靜電放電保護的製作方法

2023-05-15 05:16:11

本發明涉及靜電放電電路。

背景技術：

各種實施例的方面是針對為電子電路提供靜電放電保護。靜電放電(esd)可由電的突然流動導致，這種情況在當不同電壓電勢的結構變得足夠接近，以使得結構之間的介質擊穿且促使轉移能量時出現。不同電壓電勢可(例如)通過一個結構(例如，電纜)之間的靜電聚集而形成。當從連接到裝置的電纜轉移電荷時，出現一種被稱作電纜放電事件或浪湧事件的esd。舉例來說，當靜態充電到不同電位的電纜連接到裝置時，可出現浪湧事件。當這種情況發生時，由於電壓電勢減小，因此電荷轉移到裝置中或從裝置中轉移出來。esd事件可通過其連接器接口損害集成電路(ic)。對於多種應用，這些和其它問題給esd保護的實施效率帶來挑戰。

技術實現要素：

各種實例實施例是針對(例如)上文闡述的問題和/或從以下關於電子電路的公開內容中可顯而易見的其它問題。在某些實例實施例中，本發明的方面涉及用於防止電子裝置中電壓浪湧的電路和的方法。

在某些實施例中，設備包括開關電路，所述開關電路被配置成在第一模式(例如，充電模式)中啟用第一節點與第二節點之間的電流路徑且在第二模式(例如，浪湧保護模式)中停用電流路徑。設備另外包括偏壓電路，所述偏壓電路被配置成在第二模式中通過對控制節點的電壓加偏壓來防止第一節點處的電壓浪湧啟用到第二節點的電流路徑。

在較具體實例實施例中，開關電路被配置成響應於與第一節點的電壓相關的控制節點的電壓超出閾值電壓而在第一模式中操作且響應於與第一節點的電壓相關的控制節點的電壓低於閾值電壓而在浪湧保護模式中操作。在浪湧保護模式中，開關電路被配置和布置成停用，以防止第一節點處的電壓浪湧到達第二節點。然而，第一節點處的負浪湧可使第一節點與控制節點之間的電壓差升高到閾值電壓以上且由此導致開關電路啟用電流路徑。偏壓電路被配置成通過對控制節點加偏壓以減小控制節點的電壓來防止第一節點處的負浪湧啟用到第二節點的電流路徑。

在另一實例實施例中，提供一種用於提供第一節點和第二節點之間浪湧保護的方法。在第一模式中，啟用第一節點與第二節點之間的電流路徑。通過將在電流路徑中電連接的開關電路的控制節點設定到第一電壓來啟用電流路徑。在第二模式中，通過將控制節點設定到第二電壓來停用電流路徑。在第二模式中響應於第一節點處的電壓浪湧，通過對控制節點的電壓加偏壓來防止開關電路啟用電流路徑。

以上論述/概述並不旨在描述本發明的每個實施例或每個實施方案。以下圖式和詳細描述還舉例說明了各種實施例。

附圖說明

考慮以下詳細描述結合附圖可以更全面地理解各種實例實施例，在附圖中：

圖1描繪根據本發明的實施例用於防止浪湧事件的實例電路的方塊圖；

圖2描繪根據本發明的實施例用於防止浪湧事件的實例過程的流程圖；且

圖3描繪根據本發明的實施例用於防止浪湧事件的實例電路的電路圖。

雖然本文中所論述的各種實施例能夠經受各種修改和替代形式，但在圖式中已藉助於例子示出了實施例的方面，且將詳細描述實施例的方面。然而，應理解，並不意圖將本發明限制於所描述的特定實施例。相反，意圖涵蓋落入本發明的範圍內的包括權利要求書中限定的方面的所有修改、等效物和替代物。另外，術語「例子」，如所使用的，在本申請案通篇中僅藉助於說明，且不加限制。

具體實施方式

本發明的方面被認為適用於各種不同類型的涉及電子電路的設備、系統和方法。在某些實施方案中，已示出本發明的方面當用於電子電路的浪湧保護的上下文中時是有益的。可經由使用示例性上下文的非限制性例子的以下論述來理解各個方面，但不必限於此。

公開用於防止正浪湧事件和/或負浪湧事件的方法和電路。在某些實施例中，浪湧保護電路包括開關電路，所述開關電路被配置成在第一模式(例如，充電模式)中啟用第一節點與第二節點之間的電流路徑且在第二模式(例如，浪湧保護模式)中停用電流路徑。在某些實施例中，開關電路容易響應於第一節點處出現的浪湧事件而在第二模式中無意地啟用電流路徑。浪湧保護電路包括偏壓電路，所述偏壓電路被配置成(例如)通過對開關電路中節點的電壓加偏壓來減小開關電路對浪湧事件的易感性。

對於一些應用，此些電路和方法被用來保護電路系統免受正浪湧事件和/或負浪湧事件的影響。在正電壓浪湧中，可將節點的電壓轉變到電路的操作電壓區間(例如，大於供應電壓)以上。在負電壓浪湧中，可將節點的電壓轉變到集成電路的操作電壓區間(例如，低於接地電壓)以下。某些應用可(例如)通過使用包括晶片上esd保護電路和/或外部瞬態電壓抑制二極體的前端電路來防止正浪湧事件。然而，防止負浪湧事件可能較困難，在負浪湧事件中，電流/電壓脈衝可從ic的一個觸摸接腳進入且從ic的另一接腳離開。受益於本發明的方面的某些應用減小了對此些負浪湧事件的易感性。

如說明性例子，開關電路可包括必需在第二模式中關斷以確保正確操作的n型金屬氧化物半導體場效應電晶體(nmos)電晶體。nmos電晶體可具有電連接到節點的源極，在所述節點處存在電壓浪湧。如果電壓浪湧為正，那麼源電壓上升且柵-源電壓降低。結果，柵-源電壓保持低於閾值電壓且nmos電晶體保持關斷狀態。然而，如果電壓浪湧為負，那麼源電壓降低且柵-源電壓升高。如果柵-源電壓變得大於閾值電壓，那麼nmos電晶體將接通且浪湧可在第一節點與第二節點之間轉移。

在各種實施例中，偏壓電路被配置成防止浪湧事件擾亂開關電路的正確操作。舉例來說，繼續使用上文nmos例子，偏壓電路可被配置成當負浪湧出現時對nmos電晶體的柵極加偏壓，以確保柵-源電壓保持在閾值電壓以下。以這種方式，開關電路可防止負浪湧在第一節點與第二節點之間轉移。

因此，在以下描述中，闡述各種具體細節以描述本文呈現的具體例子。然而，本領域的技術人員應顯而易見，可在沒有下文給出的所有具體細節的情況下實踐一個或多個其它例子和/或這些例子的變化。在其它情況下，未詳細地描述眾所周知的特徵以免混淆本文中的例子的描述。為了便於示出，可在不同圖式中使用相同參考標號以指代相同元件或相同元件的額外例子。同樣，儘管可在一些情況下在個別圖式或實施例中描述方面和特徵，但應了解來自一個圖式的特徵可與另一個圖式或實施例的特徵組合，即使不將所述組合明確地示出或明確地描述為組合。

在不同實施例中，可使用各種電路實施開關電路和偏壓電路。(例如)可使用包括但不限於雙極結型電晶體(bjt)、結型場效應電晶體(jfet)和/或金屬氧化物半導體場效應電晶體mosfet的各種類型電晶體技術實施電路。為便於說明，主要論述關於mosfet的例子，但不限於此。

所公開的電路和方法可適用於各種應用，以防止電壓浪湧。舉例來說，浪湧保護電路可被配置成防止當電力電纜(例如，usb電力線)或信號線最初連接到裝置時出現的電壓浪湧。舉例來說，當最初連接usb電纜時，浪湧保護電路可用於將連接到第一節點的usb電力線接口與連接到裝置電池的第二節點隔離。在電纜已連接且任何浪湧已釋放之後，浪湧保護電路可提供從電力線接口到用於充電的電池的電流路徑。如另一例子，當最初連接數據信號線時，浪湧保護電路可用於將裝置的電路與裝置的數據信號線接口(例如，耳機插口)隔離。另外或替代地，浪湧保護電路可被配置用於防止操作期間在連接電纜上(例如)由靜電、短路電路或雷擊產生的電壓浪湧。為便於說明，在防止當電力電纜連接到裝置的節點時產生的電壓浪湧的上下文中，對例子進行主要論述。

現轉而參看圖式，圖1示出具有在第一節點130與第二節點140之間連接的開關電路的集成電路(ic)100。在這個例子中，開關電路120被配置成響應於被提供到控制節點(ctrl)的模式選擇信號指示第一模式(例如，充電/電力模式)而啟用第一節點130與第二節點140之間的電流路徑且響應於模式選擇信號指示第二模式(例如，浪湧保護模式)而停用電流路徑。

如先前所描述，開關電路120可易受一種類型的浪湧事件(例如，正電壓浪湧或負電壓浪湧)影響。舉例來說，當負電壓浪湧出現時，開關電路120可能無法保持電流路徑停用，且由此可使電流從節點140流動到節點130。當開關電路在第二模式中操作時，偏壓電路110被配置成防止第一節點處的電壓浪湧啟用電流路徑。舉例來說，如果開關電路120易受負電壓浪湧影響，那麼偏壓電路110可被配置成響應於檢測到第一節點130處的負浪湧事件而對開關電路120的控制節點ctrl加偏壓。偏壓電路110可基於比較第一節點130的電壓與參考電壓(例如，gnd)而檢測到負浪湧事件。相反，如果開關電路120易受正電壓浪湧影響，那麼偏壓電路110可被配置成響應於檢測到第一節點130處的正浪湧事件而對開關電路120的控制節點ctrl加偏壓。偏壓電路110可基於比較第一節點130的電壓與參考電壓(例如，vdd)而檢測到正浪湧事件。

在較具體實例實施例中，開關電路120被配置成基於將控制節點ctrl與第一節點130之間的電壓差與閾值電壓比較而啟用/停用第一節點130與第二節點140之間的電流路徑。舉例來說，開關電路120可包括電晶體，所述電晶體具有電連接到控制節點的柵極和電連接到第一節點130的源極或漏極。由第一節點處的浪湧事件誘發的電壓改變可轉變電晶體的源極或漏極的電壓且由此改變與電晶體的源極/漏極的電壓相關的柵極的電壓。偏壓電路110可被配置成對控制節點的電壓加偏壓，以防止源極與柵極之間的電壓差超出閾值電壓，在所述閾值電壓下電晶體開始傳輸電流。以這種方式，防止浪湧事件使電晶體接通且啟用第一節點130與第二節點140之間的電流路徑。

圖2描繪根據本發明的實施例用於防止浪湧事件的實例過程的流程圖。當開始過程時，過程最初是針對決策框202。如果選擇信號在決策框202處指示充電模式，那麼在框204處通過將控制節點(例如，開關電路120的控制節點)的電壓設定為第一值而啟用電流路徑。或者，如果或當設定選擇信號以在決策框202處指示浪湧保護模式時，那麼在框206處通過將控制節點的電壓設定為第二值而停用電流路徑。當模式選擇電路指示浪湧保護模式時，過程的方向為從決策框208到決策框210。如果決策框210存在浪湧，那麼(例如，通過偏壓電路110)在框212處對控制節點加偏壓，以防止電流路徑被啟用。當浪湧不再存在時，過程回到決策框208。或者，如果或當選擇信號設定成充電模式時，那麼在框204處通過將控制節點的電壓設定為第一值而啟用電流路徑。以這種方式繼續過程，直到裝置重設或斷電。

如先前所論述，可使用各種電路布置來實施浪湧保護電路的開關電路和偏壓電路。圖3描繪根據本發明的實施例用於防止ic300上浪湧事件的實例電路配置的電路圖。電路布置包括參照圖1中的第一節點130、第二節點140、偏壓電路110和開關電路120所描述進行配置和布置的第一節點340、第二節點350、偏壓電路320和開關電路330。開關電路330包括被布置成響應於模式選擇信號而提供第一節點340與第二節點350之間的電流路徑的一定數目的電晶體332和電晶體334。

在這個例子中，開關電路330包括在第一節點340與第二節點350之間串聯連接在一起的兩個nmos電晶體332和nmos電晶體334。然而，實施例不限於此。舉例來說，開關電路330可適於通過使用在第一節點340與第二節點350之間連接的單一電晶體或通過使用在第一節點與第二節點之間串聯連接的三個或多於三個電晶體來提供電流路徑。使用多個串聯連接的方式減小了電流路徑的亞閾值漏電流。通常，當串聯連接的電晶體的數目增加時，亞閾值漏電流以指數速率減小。在一些實例實施方案的測試中，確定串聯連接的兩個25mohmnmos電晶體以展現足夠用於許多應用的近似0.1ma的亞閾值漏電。

nmos電晶體332和nmos電晶體334中的每一個均具有被連接以接收模式選擇信號的柵極。在這個例子中，ic300包括驅動器電路310，所述驅動器電路310被配置成將模式選擇信號提供到開關電路330的電晶體332和電晶體334的柵極。在這個例子中，驅動器電路310包括分別用於電晶體332和電晶體334中每一個的驅動器子電路312和驅動器子電路314。

當在高電壓(例如，邏輯1)下設定模式選擇信號時，開關電路在第一模式(例如，充電模式)中操作，nmos電晶體332和nmos電晶體334接通，且電流路逕啟用。相反，當模式選擇信號設定為低值(例如，邏輯0)時，開關電路在第二模式(例如，浪湧保護模式)中操作，其中電晶體332和電晶體334關斷且電流路徑停用。開關電路可在第二模式中操作，以防止(例如)當電力電纜或數據電纜最初連接到節點340時節點340處出現的浪湧事件轉移到節點350。

在這個例子中，開關電路330當在第二模式中操作時防止正浪湧事件。當正浪湧事件出現在節點340處時，電晶體332的源電壓升高，由此降低電晶體332的柵-源電壓。結果，柵-源電壓保持低於閾值電壓且nmos電晶體保持關斷狀態。正浪湧事件的浪湧電流可由可連接到節點340的一個或多個額外電路(圖3中未示出)旁通，所述一個或多個額外電路包括(例如)晶片上esd保護電路和/或外部瞬態電壓抑制二極體。相反，當電壓浪湧為負時，源電壓降低且柵-源電壓升高。如果柵-源電壓變得大於閾值電壓，那麼nmos電晶體將接通且使電壓浪湧轉移到電晶體334。負浪湧可類似地促使電晶體334接通且使浪湧轉移到節點350。

偏壓電路320被配置成對開關電路的控制節點加偏壓，以防止當節點340處出現負電壓浪湧時，電晶體332接通。在這個例子中，偏壓電路320包括在電晶體332的柵極與節點340之間的電流路徑中連接的nmos電晶體322。偏壓電路320包括將電晶體322的柵極連接到驅動器電路310的電阻器324。偏壓電路320還包括將電晶體322的源極連接到節點340的電阻器324。電晶體322的柵極連接到ic的較低操作電壓(例如，gnd)。在正常操作期間，電晶體322關斷，這是因為電晶體322的柵電壓連接到gnd。當節點340處出現負電壓浪湧時，電晶體322的源電壓被拉引遠低於gnd。當柵-源電壓超出電晶體322的閾值電壓時，電晶體322接通且提供從電晶體332的柵極到節點340的電流路徑。當使用電晶體322時，電阻324和326形成電阻電橋。遍及電阻器324的電壓降將電晶體332的柵電壓拉引到足以防止電晶體332接通的低電壓。以這種方式，開關電路能夠防止負浪湧從節點340轉移到節點350。

遍及電阻器324的電壓降取決於與電阻器326的電阻相關的電阻器324的電阻。在一些實施例中，可選擇電阻器以具有足以使電壓遍及電阻器324下降以消耗ic(例如，vdd-gnd)的整體操作電壓區間的電阻率值。作為一個考量，應指出如果電阻器324的電阻過高，那麼驅動器310將模式選擇信號提供到電晶體332的能力可能受到不利影響。一些實例電路的模擬和測試以示出4kohm電阻器324和20ohm電阻器326提供遍及電阻器324的充足電壓降，且在正常操作期間不會對性能產生不利影響。

圖3中的電路布置已示出在許多電子電路的典型操作電壓區間的外部成功地防止兩個負浪湧的轉移。舉例來說，開關電路和偏壓電路的實例實施方案的模擬和測試已示出阻斷根據國際電工委員會(iec)61000-4-5標準產生的+/-20v浪湧。

在不同應用中，可控制模式選擇信號以於不同時期在充電模式與浪湧保護模式之間切換，以防浪湧事件。在一些實施例中，(例如)通過邏輯電路調整模式選擇信號的值，以防止當最初連接電纜時電壓浪湧的轉移。如說明性例子，邏輯電路可設定模式選擇信號，以使開關電路在浪湧保護模式中操作，直到檢測電纜連接且任何電壓浪湧已被抑制之後。可通過使用各種電路和/或過程檢測電纜的連接/斷開連接。舉例來說，當電纜端插入到輸入埠中時，電路路徑可完成。如另一例子，可(例如，基於與參考電壓的比較)檢測由電力電纜提供的電壓。響應於驗證電壓浪湧不存在，邏輯電路可設定模式選擇信號，以使開關電路在充電模式中操作。

邏輯電路可設定模式選擇信號以響應於各種事件而將開關電路的操作切換回到浪湧保護模式。舉例來說，在一些實施方案中，邏輯電路可監視電纜端的電壓且促使開關電路響應於受監視電壓指示浪湧事件而在浪湧保護模式中操作。如另一例子，可促使開關電路響應於電池完全充電或超出額定溫度閾值而從充電模式切換到浪湧保護模式。如又一例子，如果檢測電纜斷開連接，那麼開關電路可促使開關電路再次在浪湧保護模式中操作，如此當稍後再連接電纜時將阻斷電壓浪湧。

除非另外指明，否則本領域的技術人員將認識到如在說明書(包括權利要求)中所使用的各種術語意味著本領域中的平常含義。舉例來說，說明書描述和/或說明可用於藉助於可說明為電路或電路系統的各種電路或電路系統或通過使用例如塊、模塊、裝置、系統、單元、控制器、控制電路系統的術語和/或其它電路類型繪圖(例如，圖1的參考標號110描繪本文中所描述的塊)實施所要求的公開內容的方面。此些電路或電路系統與其它元件一起使用以舉例說明可在形式或結構、步驟、功能、操作、活動等中如何實行某些實施例。舉例來說，在某些以上論述的實施例中，一個或多個模塊是離散邏輯電路、被配置成和布置成用於實施這些操作/活動的可編程邏輯電路或其組合。在某些實施例中，這種可編程電路是一個或多個計算機電路，包括用於存儲和存取將執行為(一個或多個)指令集(和/或將用作配置數據以限定可編程電路如何工作)的程序的存儲器電路系統，和由可編程電路使用以執行各種步驟、功能、操作、活動等的算法或過程。取決於應用，指令(和/或配置數據)可被配置成在邏輯電路中實施，其中指令(無論其特徵是否在於目標代碼、固件或軟體的形式)存儲於存儲器(電路)中且可從存儲器存取。

基於以上論述和說明，本領域的技術人員將易於認識到可以對各種實施例作出各種修改和改變而無需嚴格地遵循且在本文中所說明的且描述的示例性實施例和應用。舉例來說，如圖式中例示的方法可涉及以各種次序實行的步驟，其中保持本文的實施例的一個或多個方面，或可涉及較少或較多步驟。此類修改並不脫離本公開的各種方面的真實精神和範圍，包括在權利要求書中闡述的方面。