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TWI761241B - 靜電放電防護電路 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露了一種靜電放電防護電路，其包含有一控制電路、一第一電晶體、一濾波器以及一第二電晶體。該控制電路用以偵測一供應電壓的準位以產生一控制訊號；該第一電晶體耦接於該供應電壓與一接地電壓之間，且用以根據該控制訊號以決定是否導通以作為該供應電壓宣洩電流至該接地電壓的路徑；該濾波器用以對該控制訊號進行濾波以產生一濾波後控制訊號；以及該第二電晶體耦接於該供應電壓與該接地電壓之間，且用以根據該第一濾波後控制訊號以決定是否導通以作為該供應電壓宣洩電流至該接地電壓的路徑。

Description

靜電放電防護電路
本發明係有關於靜電放電(electrostatic discharge，ESD)防護電路。
在傳統的ESD防護電路中，為了能夠宣洩較大的靜電放電電流，一般會將靜電放電的箝位電晶體(ESD clamping transistor)設計的很大，以有效地保護內部的電路。然而，若是ESD防護電路遇到了能量較小但是速度很快的突發電流，則大尺寸的箝位電晶體設計會因為放電能量過強，再加上晶片封裝的電感效應，而導致供應電壓晃動過大，進而導致內部電路無法傳送健康的訊號。
因此，本發明的目的之一，在於提出一種ESD防護電路，其可以針對不同速度與能量的突發電流有不同的宣洩路徑，以解決先前技術中供應電壓晃動過大的問題。
在本發明的一個實施例中，揭露了一種ESD防護電路，其包含有一控制電路、一第一電晶體、一濾波器以及一第二電晶體。該控制電路用以偵測一供應電壓的準位以產生一控制訊號；該第一電晶體耦接於該供應電壓與一接地電壓之間，且用以根據該控制訊號以決定是否導通以作為該供應電壓宣洩電流至該接地電壓的路徑；該濾波器用以對該控制訊號進行濾波以產生一濾波後控制訊號；以及該第二電晶體耦接於該供應電壓與該接地電壓之間，且用以根據該第一濾波後控制訊號以決定是否導通以作為該供應電壓宣洩電流至該接地電壓的路徑。
第1圖為根據本發明一實施例之ESD防護電路100的示意圖。如第1圖所示，ESD防護電路100包含了一接點N1、一控制電路110、一濾波器120以及兩個電晶體M1、M2，其中濾波器120包含了一電阻R1以及一電容R1。在本實施例中，ESD防護電路100係設置於一晶片，例如乙太網路晶片或是其他任何需要有靜電放電防護功能的晶片，其中接點N1是該晶片的一訊號接入點，且該晶片的供應電壓VDDX是透過外部供應電壓VDD所產生。
在本實施例中，由於晶片內供應電壓VDDX是透過外部供應電壓VDD所產生，再加上晶片外部的繞線存在著寄生電感(在第1圖中以“L”表示)，因此，若是有突發電流透過接點N1流入至晶片中而觸發靜電放電防護機制時，則會因為寄生電感L的效應而導致供應電壓VDDX有抖動的情形發生。此外，由於突發電流會因為來源的不同而有不同的速度及能量，例如第2圖所示之以虛線繪示的是能量較小但速度較快的突發電流，而以實線繪示的是能量較大但速度較慢的突發電流。在靜電放電防護功能上，考慮到能量較大的突發電流，會需要設計較大尺寸的電晶體以快速地宣洩其電流；然而，若是能量小但速度快的突發電流透過較大尺寸的電晶體進行宣洩時，則會因為寄生電感L的效應而導致供應電壓VDDX有較大的抖動。因此，為了解決此一問題，第1圖所示的ESD防護電路100設計了兩個電流宣洩路徑，以針對上述兩種不同的突發電流進行宣洩，以有效地解決供應電壓VDDX的抖動問題。
具體來說，參考第1圖，控制電路110用來偵測供應電壓VDDX的準位以判斷是否有突發電流流入至晶片中，以產生一控制訊號Vc；電晶體M1的汲極係連接到供應電壓VDDX，源極連接到接地電壓，而閘極則是用來接收控制訊號Vc，以根據控制訊號Vc來決定是否導通以宣洩突發電流來降低供應電壓VDDX的準位。濾波器120為一低通濾波器，其用來對控制訊號Vc進行濾波以產生一濾波後控制訊號Vc’。電晶體M2的汲極係連接到供應電壓VDDX，源極連接到接地電壓，而閘極則是用來接收濾波後控制訊號Vc’，以根據濾波後控制訊號Vc’來決定是否導通以宣洩突發電流來降低供應電壓VDDX的準位。
在本實施例中，電晶體M1係用來宣洩能量小但速度快的突發電流，因此，為了避免電晶體M1的電流量太大而造成供應電壓VDDX的抖動，電晶體M1會具有較小的尺寸，亦即電晶體M1會具有較小的最大電流量。電晶體M2則是用來宣洩能量大但速度慢的突發電流，故為了有效地宣洩大的突發電流，電晶體M2會具有較大的尺寸，亦即電晶體M2會具有較大的最大電流量。此外，由於濾波器120的設計，當發生能量小但速度快的突發電流時，電晶體M2並不會導通，因此可以避免電晶體M2因為能量小速度快之突發電流導通而造成供應電壓VDDX抖動的問題。
在一實施例中，濾波器120係具有可調整的截止頻率，以供在測試階段進行調整以確保電晶體M2不會因為能量小速度快的突發電流而導通。舉例來說，電容C1可以是一個可變電容，以供調整至適當的電容值。
第3圖為根據本發明一實施例之控制電路110的示意圖。如第3圖所示，控制電路110包含有一電阻R2、一電容C2以及一反相器310，其中反相器310包含了P型電晶體MP1與N型電晶體MN1。電阻R2的一端係連接至供應電壓VDDX，而另一端則連接至端點N2；電容C2的一端連接至端點N2，而另一端則連接到接地電壓；P型電晶體MP1的源極連接到作為反相器310供應電壓的VDDX，汲極連接到輸出端點以產生控制訊號Vc，而閘極則連接到端點N2；N型電晶體MN1的源極連接到接地電壓，汲極連接到輸出端點以產生控制訊號Vc，而閘極則連接到端點N2。在第3圖的架構中，當供應電壓VDDX因為突發電流流入晶片而升高時，由於連接至供應電壓VDDX之P型電晶體MP1的源極的電壓準位提升，再加上端點N1上的電壓V1因為電阻R2與電容C2而具有較慢的反應速度(亦即，電壓V1不會因為供應電壓VDDX的提升而立即升壓)，故P型電晶體MP1會立即導通以使得控制訊號Vc具有高的電壓準位，以開啟第1圖所示的電晶體M1。
需注意的是，第3圖所示的電路架構只是作為範例說明，而非是本發明的限制，只要控制電路110可以有效地在供應電壓VDDX準位上升時產生控制訊號Vc以開啟電晶體M1，例如在供應電壓VDDX高於一臨界值時產生具有高電壓的控制訊號Vc，控制電路110可以具有不同的電路設計。
如上所述，藉由設計電晶體M1、M2以分別宣洩不同型式的突發電流，可以在有效保護內部電路的情形下，同時避免供應電壓VDDX的抖動問題。
在第1圖所示的實施例中，係以兩個電晶體M1、M2來做為說明，然而，本發明亦可應用在多個電晶體(即，多個電流宣洩路徑)的情形。具體來說，第4圖為根據本發明另一實施例之ESD防護電路400的示意圖。如第4圖所示，ESD防護電路400包含了一接點N1、一控制電路410、兩個濾波器420、430以及三個電晶體M1、M2、M3，其中濾波器420包含了一電阻R3以及一電容R3，且濾波器430包含了一電阻R4以及一電容R4。在本實施例中，ESD防護電路400係設置於一晶片，例如乙太網路晶片或是其他任何需要有靜電放電防護功能的晶片，其中接點N1是該晶片的一訊號接入點，且該晶片的供應電壓VDDX是透過外部供應電壓VDD所產生。
參考第4圖，控制電路410用來偵測供應電壓VDDX的準位以判斷是否有突發電流流入至晶片中，以產生一控制訊號Vc；電晶體M1的汲極係連接到供應電壓VDDX，源極連接到接地電壓，而閘極則是用來接收控制訊號Vc，以根據控制訊號Vc來決定是否導通以宣洩突發電流來降低供應電壓VDDX的準位。濾波器420為一低通濾波器，其用來對控制訊號Vc進行濾波以產生一濾波後控制訊號Vc’。電晶體M2的汲極係連接到供應電壓VDDX，源極連接到接地電壓，而閘極則是用來接收濾波後控制訊號Vc’，以根據濾波後控制訊號Vc’來決定是否導通以宣洩突發電流來降低供應電壓VDDX的準位。濾波器430亦為一低通濾波器，其用來對濾波後控制訊號Vc’進行濾波以產生一濾波後控制訊號Vc”。電晶體M3的汲極係連接到供應電壓VDDX，源極連接到接地電壓，而閘極則是用來接收濾波後控制訊號Vc”，以根據濾波後控制訊號Vc”來決定是否導通以宣洩突發電流來降低供應電壓VDDX的準位。
在本實施例中，電晶體M1的尺寸小於電晶體M2的尺寸，亦即電晶體M1的最大電流量小於電晶體M2的最大電流量；且電晶體M2的尺寸小於電晶體M3的尺寸，亦即電晶體M2的最大電流量小於電晶體M3的最大電流量。換句話說，電晶體M1主要用來宣洩能量小但速度快的突發電流，電晶體M2主要用來宣洩能量中等速度中等的突發電流，而電晶體M3主要用來宣洩能量大但速度慢的突發電流。此外，由於濾波器420的設計，當發生能量小但速度快的突發電流時，電晶體M2、M3並不會導通，因此可以避免電晶體M2、M3因為能量小速度快之突發電流導通而造成供應電壓VDDX抖動的問題。
在一實施例中，濾波器420、430係具有可調整的截止頻率，以供在測試階段進行調整以確保電晶體M2、M3不會因為能量小速度快的突發電流而導通。舉例來說，電容C1、C2可以是可變電容，以供調整至適當的電容值。
在一實施例中，控制電路410可以採用第3圖所示的電路架構來實現，但本發明並不以此為限，只要控制電路410可以有效地在供應電壓VDDX準位上升時產生控制訊號Vc以開啟電晶體M1，其可以具有不同的電路設計。
簡要歸納本發明，在本發明的ESD防護電路中，藉由兩個或以上的電晶體以分別宣洩不同型式的突發電流，再加上設計濾波器以避免具有較大尺寸的電晶體因為能量小速度快之突發電流而導通，可以在有效保護內部電路的情形下，同時避免供應電壓VDDX的抖動問題。 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。
100,400:ESD防護電路 110,410:控制電路 120,420,430:濾波器 310:反相器 C1,C2,C3,C4:電容 L:寄生電感 M1,M2,M3:電晶體 MN1:N型電晶體 MP1:P型電晶體 N1,N2:接點 R1,R2,R3,R4:電阻 V1:電壓 Vc:控制訊號 Vc’,Vc”:濾波後控制訊號 VDD:外部供應電壓 VDDX:供應電壓
第1圖為根據本發明一實施例之ESD防護電路的示意圖。 第2圖繪示了能量較小但速度較快的突發電流以及能量較大但速度較慢的突發電流。 第3圖為根據本發明一實施例之控制電路的示意圖。 第4圖為根據本發明另一實施例之ESD防護電路的示意圖。
100:ESD防護電路
110:控制電路
120:濾波器
C1:電容
L:寄生電感
M1,M2:電晶體
N1:接點
R1:電阻
Vc:控制訊號
Vc’:濾波後控制訊號
VDD:外部供應電壓
VDDX:供應電壓

Claims (10)

  1. 一種靜電放電(electrostatic discharge，ESD)防護電路，包含有： 一控制電路，用以偵測一供應電壓的準位以產生一控制訊號； 一第一電晶體，耦接於該供應電壓與一接地電壓之間，用以根據該控制訊號以決定是否導通以作為該供應電壓宣洩電流至該接地電壓的路徑； 一第一濾波器，用以對該控制訊號進行濾波以產生一第一濾波後控制訊號；以及 一第二電晶體，耦接於該供應電壓與該接地電壓之間，用以根據該第一濾波後控制訊號以決定是否導通以作為該供應電壓宣洩電流至該接地電壓的路徑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護電路，其中該第二電晶體的尺寸大於該第一電晶體的尺寸。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護電路，其中該第二電晶體的最大電流量大於該第一電晶體的最大電流量。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護電路，其中該第一濾波器係為具有可調整截止頻率的低通濾波器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護電路，另包含有： 一第二濾波器，用以對該第一濾波後控制訊號進行濾波以產生一第二濾波後控制訊號；以及 一第三電晶體，耦接於該供應電壓與該接地電壓之間，用以根據該第二濾波後控制訊號以決定是否導通以作為該供應電壓宣洩電流至該接地電壓的路徑。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之靜電放電防護電路，其中該第二電晶體的尺寸大於該第一電晶體的尺寸，且該第三電晶體的尺寸大於該第二電晶體的尺寸。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之靜電放電防護電路，其中該第二電晶體的最大電流量大於該第一電晶體的最大電流量，且該第三電晶體的最大電流量大於該第二電晶體的最大電流量。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之靜電放電防護電路，其中該第一濾波器與該第二濾波器均為具有可調整截止頻率的低通濾波器。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護電路，其中該偵測電路偵測該供應電壓的準位是否高於一臨界值以產生該控制訊號；其中若是該供應電壓的準位是高於該臨界值，該偵測電路產生該控制訊號以致能該第一電晶體。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之靜電放電防護電路，其中該偵測電路包含有： 一電阻，耦接於該供應電壓與一端點之間； 一電容，耦接於該端點與該接地電壓之間； 一反相器，其中該反相器係使用該供應電壓來進行供電，該端點係作為該反相器的一輸入端點，且該該反相器的一輸出端點係用來產生該控制訊號。
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