可能運行於不同的電壓。如第1圖所示，第一電路CA在運行時的工作電壓可能為20伏特、第二電路CB在運行時的工作電壓可能為10伏特，在此情況下，第一電路CA及第二電路CB即屬於積體電路CX中的不同電源域。在有靜電放電現象發生時，靜電放電電路100需要作為洩放電壓或電流的路徑。在正常狀態（即，沒有靜電放電現象發生）下，靜電放電電路100則不能因為不同電源域之間的電壓差導通，否則將會造成電路CA、CB之間的訊號錯誤。

第2圖所示為根據本揭示內容之部份實施例的靜電放電電路100的示意圖。靜電放電電路100包含第一觸發電路110、第二觸發電路120及放電開關130。靜電放電電路100設置於積體電路CX（如第1圖所示）中的兩個不同電源域（即，第一電源域VC1、第二電源域VC2）之間。在第一電源域VC1或第二電源域VC2產生靜電放電電壓時，放電開關130會被第一觸發電路110或第二觸發電路120所導通，以形成洩放電壓或電流的路徑。

放電開關130包含第一端、第二端及控制端。放電開關130的第一端耦接於第一電源域VC1、放電開關130的第二端則耦接於第二電源域VC2，以使放電開關130的第一端相對放電開關130的第二端為高電位。換言之，當積體電路CX正常運行時（即，未產生靜電放電電壓時），放電開關130的第一端上的電壓會大於放電開關130的第二端的電壓。在部份實施例中，放電開關130為金屬氧化物半導體場效電晶體，且其基極耦接至參考電位VS（如：接地電位），但本揭示內容並不以此為限。

第一觸發電路110耦接於放電開關130的第一端（即，耦接於第一電源域VC1的節點）及控制端（如：閘極）之間，且至少包含電容C1。第一觸發電路110用以在第一電源域VC1出現靜電放電電壓時，導通放電開關130，以使放電開關130上形成靜電放電路徑。

第二觸發電路120耦接於放電開關130的第二端（即，耦接於第二電源域VC2的節點）及控制端（如：閘極）之間。第二觸發電路120用以在第二電源域VC2出現靜電放電電壓時，導通放電開關130，以使放電開關130上形成靜電放電路徑。

在此說明靜電放電電路100的運作方式：當第一電源域VC1及第二電源域VC2中的電路正常運行時，第一電源域VC1及第二電源域VC2之電位皆不會超出預設範圍。由於第一電源域VC1相對第二電源域VC2為高電位，因此，電容C1會逐漸被充電，直到儲存電能等同於第一電源域VC1及第二電源域VC2之間的電位差。同時，第二觸發電路120用以控制控制端的電壓，以使放電開關130保持關斷。具體而言，第二觸發電路120會持續拉低（pull low）放電開關130的控制端的電壓，以確保放電開關130的控制端的電壓為禁能準位（如：低電位）。因此，放電開關130將保持關斷狀態，確保第一電源域VC1及第二電源域VC2之間不會漏電。

在第一電源域VC1出現靜電放電電壓時，第一觸發電路110會因為電容C1的電容耦合效應，而將放電開關130的控制端瞬間提昇到高電位。此時，因為第二觸發電路120來不及拉低放電開關130的控制端的電壓，因此第二觸發電路120自身的等效阻抗將會在放電開關130的第二端及該控制端之間形成導通電壓。換言之，放電開關130之控制端與第二端之間的電壓差會大於放電開關130的臨界電壓值，因此放電開關130將被導通。

另一方面，當第二電源域VC2出現靜電放電電壓時，第二觸發電路120用以使放電開關130的第二端及控制端相短路，此時，因為放電開關130的控制端的電壓會被瞬間拉升到靜電放電電壓的高電位（即，致能準位），因此放電開關130將被導通。

第3A～3C圖為根據本揭示內容之部份實施例的靜電放電電路100的示意圖。第3A～3C圖中，分別說明了第二觸發電路120的不同實現方式。於第3A～3C圖中，與第2圖之實施例有關的相似元件係以相同的參考標號表示以便於理解，且相似元件之具體原理已於先前段落中詳細說明，若非與第3A～3C圖之元件間具有協同運作關係而必要介紹者，於此不再贅述。

如第3A圖所示，在一實施例中，第二觸發電路120包含阻抗元件R1及單向開關D1。阻抗元件R1及單向開關D1係相互並聯。在第一電源域VC1出現靜電放電電壓時、使得放電開關130的控制端瞬間被拉昇到高電位時，阻抗元件R1的等效阻抗會在放電開關130的第二端及控制端之間形成導通電壓（即，阻抗元件R1的跨壓將大於放電開關130的臨界電壓），以導通放電開關130。

當第二電源域VC2出現靜電放電電壓時，此時單向開關D1將被導通以形成短路，以使放電開關130的控制端的電壓被瞬間拉升到靜電放電電壓的高電位，以導通放電開關130。在部份實施例中，單向開關D1可為二極體。

根據靜電放電電壓之產生位置的不同，第二觸發電路120將具有不同的運作特性。當第一電源域VC1出現靜電放電電壓時，第二觸發電路120會因自身的等效阻抗形成導通電壓，以使放電開關130被導通。相對地，當第二電源域VC2出現靜電放電電壓時，第二觸發電路120能形成短路，以利用靜電放電電壓即時導通放電開關130。據此，靜電放電電路100將能具有雙向的防護功能。

第3B圖所示為第二觸發電路120的另一實施例。在一實施例中，第二觸發電路120包含觸發開關121，觸發開關可為N型金屬氧化物半導體場效電晶體，但本揭示內容並不以此為限。觸發開關121的控制端耦接於控制電位VD，當積體電路CX並未出現靜電放電電壓（即，第一電源域VC1及第二電源域VC2之電位未超出預設範圍）時，觸發開關121將根據控制電位VD在觸發開關121之閘極上形成的閘極電壓而導通。此時，觸發開關121可視為第3A圖的阻抗元件R1，因此放電開關130會保持關斷狀態。

控制電位VD所提供的閘極電壓為對於觸發開關121的致能準位，在部份實施例中，觸發開關121的控制端可連接於放電開關130的第一端，以利用第一電源域VC1的高電位作為閘極電壓。

在一實施例中，觸發開關121還包含單向開關122，當第二電源域VC2出現靜電放電電壓時，第二觸發電路120用以透過單向開關122將放電開關130的第二端及控制端相短路，以導通放電開關130。

在本實施例中，單向開關122可為觸發開關121中的寄生二極體。例如：觸發開關121為N型金屬氧化物半導體場效電晶體，且源極耦接於放電開關130的第二端。觸發開關121的源極還與基極相短路，以在源極與汲極之間形成寄生二極體（單向開關122）。但本揭示內容並不以此為限，在其他實施例中，單向開關122亦可為與觸發開關121相並聯的二極體。

當該第一電源域VC1出現靜電放電電壓時，此時單向開關122不會導通，觸發開關121的等效阻抗會在放電開關130的第二端及控制端之間形成導通電壓（即，觸發開關121的跨壓將大於放電開關130的臨界電壓），以導通放電開關130。此時觸發開關121運作方式如第3A圖的阻抗元件R1。

當第二電源域VC2出現靜電放電電壓時，此時第二觸發電路120的單向開關122將被導通以形成短路，以使放電開關130的控制端的電壓被瞬間拉升到靜電放電電壓的高電位，以導通放電開關130。此時第二觸發電路120運作方式如第3A圖的單向開關D1。

在部份實施例中，觸發開關121係始終根據控制電位VD所提供的閘極電壓保持關斷狀態。但在其他實施例中，觸發開關121亦可在積體電路出現異常情況時，接收禁能訊號以形成關斷狀態，以提昇第二觸發電路120的等效阻抗。

第3C圖所示為第二觸發電路120的另一實施例。在一實施例中，第二觸發電路120同樣包含觸發開關123，但觸發開關123為P型金屬氧化物半導體場效電晶體。觸發開關123之控制端耦接至參考電位VS（如：低電位），以使觸發開關123保持於導通狀態。在其他實施例中，觸發開關123的控制端亦可連接於放電開關130的第二端，以利用第二電源域VC2的電位作為觸發開關123之控制端的閘極電壓。

觸發開關123的汲極耦接於放電開關130的第二端，且觸發開關123的源極與基極相短路，以在源極與汲極之間形成寄生二極體，即單向開關124。由於其運作方式與第3B圖之實施例相同，故在此不另贅述。

此外，在部份實施例中，觸發開關123的臨界電壓值小於放電開關130的臨界電壓值，以確保當第一電源域VC1及第二電源域VC2之電位皆未超出預設範圍時，觸發開關123導通，但放電開關130的控制端的電壓不至於使放電開關130成為導通狀態。

前述各實施例中的各項元件、方法步驟或技術特徵，係可相互結合，而不以本揭示內容中的文字描述順序或圖式呈現順序為限。

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

100:靜電放電電路

110:第一觸發電路

120:第二觸發電路

121:觸發開關

122:單向開關

123:觸發開關

124:單向開關

130:放電開關

CX:積體電路

CA:第一電路

CB:第二電路

VD:控制電位

VS:參考電位

VC1:第一電源域

VC2:第二電源域

C1:電容

R1:阻抗元件

D1:單向開關

第1圖為根據本揭示內容之部份實施例之靜電放電電路的應用示意圖。第2圖為根據本揭示內容之部份實施例之靜電放電電路的示意圖。第3A～3C圖為根據本揭示內容之部份實施例之靜電放電電路的示意圖。

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