TWI523361B - Applicable to high voltage system electrostatic discharge protection circuit - Google Patents

Description

適用於高電壓系統之靜電放電防護電路

本發明係一種靜電放電防護電路，尤指一種適用於高電壓系統之靜電放電防護電路。

靜電的產生是無所不在的，尤其更是會危害電子零件的靈敏度，當靜電產生時，因電子元件本身就是用來傳遞電子訊號，相對於人體是一個良導體，所以靜電荷會迅速的被導引至電子元件，且由於靜電放電(electrostatic discharge, ESD)電壓較一般所提供的電源電壓大出甚多，因此，一般電子模組於實際使用或測試中極有可能會遭受靜電放電的影響而導致損壞。

目前對靜電放電最為敏感的元件是以金屬氧化半導體為主的積體電路。有鑑於電子模組當遇到瞬間突波靜電電荷時，易造成元件或導電線路的損壞或燒毀，進而影響其模組功能，因此在整體模組設計上需加入靜電放電防護電路或元件。

然而，傳統靜電防護電路的內部通常會具有一RC啟動電路，而此RC啟動電路中的電容一般來說只設計為5V耐壓，因此無法適用於高壓系統，當高壓系統於運作或靜電放電時，此電容極有可能會因過電壓或過電流而燒毀。

因此，本發明針對上述問題提供了一種適用於高電壓系統之靜電放電防護電路。

本發明之一目的，係提供一種適用於高電壓系統之靜電放電防護電路，藉由複數電阻的分壓，以限制啟動電路之一電容的跨壓，防止啟動電路之電容因操作時的操作電壓或靜電防護時的靜電放電電壓而造成損壞。

本發明之另一目的，係提供一種適用於高電壓系統之靜電放電防護電路，藉由一鏡射電路之電流鏡效應，以限制流經電容的電流，防止啟動電路之電容因操作時的操作電壓或靜電防護時的靜電放電電壓而造成損壞。

為了達到上述所指稱之各目的，本發明係揭示了一種適用於高電壓系統之靜電放電防護電路，其包含：一第一電阻，耦接一第一電源線，並依據第一電源線之一輸入電源，而產生一控制電壓；一放電電路，耦接第一電源線與第一電阻，並依據控制電壓，而放電輸入電源；一第二電阻，耦接第一電阻與一第二電源線之間，並依據控制電壓而產生流經第二電阻之一電阻電流，且產生跨於第二電阻之一電阻電壓；一鏡射電路，依據電阻電流而鏡射產生一電容電流；以及一電容，接收並依據電容電流而進行充電，以產生跨於電容之一電容電壓，電阻電壓之電壓降決定電容電壓之電壓降 。

本發明之適用於高電壓系統之靜電放電防護電路藉由複數電阻的分壓，以限制電容的跨壓，並藉由鏡射電路之電流鏡效應，以限制流經電容的電流，使電容作為高壓電路之啟動電路的電容時，不會因操作時的操作電壓或靜電防護時的靜電放電電壓，而造成電容損壞，以達到防護的效果。

10‧‧‧靜電放電防護電路
101‧‧‧放電電路
103‧‧‧鏡射電路
C‧‧‧電容
GND‧‧‧接地端
L1、L2‧‧‧電源線
I_C‧‧‧電容電流
I_R‧‧‧電阻電流
M1、M3、M4‧‧‧P型電晶體
M2、M5、M6‧‧‧N型電晶體
R1、R2、R3‧‧‧電阻
R4‧‧‧調整電阻
V_C‧‧‧電容電壓
V_CON‧‧‧控制電壓
V_DD‧‧‧操作電壓
V_ESD‧‧‧靜電放電電壓
V_R‧‧‧電阻電壓
V_S‧‧‧切換訊號
V_SS‧‧‧負電壓

第1圖：其係為本發明之第一實施例之靜電放電防護電路的電路圖；
第2圖：其係為本發明之第二實施例之靜電放電防護電路的電路圖；
第3圖：其係為本發明之第三實施例之靜電放電防護電路的電路圖；以及
第4圖：其係為本發明之第四實施例之靜電放電防護電路的電路圖。

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」。以外，「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，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。

為使　貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：

請參閱第1圖，其為本發明之第一實施例之靜電放電防護電路的電路圖。如圖所示，本實施例之靜電放電防護電路10包含複數電阻R1、R2、一放電電路101、一鏡射電路103以及一電容C。電阻R1耦接一電源線L1，並依據電源線L1上之一輸入電源而產生一控制電壓V_CON 。放電電路101耦接電阻R1、電源線L1與一電源線L2，並依據控制電壓V_CON ，而將輸入電源放電至電源線L2。電阻R2耦接於電阻R1與電源線L2 之間，並依據控制電壓V_CON 而產生流經電阻R2之一電阻電流I_R ，並產生跨於電阻R2之一電阻電壓V_R ，電阻R2之電阻值決定電阻電流I_R 之電流量。鏡射電路103耦接於電阻R1與電阻R2、電容C之間以及電阻R2、電容C與電源線L2之間，並依據電阻電流I_R 而鏡射產生一電容電流I_C 。電容C耦接鏡射電路103，並接收電容電流I_C 而進行充電，且電容C因電容電流I_C 的充電，而產生跨於電容C之一電容電壓V_C 。

其中，輸入電源可為一操作電壓V_DD 或一靜電放電電壓V_ESD ，也就是電源線L1可用於接收輸入電源之操作電壓V_DD 或靜電放電電壓V_ESD 。而電源線L2可用於接收一負電壓V_SS 或耦接於一接地端GND(零電位)。

本實施例之放電電路101包含一P型電晶體M1、電阻R3與一N型電晶體M2。P型電晶體M1之一源極耦接電源線L1，P型電晶體M1之一閘極則耦接電阻R1，以接收控制電壓V_CON ，並依據控制電壓V_CON 而切換輸入電源。電阻R3耦接P型電晶體M1之一汲極與電源線L2之間，並依據P型電晶體M1之切換狀態而接收輸入電源，以產生一切換訊號V_S 。N型電晶體M2之一汲極耦接電源線L1，N型電晶體M2之一源極耦接電源線L2，N型電晶體M2之一閘極則耦接P型電晶體M1之汲極，以接收並依據切換訊號V_S 而進行切換，以將輸入電源放電至電源線L2。

然而，上述僅為一較佳實施例之放電電路之電路架構，並非用於限定本發明，本領域技術人員熟知有許多放電電路之電路架構可取代上述所介紹的放電電路101。

復參閱第1圖，本實施例之鏡射電路103包含兩組電流鏡，一組電流鏡耦接電阻R2、電容C與電阻R1之間，並依據電阻電流I_R 而鏡射產生電容電流I_C ，而此電流鏡包含複數P型電晶體M3、M4。P型電晶體M3之一源極耦接電阻R1，P型電晶體M3之一汲極則耦接電阻R2與P型電晶體M3之一閘極。P型電晶體M4之一源極耦接P型電晶體M3之源極與電阻R1，P型電晶體M4之一汲極耦接電容C，P型電晶體M4之一閘極則耦接P型電晶體M3之閘極。

而另一組電流鏡耦接電阻R2、電容C、與電源線L2之間，並依據電阻電流I_R 而鏡射產生電容電流I_C ，而此電流鏡包含複數N型電晶體M5、M6。N型電晶體M5之一汲極與一閘極耦接於電阻R2，N型電晶體M5之一源極則耦接電源線L2。N型電晶體M6之一汲極耦接電容C，N型電晶體M6之一閘極N型電晶體M5之閘極，N型電晶體M6之一源極則耦接電源線L2。

其中，P型電晶體M3、M4之尺寸比例以及N型電晶體M5、M6之尺寸比例決定電阻電流I_R 與電容電流I_C 之比例，亦即P型電晶體M3、M4之尺寸比例以及N型電晶體M5、M6之尺寸比例決定電容電流I_C 之電流量。

本實施例之靜電放電防護電路10於靜電放電模式時，靜電放電電壓V_ESD 產生於電源線L1，由於靜電放電電壓V_ESD 為瞬間上升，因此靜電放電電壓V_ESD 於電阻R1兩端產生跨壓，使得控制電壓V_CON 在此瞬間為低準位，而導通P型電晶體M1，使靜電放電電壓V_ESD 經由P型電晶體M1而傳送至電阻R3，以產生切換訊號V_S ，進而導通N型電晶體M2，使放電電路101將靜電放電電壓V_ESD 經由N型電晶體M2放電至電源線L2。接著，流經電阻R1之電流經過鏡射電路103而分流為電阻電流I_R 與電容電流I_C ，待電容C被電容電流I_C 充電而逐漸上升至高準位，也就是控制電壓V_CON 逐漸上升至高準位時，放電電路101則關閉以停止放電。

另外，本實施例之靜電放電防護電路10於正常操作模式時，操作電壓V_DD 產生於電源線L1，由於操作電壓V_DD 的上升速度較慢，所以控制電壓V_CON 會因電阻R1與電容C的RC延遲(RC Delay)而為高準位，使P型電晶體M1為截止，因此，放電電路101不會將操作電壓V_DD 放電至電源線L2。

由於，不論是在靜電放電模式或正常操作模式時，控制電壓V_CON 的電壓準位最高僅會等於電阻R1與鏡射電路103、電阻R2、電容C所組成之電路的分壓，而電阻R2之電阻電壓V_R 亦被限制於此分壓，若不考慮鏡射電路103之P型電晶體M3、M4以及N型電晶體M5、M6的導通電壓，控制電壓V_CON 即相等於電阻電壓V_R ，且電阻R2與電容C相當於是並聯關係，所以跨於電容C之電容電壓V_C 僅會被充電至相等於電阻電壓V_R ，而不會繼續被充電至電源線L1上之輸入電源(靜電放電電壓V_ESD 或操作電壓V_DD )，亦即電阻電壓V_R 之電壓降決定電容電壓V_C 之電壓降 。

此外，由於控制電壓V_CON 會被限制於電阻R1與鏡射電路103、電阻R2、電容C所組成之電路的分壓，而流經電阻R2之電阻電流I_R 是決定於控制電壓V_CON 與電阻R2之電阻值，換言之，電阻電流I_R 之電流量亦被限制在控制電壓V_CON 除以電阻R2。且由於流經電容C之電容電流I_C 是鏡射電路103依據電阻電流I_R 而鏡射產生，因此電容電流I_C 之電流量亦被限制。

由上述可知，本實施例之靜電放電防護電路10藉由電阻R1、R2的分壓，以限制電容C的跨壓(電容電壓V_C )，並藉由鏡射電路103之P型電晶體M3、M4與N型電晶體M5、M6的電流鏡效應，以限制流經電容C的電容電流I_C ，使電容C作為啟動電路之電容而運用於高壓電路運作或靜電防護時，不會因大電壓或瞬間大電流而被損壞，而達到防護的效果 。

再者，本實施例之靜電放電防護電路10之鏡射電路103包含有兩組電流鏡(P型電晶體M3、M4與N型電晶體M5、M6)，因此，可穩定的依據電阻電流I_R 而鏡射產生電容電流I_C 。但本發明不僅限於此，本發明亦可僅利用P型電晶體M3、M4或N型電晶體M5、M6所組成之電流鏡之一做為鏡射產生電容電流I_C 的電流鏡，而詳細電路之連接關係於第2、3圖中進行說明。

請參閱第2圖，其為本發明之第二實施例之靜電放電防護電路的電路圖。本實施例與第一實施例之差異在於，本實施例之鏡射電路僅包含由P型電晶體M3、M4所組成之電流鏡，而本實施例之靜電放電防護電路10的工作原理則與前一實施例相同，藉由電阻R1、R2的分壓，以限制電容C的跨壓(電容電壓V_C )，並僅藉由鏡射電路103之P型電晶體M3、M4的電流鏡效應，以限制流經電容C的電容電流I_C ，使電容C作為啟動電路之電容而運用於高壓電路運作或靜電防護時，不會因大電壓或瞬間大電流而被損壞，而達到防護的效果。

請參閱第3圖，其為本發明之第三實施例之靜電放電防護電路的電路圖。本實施例與第一實施例之差異在於，本實施例之鏡射電路僅包含由N型電晶體M5、M6所組成之電流鏡，而本實施例之靜電放電防護電路10的工作原理則與先前實施例相同，亦藉由電阻R1、R2的分壓，以限制電容C的跨壓(電容電壓V_C )，並僅藉由鏡射電路103之N型電晶體M5、M6的電流鏡效應，以限制流經電容C的電容電流I_C ，使電容C作為啟動電路之電容而運用於高壓電路運作或靜電防護時，不會因大電壓或瞬間大電流而被損壞，而達到防護的效果。

請參閱第4圖，其為本發明之第四實施例之靜電放電防護電路的電路圖。本實施例與第一實施例之差異在於，本實施例之靜電放電防護電路10更包含一調整電阻R4，調整電阻R4耦接於電阻R1與電阻R2之間，調整電阻R4之電阻值決定控制電壓V_CON 之電壓準位。如此，可藉由改變調整電阻R4之電阻值，而調整所需之控制電壓V_CON 之電壓準位，以配合不同電路所需。

綜上所述，本發明之適用於高電壓系統之靜電放電防護電路藉由複數電阻的分壓，以限制電容的跨壓，並藉由鏡射電路之電流鏡效應，以限制流經電容的電流，使電容作為高壓電路之啟動電路的電容時，不會因操作時的操作電壓或靜電防護時的靜電放電電壓，而造成電容損壞，以達到防護的效果。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈　鈞局早日賜准專利，至感為禱。

10‧‧‧靜電放電防護電路

101‧‧‧放電電路

103‧‧‧鏡射電路

C‧‧‧電容

GND‧‧‧接地端

L1‧‧‧電源線

L2‧‧‧電源線

I_C‧‧‧電容電流

I_R‧‧‧電阻電流

M1‧‧‧P型電晶體

M2‧‧‧N型電晶體

M3‧‧‧P型電晶體

M4‧‧‧P型電晶體

M5‧‧‧N型電晶體

M6‧‧‧N型電晶體

R1‧‧‧電阻

R2‧‧‧電阻

R3‧‧‧電阻

V_C‧‧‧電容電壓

V_CON‧‧‧控制電壓

V_DD‧‧‧操作電壓

V_ESD‧‧‧靜電放電電壓

V_R‧‧‧電阻電壓

V_S‧‧‧切換訊號

V_SS‧‧‧負電壓

Claims (10)

1. 一種靜電放電防護電路，其包含：
   一第一電阻，耦接一第一電源線，並依據該第一電源線之一輸入電源，而產生一控制電壓；
   一放電電路，耦接該第一電源線與該第一電阻，並依據該控制電壓，而放電該輸入電源；
   一第二電阻，耦接該第一電阻與一第二電源線之間，並依據該控制電壓而產生流經該第二電阻之一電阻電流，且產生跨於該第二電阻之一電阻電壓；
   一鏡射電路，依據該電阻電流而鏡射產生一電容電流；以及
   一電容，接收並依據該電容電流而進行充電，以產生跨於該電容之一電容電壓，該電阻電壓之電壓降決定該電容電壓之電壓降。
2. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護電路，其中該第二電阻之電阻值決定該電阻電流之電流量，進而決定該電容電流之電流量。
3. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護電路，其更包含：
   一調整電阻，耦接該第一電阻與該第二電阻之間，該調整電阻之電阻值決定該控制電壓之電壓準位。
4. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護電路，其中該鏡射電路包含：
   一電流鏡，耦接該第一電阻、該第二電阻與該電容之間，並依據該電阻電流而鏡射產生該電容電流；
   其中，該第二電阻耦接該電流鏡與該第二電源線之間，而該電容耦接該電流鏡與該第二電源線之間。
5. 如申請專利範圍第4項所述之靜電放電防護電路，其中該電流鏡包含：
   一第一P型電晶體，該第一P型電晶體之一源極耦接該第一電阻，該第一P型電晶體之一汲極則耦接該第二電阻與該第一P型電晶體之一閘極；以及
   一第二P型電晶體，該第二P型電晶體之一源極耦接該第一P型電晶體之該源極與該第一電阻，該第二P型電晶體之一汲極耦接該電容，而該第二P型電晶體之一閘極則耦接該第一P型電晶體之該閘極；
   其中，該第一P型電晶體之尺寸與該第二P型電晶體之尺寸的比例決定該電容電流之電流量。
6. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護電路，其中該鏡射電路包含：
   一電流鏡，耦接該第二電阻、該電容與該第二電源線之間，並依據該電阻電流而鏡射產生該電容電流；
   其中，該第二電阻耦接該第一電阻與該電流鏡之間，而該電容耦接該第一電阻與該電流鏡之間。
7. 如申請專利範圍第6項所述之靜電放電防護電路，其中該電流鏡包含：
   一第一N型電晶體，該第一N型電晶體之一源極耦接該第二電源線，該第一N型電晶體之一汲極則耦接該第二電阻與該第一N型電晶體之一閘極；以及
   一第二N型電晶體，該第二N型電晶體之一源極耦接該第二電源線，該第二N型電晶體之一汲極耦接該電容，而該第二N型電晶體之一閘極則耦接該第一N型電晶體之該閘極；
   其中，該第一N型電晶體之尺寸與該第二N型電晶體之尺寸的比例決定該電容電流之電流量。
8. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護電路，其中該鏡射電路包含：
   一第一電流鏡，耦接該第一電阻、該第二電阻與該電容之間，並依據該電阻電流而鏡射產生該電容電流；以及
   一第二電流鏡，耦接該第二電阻、該電容與該第二電源線之間，並依據該電阻電流而鏡射產生該電容電流；
   其中，該第二電阻耦接該第一電流鏡與該第二電流鏡之間，而該電容耦接該第一電流鏡與該第二電流鏡之間。
9. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護電路，其中該放電電路包含：
   一P型電晶體，該P型電晶體之一源極耦接該第一電源線，而該P型電晶體之一閘極耦接該第一電阻，並依據該控制電壓而切換該輸入電源；
   一第三電阻，耦接該第二電源線與該P型電晶體之一汲極之間，並依據該P型電晶體之切換狀態而接收該輸入電源，以產生一切換訊號；以及
   一N型電晶體，該N型電晶體之一汲極耦接該第一電源線，該N型電晶體之一閘極耦接該第三電阻與該第一電晶體之該汲極，並依據該切換訊號而進行切換，以將該輸入電源放電至該第二電源線。
10. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護電路，其中該第一電源線接收該輸入電源之一操作電壓或一靜電放電電壓，且該第二電源線耦接於一接地端或接收一負電壓。