CN102474094A

CN102474094A - 具有保护电路的电子装置

Info

Publication number: CN102474094A
Application number: CN2009801607409A
Authority: CN
Inventors: 胡贝特·博德; 莫罗·贾科米尼
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics SRL; Freescale Semiconductor Inc
Current assignee: STMicroelectronics SRL; NXP USA Inc
Priority date: 2009-08-06
Filing date: 2009-08-06
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2029-08-06
Also published as: WO2011015903A1; US20120134060A1; EP2462671A4; EP2462671B1; US8605398B2; CN102474094B; EP2462671A1

Abstract

一种电子装置(40)，包括：应用电路(42)；具有第一电势的第一供应线路(44)；具有不同于所述第一电势的第二电势的第二供应线路(46)；具有第三电势并连接至所述应用电路的至少一个端子(48)；以及用于保护所述应用电路免受注入电流影响的保护电路(50)；所述保护电路包括：连接在所述至少一个端子和所述第一供应线路之间的第一导线(52)，所述第一导线包括具有第一控制输入(56)的第一开关(54)；以及具有连接至所述至少一个端子的第一输入(60)、连接至所述第二供应线路的第二输入(62)、以及连接至所述第一控制输入的第一输出(64)的第一电压放大器电路(58)。

Description

具有保护电路的电子装置

技术领域

本发明一般地涉及电子装置，且更具体地涉及具有应用电路和用于保护应用电路免受注入电流影响的保护电路的电子装置。

背景技术

诸如半导体集成电路装置的电子装置通常被设计为利用正电源电压和负电源电压或地电势之间的电压电平来正确地执行功能。但是，在某些情况下会发生电子装置的引脚或端子的电压低于地电势或高于正电源电压。例如，使用需要一个以上电源电压的电路的设备会发生故障，并将较高的电压施加至需要较低电源电压的电路。这会导致电流注入进低压电路或连接的电路，从而有害于正确功能的执行，甚至损坏或彻底破坏电路。

当电子装置连接至外部端子或引脚时，电流注入还可由过量静电放电(ESD)而导致。ESD是由直接接触或由静电场的感应而导致的在不同电势的两个物体之间流动的突变和瞬时电流。ESD例如可由操控芯片的人而导致。当带电物体放置在与地隔离的导电物体附近时，其例如可由摩擦充电或静电感应导致的静电电流引起。在这种物体接触导电路径时会发生ESD现象。由于IC技术的尺寸减小，所以层尺寸的降低已经增加了电路相对于ESD的敏感性。因此，ESD保护已经成为电路发展的要点。

到硅装置的引脚或端子的电流注入例如会通过衬底中的载流子之间的相互作用或通过不期望的电源电平变化而导致装置故障，这会妨碍装置的正确操作或损坏装置。

在图1所示的示例中，电子装置10包括端子12，其连接至从端子12接收信号的应用电路。所示应用电路包括模数转换器(ADC)14、n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOS FET)18和p沟道MOSFET(PMOS FET)20以及电阻器16，其用于限制注入进端子12的可能的电流注入进ADC14的内部电路。装置通过供应线路(rail)22，24接收第一和第二电势(例如V_cc和V_ss，V_cc和地电压等)。如果发生通过端子12的电流注入，则端子和供应线路之间的电压降会超过特定二极管的V_BE，从而将特定二极管26，28转换为导通状态。二极管26，28可以是具体执行应用电路的ESD保护的二极管或可以是寄生体二极管。

例如，如果供应线路22提供V_cc且供应线路24提供地电平，则在基于p型衬底的工艺的情况下，由虚线箭头30表示的注入正电流会拉高电源电压，并将多数载流子注入进半导体装置的衬底中。对于n型衬底的工艺来说，会将少数载流子注入进衬底中。在所示示例中，如果供应线路22提供ADC的基准电压，则这种情况会损害ADC的可靠性并会将电压范围推升超过可靠极限和/或影响ADC的基准电压，因此会劣化转换精度。

且例如对于p型衬底工艺来说，注入负电流会将少数载流子注入进衬底中，并会在连接至端子的外部电路中导致由虚线箭头32表示的电流流动。且电流注入例如会导致位于相同衬底上的其他节点收集少数载流子，从而导致电流意外地流出这些节点。电流注入还会导致闩锁效应(即在电路的电源线路之间产生低阻抗路径)、触发扰乱部件正常功能的寄生结构以及甚至可能导致其由于过电流而被损坏。

发明内容

如随附权利要求中所述，本发明提供一种电子装置，其具有应用电路以及用于保护应用电路免受注入电流影响的保护电路。

本发明的特定实施例阐述于从属权利要求中。

参考下文说明的实施例，将使本发明的这些和其他方面变得显而易见且清楚明了。不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的部件。

附图说明

参考附图，仅通过举例的方式说明本发明的其他细节、方面和实施例。为简单和清楚起见，附图中的元件未必按比例绘制。

图1示出具有保护电路的现有技术电子装置的示例的示意图。

图2示出具有保护电路的电子装置的实施例的示例的示意图，该保护电路用于保护应用电路免受注入电流影响。

图3示出电子装置的端子处的注入电流对端子处感应的电压的示意图。

图4示出运输工具的示意图，其包括具有具备电子装置的引擎控制单元的安全关键性系统。

具体实施方式

因为实施本发明的设备大多由本领域技术人员熟知的电子部件和电路构成，所以同上所述，为了理解和认知本发明的基本概念，以便不混淆或分散本发明的教导，除非认为必要，否则将不会详细说明电路细节。

参考图2，其示出具有保护电路50的电子装置40的实施例的示例的示意图，该保护电路50用于保护应用电路42免受注入电流的影响。所示电子装置40包括应用电路42；具有第一电势的第一供应线路44；具有不同于第一电势的第二电势的第二供应线路46；具有第三电势的至少一个端子48，其连接至应用电路42；以及保护电路50，其用于保护应用电路42免受注入电流的影响。该保护电路50包括第一导线52，其连接在至少一个端子48和第一供应线路44之间，该第一导线52包括具有第一控制输入56的第一开关54；以及第一电压放大器电路58，其具有连接至至少一个端子48的第一输入60、连接至第二供应线路46的第二输入62、以及连接至第一控制输入56的第一输出64。

任意两个连接的部件都可被认为是电耦合的。

电子装置40可以是半导体集成电路装置。其例如包括所示应用电路42。但是应注意到，应用电路42可包括不同部件。电子装置提供具有不同电势或电压电平的第一和第二供应线路44和46。第一供应线路的电压可低于第二供应线路的电压，反之亦然。例如，第一供应线路44可提供地电势且第二供应线路可提供V_cc。作为一个示例，它们可分别是0V(伏特)和+5V。但是也可采用其他电压值，例如0V和+12V、-5V和+5V等等。供应线路44，46可为应用电路42和保护电路50供电。

所示的端子48可以是单个端子或可以是多个端子或引脚的示意性表示。端子可以是用于从耦合至端子48的外部装置接收电信号以及将电信号提供至该外部装置的输入端子或输出端子或输入/输出组合端子。术语“端子”不仅指应用电路42和外部装置之间连接的终端，而且也可包括连接线路本身。取决于发送或接收的电信号，端子48可具有变化的第三电势。但是，电势还可经受由注入进引脚48的不希望存在的正或负电流而导致的变化。

所述保护电路50包括第一电压放大器58，其可以是有源器件，例如连接用于感测在可以连接至引脚48的第一输入60和第二输入62处感测的电势差的差分运算放大器。第二输入62处接收的电势可以是第二供应线路46的电势。但是如下所述，其可具有偏差。

电压放大器58的输出64可被连接以将其比较信号递送至开关54，该开关54被连接为使能或者禁用在端子和第一供应线路44(即与由第一电压放大器电路58感测的第二供应线路46相对的供应线路)之间的第一导线52。这使注入电流流过使能的第一导线52而进入相对的供应线路，如虚线箭头104所示。因此，所示保护电路可构造为有效地补偿注入电流，并允许进行不受干扰的操作，而不是仅检测电流注入事件或关断装置。这还避免产生开启(open up)寄生双极元件的引脚电压电平。

第一开关58例如可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。为了更好地实施在集成电路中，这可施加到在当前电子装置中使用的任何开关。第一开关54例如可以是NMOS FET。但是可使用其他开关，例如双极晶体管、PMOS FET或CMOS电路。第一控制输入56可以是MOSFET 54的栅极。

根据注入电流的量，所示导线例如可实现为单个导线或多个导线。通常，任何所示部件都可实现为使所示部件执行其任务的单一部件或多个部件。

所示的用于保护免受电流注入影响的机构例如可适用于电子装置的敏感或所有引脚。

所述保护电路的功能取决于何种电势被施加至第一和第二供应线路44和46。第一控制输入56可被布置为使得在第一电势低于第二电势且第一电压放大器58在其第一输入60上接收第三电势且在其第二输入62上接收低于第三电势的电势时，或在第一电势高于第二电势且第一电压放大器58在其第一输入上接收第三电势且在其第二输入62上接收高于第三电势的电势时，使第一电流流过第一导线52。例如，如果在引脚48处感测的电势或电压电平高于正电源电压(在直接施加至第一放大器58的情况下)或低于负电源电压或地电压，则第一放大器58会产生用于第一开关电路54的控制输入56的控制信号，其使能第一导线52并将注入电流驱散进第一供应线路44。

因此，经受电流注入的端子48与使用电压放大器的供应线路进行比较。如果端子处的电压电平超过线路电平，则放大器导通开关晶体管，其将注入电流发送进相对的供应线路，从而不会拉高电源电压电平也不会使相应的载流子注入进电子装置的衬底。因此可选择允许的注入电流量(其被有效地补偿)并将其设计进装置中。

第一或第二供应线路44或46例如可以是具有地电势的接地线路。相对的供应线路则例如提供正或负的电压电平，例如+5V或-5V，其可以是用于汽车领域中抵抗电流注入的电子部件的代表值，因为汽车电路通常基于多重电源电压，例如12V和5V。

如图2中所示，在现有电子装置40的一个实施例中，第一放大器58的第二输入62可不直接连接至第二供应线路46。替代地，保护电路50可包括第一偏移电压源66，其连接在第二供应线路46和第一电压放大器电路58的第二输入62之间。所示第一偏移电压源66可将偏移电压施加至第一放大器58的第二输入62。例如，如果第二供应线路46提供正电源电压电平，则第一偏移电压源66可提供高于第二供应线路46的电势的偏移电压电平。在所示有源保护电路将使能第一导线52以用于消耗注入电流之前，可通过选择开关54的尺寸或跨导以及电压放大器电路58的开环电压增益来控制允许的电流注入量。因此，根据可用的电路硬件参数，可将容许注入电流选择得较高或较低。例如，对于5V的电源电压电平来说，超过电源电压电平的偏移可选择为小于80mV，例如50mV。

应注意，偏移电压源可以是能提供所选择的偏移电压电平的任意电路。

被保护以使其免于受到由注入电流导致的故障的影响的应用电路42可以是任意应用电路。如示例中所示，应用电路可包括模数转换器(ADC)(68)。例如，由使特定电势升高或降低至允许电压范围之外的值的注入进供应线路中的注入电流导致的ADC的电源电压的变化会导致ADC发生故障，这是因为在转换所施加的模拟信号时发生错误的参考。这会至少部分地避免现有保护电路被布置为直接将注入电流注入进相对的供应线路。因此，在不需要很大程度地降低其他信道的测量精度的情况下，ADC可允许较高的可接收的注入电流规格值。示例应用电路42还可包括电阻器98以及场效应晶体管100，102。

如上所述，保护电路50可包括用于相对于具有特定方向(即，注入电流可以是正向或负向电流)的注入电流来进行保护的电路。但是，预期电流注入的类型不能事先得知，或其在不同环境下可能不同。因此，保护电路50可包括第二导线70，其连接在至少一个端子48和第二供应线路46之间，该第二导线70包括具有第二控制输入74的第二开关72；以及具有连接至至少一个端子的第三输入78、连接至第一供应线路44的第四输入80以及连接至第二控制输入74的第二输出82的第二电压放大器电路76。这可保护应用电路42免受正或负电流注入的影响。

第二控制输入74可被布置为使得在第一电势低于第二电势且第二电压放大器76在第三输入78上接收第三电势以及在第四输入80上接收低于第三电势的电势时，或在第一电势高于第二电势且第二电压放大器76在第三输入78上接收第三电势以及在第四输入80上接收高于第三电势的电势时，使第二电流106流过第二导线70。因此所提供的保护电路的实施例可根据供应线路的电势以及注入电流的方向来将注入电流导向进入相对的供应线路中，或使其进入第一或第二供应线路44，46。

保护电路50可包括第二偏移电压源84，其连接在第一供应线路44和第四输入80之间。这可以施加电压电平，其与第一供应线路的电势相比具有相对的偏移。由第二偏移电压源84提供的相对偏移例如可与由第一偏移电压源66提供的相对偏移相同。例如，第二供应线路46的第二电势可以是+5V，且第一偏移电压电平可以是高50mV，且第一供应线路44的第一电势可以是0V地电势，且第二偏移电压电平可以是比0V低50mV。但是，也可将不同的偏移电压电平施加至第一和第二电压放大器电路58，76。

保护电路可包括第一二极管86，其具有连接至至少一个端子48的第一阳极88以及连接至第二供应线路46的第一阴极90；和/或第二二极管92，其具有连接至至少一个端子48的第二阴极94以及连接至第一供应线路44的第二阳极96。虽然在引脚48和第一供应线路44或第二供应线路46之间产生至少为V_BE的电压降(其例如是约0.7V)的情况下可激活寄生二极管，但如果注入电流超过保护的选择电平，则有目的地在引脚48和供应线路44，46之间布置的二极管可用作次级保护机构。但是，电路设计者可对连接至引脚48的外部电路进行电流限制，以便避免出现超出可接受的电流注入的计划范围的情况。

现在参考图3，其示出在电子装置的端子处注入的电流对在端子处感测的电压的示意图。该示意图示出在接收正的第二电势或电源电压电平112和地电势110的电子装置的引脚处的注入电流I_in的水平对电压电平V_in(即引脚48和具有地电势的供应线路之间的电压降)的一个示例。对应于图2中所示的电子装置的实施例，将两个相对的偏移电压电平115，117提供给电子电路。

如果电流通过连接的外部电路被推进电路中，则引脚或端子处的电势会因此改变，以致由外部连接的电路驱动的注入电流流过引脚。所述保护电路可限制引脚48处的电势V_in，以便寄生内部双极结构不会被或很少被激活。因此不存在或很少存在少数载流子的注入，和不会发生或很少发生电源电压电平的变化。但是，如果电压降超过第一电压放大器58的第一输入处以及第二电压放大器76的第三输入处的输入电势的上限或下限114，116，则会发生到相对的供应线路的电流注入。所提供的电路可通过选择电压放大器电路的增益和所采用的开关晶体管的跨导来选择I_in增大的陡度。因此，通过选择相对偏移电压115，117，放大器增益和晶体管跨导，保护电路具有能够抵抗任意所需等级的注入电流。

当破坏性电流注入或电源电压电平升高开始时，V_in的最小值120和最大值118表示所述机制的极限。对于现有电子电路而言，图2中所示的端子或引脚48的输入阻抗例如可以非常大或无限大，只要输入电势处于电源电平的上限和下限之间即可，即，第一和第二供应线路的电势。选择偏移可允许只要输入电压电平保持在界限之内保护电路不被激活。在电流注入时，引脚处的电势会升高超过电源电平的上限或下限(例如地电平)，直至所注入的电流被电子电路消耗为止。所示保护电路会小心在引脚电势V_in发生以下情况：对于正电流而言，分别处于在上限114和上限加1V_BE的最大值118之间，以及在下限116和下限减1V_BE的最小值120之间，在此处任何寄生双极结构都会开始启动。注入电流的容许量由图3中所示的输入传递函数I_in/V_in定义，其在V_in电平114和118以及116和120之间分别具有陡度，其足够大使得最大值118在上限114加1V_BE之下以及最小值116在下限116减1V_BE之上。这可通过选择适当的第一或第二电压放大器58，76的增益和/或开关或通过(pass)晶体管54，72的尺寸来实现。

保护电路例如可执行为使得超过最大值118或最小值120的电流注入可以被控制(例如通过二极管86，92或通过外部电流限制)。

为了能调整保护电路以使其适应电流注入的不同情况，电子电路40可以被提供为使得第一电压放大器电路58具有可调增益。但是放大器58，76可都具有可调增益；且甚至可调整偏移电压。

现在参考图4，其示出运输工具126的示意图，该运输工具126包括具有引擎控制单元122的安全关键性系统124，而该引擎控制单元122具有电子装置40。引擎控制单元(ECU)122可包括如上所述的电子电路。ECU可以是安全关键性系统的一部分。安全关键性系统124可包括ECU或如上所述的电子电路。且运输工具126例如可包括安全关键性系统或ECU或如上所述的电子电路40。

运输工具126例如可以是车辆、飞机、船舶、直升机等等。安全关键性系统124例如可包括ECU 122。引擎控制单元(ECU)或引擎控制模块(ECM)是电子控制单元，其能控制内燃机运行的各个环节。ECU例如可控制注入进各个气缸的燃油量。ECU例如还可控制点火定时、可变阀定时(VVT)、涡轮增压器保持的升压水平(使用在涡轮增压车辆中)以及其他外围设备。但是，在非自动环境下也可以发现其中可能的未补偿电流注入可能影响装置运行的安全关键性系统。或者，自动安全关键性系统例如可以是车辆安全系统。安全关键性系统可包括座椅位置控制系统、照明、风挡刮水器、防盗控制器、电子气候控制、制动系统或电子转向系统。制动系统例如可包括防滑刹车系统(ABS)、电子制动力分配系统(EBD)、转弯制动控制(CBC)系统等等。电子转向系统例如可包括电子稳定控制系统(ESC)、牵引控制系统(TCS)或防滑调整系统(ASR)、自适应巡航控制(ACC)系统、正向碰撞警告(FCW)系统等等。但是，所提供的具有保护以免受电流注入影响的电子装置还可用作其他车辆系统，例如仪表板。

例如，任何包括多电源的设备都会由于电压电平高于或低于允许电源电平而遭受电流注入。

例如，使用不同电压以运行电动机或泵以及用于诸如处理器的电子电路的诸如洗衣机的家用电器可包括上述电子电路，用以防护电流注入。

在上述说明书中，已经参考本发明的实施例的特定示例说明了本发明。但显而易见的是，虽然本发明的原理已经结合特定设备在上文进行了说明，但是应当清楚地理解，上述说明仅是示例性的，且不应理解为对本发明范围的限制，且在不脱离随附权利要求中所阐述的本发明的广义精神和范围的情况下，可对本发明作出各种变型和改变。

例如，连接可以是适于从相应节点、单元或装置例如通过中间装置来传送信号或将信号例如通过中间装置传送至相应节点、单元或装置的任意类型的连接。因此，除非暗示或明确规定，否则连接例如可以是直接连接或间接连接。此外，导线可以与所示示例中不同的方式实现。

而且，装置可以是物理分布于多个设备之上，但是整体上功能性地操作为单一装置。例如，图2中所示的电子装置的示例可利用多个保护电路或所示保护电路与其他保护电路的组合实现。

电子装置可实现为任意半导体材料或材料组合的衬底上的半导体装置，所述材料例如是砷化镓、锗硅、硅、单晶硅等，以及上述材料的组合。

虽然本发明基于特定导电类型或电势极性进行说明，但本领域技术人员应认识到导电类型和电势极性可以颠倒。

但是也可能存在其他变型、变化和替换例。因此本说明书和附图应被视为说明性的而非限制性的。

在权利要求中，括号内的任意参考标号不应解释为对权利要求的限制。词语“包括”不排除存在权利要求中所列的元件或步骤之外的其他元件或步骤。此外，本文不加术语“一个”应定义为一个或一个以上。而且，权利要求中的诸如“至少一个”和“一个以上”的引导性短语的使用不应解释为暗示通过不定冠词“一个”引入另一要求保护的元素将包含这种引导性要求保护的元素的任意特定权利要求限制为仅包含一个这种元素的发明，即使在相同的权利要求包括引导性短语“至少一个”或“一个或一个以上”以及诸如“一个”的不定冠词时也是如此。这也适用于定冠词的使用。除非另行规定，否则诸如“第一”和“第二”术语用于任意区分利用这种术语进行描述的元素。因此，这些术语不一定旨在表示这些元素的暂时或其他优先性。事实上，记载在相互不同的权利要求中的某些方案并不表示它们的组合不能用于有利的方面。

Claims

1.一种电子装置(40)，包括：

应用电路(42)；

具有第一电势的第一供应线路(44)；

具有不同于所述第一电势的第二电势的第二供应线路(46)；

具有第三电势并连接至所述应用电路的至少一个端子(48)；以及

用于保护所述应用电路免受注入电流影响的保护电路(50)；所述保护电路包括：

连接在所述至少一个端子和所述第一供应线路之间的第一导线(52)，所述第一导线包括具有第一控制输入(56)的第一开关(54)；以及

第一电压放大器电路(58)，所述第一电压放大器电路(58)具有：

连接至所述至少一个端子的第一输入(60)、

连接至所述第二供应线路的第二输入(62)、以及

连接至所述第一控制输入的第一输出(64)。

2.根据权利要求1所述的电子电路，其中，所述第一控制输入被布置为：

当所述第一电势低于所述第二电势，并且所述第一电压放大器在所述第一输入接收所述第三电势且在所述第二输入接收低于所述第三电势的电势时，

或当所述第一电势高于所述第二电势，并且所述第一电压放大器在所述第一输入接收所述第三电势且在所述第二输入接收高于所述第三电势的电势时，

使第一电流流过所述第一导线。

3.根据权利要求1或2所述的电子电路，其中，所述第一或所述第二供应线路是具有地电势的接地线路。

4.根据前述任一权利要求所述的电子电路，其中，所述保护电路包括连接在所述第二供应线路和所述第二输入之间的第一偏移电压源(66)。

5.根据前述任一权利要求所述的电子电路，其中，所述应用电路包括模数转换器(ADC)(68)。

6.根据前述任一权利要求所述的电子电路，其中，所述保护电路包括：

连接在所述至少一个端子和所述第二供应线路之间的第二导线(70)，所述第二导线包括具有第二控制输入(74)的第二开关(72)；以及

第二电压放大器电路(76)，所述第二电压放大器电路(76)具有：

连接至所述至少一个端子的第三输入(78)、

连接至所述第一供应线路的第四输入(80)、以及

连接至所述第二控制输入的第二输出(82)。

7.根据权利要求6所述的电子电路，其中，所述第二控制输入被布置为：

当所述第一电势低于所述第二电势，并且所述第二电压放大器在所述第三输入上接收所述第三电势且在所述第四输入上接收低于所述第三电势的电势时，

或当所述第一电势高于所述第二电势，并且所述第二电压放大器在所述第三输入上接收所述第三电势且在所述第四输入上接收高于所述第三电势的电势时，

使第二电流流过所述第二导线。

8.根据权利要求6或7所述的电子电路，其中，所述保护电路包括连接在所述第一供应线路和所述第四输入之间的第二偏移电压源(84)。

9.根据前述任一权利要求所述的电子电路，其中，所述保护电路包括：

具有连接至所述至少一个端子的第一阳极(88)以及连接至所述第二供应线路的第一阴极(90)的第一二极管(86)和/或

具有连接至所述至少一个端子的第二阴极(94)和连接至所述第一供应线路的第二阳极(96)的第二二极管(92)。

10.根据前述任一权利要求所述的电子电路，其中，所述第一开关是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

11.根据前述任一权利要求所述的电子电路，其中，所述第一电压放大器电路具有可调增益。

12.一种引擎控制单元(ECU)(122)，包括根据权利要求1至11中任一项所述的电子电路。

13.一种安全关键性系统(124)，包括根据权利要求12所述的ECU或根据权利要求1至11中任一项所述的电子电路。

14.一种运输工具(126)，包括根据权利要求13所述的安全关键性系统或根据权利要求12所述的ECU或根据权利要求1至11中任一项所述的电子电路。

15.一种家用电器，包括根据权利要求1至11中任一项所述的电子电路。