Led應用的cmos可調過電壓esd和衝擊電壓保護的製作方法
2023-05-21 12:56:36 1
專利名稱：Led應用的cmos可調過電壓esd和衝擊電壓保護的製作方法
技術領域：
在此公開的多個示例性實施例通常涉及LED應用的CMOS可調過電壓靜電放電(ESD)和衝擊電壓保護。
背景技術：
LED (發光二極體)在製造期間和在操作期間在現場中對過電壓應力是敏感的。在製造期間，LED經歷可能損壞LED的靜電放電(ESD)。在操作期間，LED也可能經歷向LED的過電壓施加。這種過電壓應力可能引起永久損壞。因而，LED需要ESD和過電壓保護。這種保護可以由保護裝置保護。當以串聯配置連接LED時出現其它問題，在串聯配置中一個裝置的故障關閉整個LED系統。在這種情況中，保護裝置可以作為旁路工作，提供與故障二極體並聯的低電阻電流路徑。因此，驅動電流未被故障LED阻斷以便剩餘的LED可以繼續工作。目前的LED保護裝置可以為齊納二極體和其它分立解決方案。通常齊納二極體保護一個LED。當形成具有串聯的多於一個二極體LED組時，將齊納二極體放置為與每個LED並聯。如果過電壓事件發生，則齊納二極體分流電流。但這種配置並不作為用於出故障的開路LED的旁路工作，因為齊納二極體的電壓降與驅動電流結合引起更多的熱量。替代的分立解決方案是用有源電路代替齊納二極體，該有源電路提供在LED故障時允許形成旁路的低導通電阻。所有的這些保護元件的主要問題是慢的導通時間。慢的導通時間減少了 LED的應用領域，並且不能用於快速切換應用，例如，在脈寬調製(PWM)模塊中使用LED。
發明內容
因此，存在對提供ESD和衝擊電壓保護的LED保護裝置的需求，該LED保護裝置在LED在開路狀態中出現故障時允許旁路電流流動，並且足夠快用於所有的LED應用。提出了多個示例性實施例的簡要概述。在接下來的概述中可以進行一些簡化和省略，其意圖是強調和引入多個示例性實施例的一些方面，但不是意圖限制本發明的範圍。在接下來的段落中將進行足以允許本領域技術人員實現和利用本發明創造性概念的優選示例性實施例的詳細描述。多個實施例還可以涉及一種發光二極體保護電路，包括:串聯連接的多個二極體；連接至所述多個二極體中的第一二極體的輸入端；輸出端；連接在所述多個二極體和所述輸出端之間的第一電阻器；電晶體，具有連接至第一電阻器和所述多個二極體之間的結點的柵極和連接至所述輸出端的源極；連接在所述輸入端和所述電晶體的漏極之間的第二電阻器；以及可控矽整流器(SCR)，具有連接至所述輸入端的陽極、連接至所述電晶體的漏極的基極和連接至所述輸出端的陰極。多個實施例還可以涉及一種發光二極體保護電路，包括:串聯連接的多個二極體；連接至所述多個二極體中的第一二極體的輸入端；輸出端；連接在所述多個二極體和所述輸出端之間的第一電阻器；電晶體，具有連接至第一電阻器和所述多個二極體之間的結點的柵極和連接至所述輸出端的源極；以及可控矽整流器(SCR)，具有連接至所述輸入端的陽極、連接至所述電晶體的漏極的基極和連接至所述輸出端的陰極。多個實施例還可以涉及一種發光二極體(LED)系統，包括:串聯連接的多個LED ；LED保護電路，與所述串聯連接的LED的每一個並聯連接，該保護電路還包括:串聯連接的多個二極體；輸入端，連接至所述多個二極體中的第一二極體和所述LED的陽極；輸出端，連接至所述LED的陰極；第一電阻器，連接在所述多個二極體和所述輸出端之間；電晶體，具有連接至第一電阻器和所述多個二極體之間的結點的柵極和連接至所述輸出端的源極；以及可控矽整流器(SCR)，具有連接至所述輸入端的陽極、連接至所述電晶體的漏極的基極和連接至所述輸出端的陰極。
為了更好地理解多個示例性實施例，將參照附圖，在附圖中:圖1為圖示保護電路的實施例的電路圖；圖2為可控矽整流器的實施例的截面面；圖3為圖示保護電路的另一個實施例的電路圖；圖4為可控矽整流器的另一個實施例的截面面；圖5圖示採用該保護電路的發光二極體系統。
具體實施例方式現在參照附圖，其中相同的數字表示相同的部件或步驟，公開了多個示例性實施例的概括性的方面。圖1為圖示保護電路的實施例的電路圖。保護電路100可以包括串聯連接的多個電晶體二極體105a_105e、第一電阻器110、輸入端115a_115c、輸出端120、第二電阻器125、MOS電晶體130、可控矽整流器(SCR) 135和第三電阻器150。所述串聯連接的多個電晶體二極體105可以與第一電阻器110串聯連接。第一輸入端115a可以連接至第一電晶體二極體105a。保護電路100還可以包括附加輸入端，如115b和115c。這些附加輸入端可以連接在所述多個電晶體二極體105的不同個之間。第一電阻器110還可以連接至輸出端120。第二電阻器125可以連接在輸入端115a和SCR 135的陽極之間。CMOS電晶體130可以具有連接至多個電晶體二極體105和第一電阻器110之間的結點的柵極。MOS電晶體還可以具有連接至輸出端120的源極、連接至第二電阻器125和SCR 135的柵極的漏極。SCR 135可以具有連接至輸入端115a和第二電阻器125的陽極和連接至輸出端120的陰極。雖然在該實施例中討論了電晶體二極體，但也可以採用其它類型的二極體。保護電路100可以為LED提供ESD和衝擊電壓保護。當比所述多個電晶體二極體105的擊穿電壓大的輸入電壓施加至輸入端115a時，電流將流過所述多個電晶體二極體105並流過第一電阻器110。因此，選擇電晶體二極體105的數量以提供期望的擊穿電壓。而且，如圖1所示，附加的輸入端115b和115c允許對用來保護LED的擊穿電壓進行附加的控制。例如，第二輸入端115b連接至第一電晶體二極體105a和第二電晶體二極體105b之間的結點。通過將LED連接至第二輸入端115b並將第二輸入端115b短接至第一輸入端115a，所述多個電晶體二極體105的擊穿電壓可以降低。輸入端115c說明如何可以進一步降低擊穿電壓。可以選擇多個輸入端115的數量和位置以提供期望的多個擊穿電壓，這些擊穿電壓在將保護電路100與LED結合時是可用的。現在將描述保護電路100的操作。當超過所述多個電晶體二極體105的擊穿電壓的輸入電壓施加至保護電路100的輸入端115時，電流可以流過所述多個電晶體二極體105和第一電阻器110。電流可以在第一電阻器110兩端產生電壓，該電壓也可以施加至MOS電晶體130的柵極。該電壓可以使MOS電晶體130導通，允許電流流過第一電阻器125和MOS電晶體130。該電流可以流過該路徑，因為它的電阻可以低於通過所述多個電晶體二極體105和第一電阻器110的電阻。流過第二電晶體125的電流可以產生施加在SCR 135的陽極和柵極之間電壓，這使SCR 135導通，因此允許來自輸入端的電流流過SCR 135。由於SCR 135可以具有低的阻抗，可以損失較少的功率，並且可以產生較少的熱量。另外，當LED故障時，LED兩端的電壓可以增加至大於所述多個電晶體二極體105的擊穿電壓的值。因此，保護電路100變為有效，並且輸入電流將故障LED旁路，允許可能串聯連接的其它LED繼續操作。SCR 135被圖示為包括PNP電晶體140和NPN電晶體145。SCR的這種圖示表示採用兩個雙極電晶體的SCR的傳統結構。圖2為可控矽整流器的實施例的截面面。可以採用標準CMOS工藝製造SCR 200。SCR 200包括p-襯底205、η-阱210、ρ-阱215、第一 η+區域220、第一 ρ+區域225、第二 η+區域230和第二 ρ+區域235。第一矽層可以被形成並被摻雜以產生P-襯底205。隨後，可以形成第二矽層，並且可以應用摻雜以形成η-阱210和P-阱215。接下來，採用掩模和摻雜工藝，可以形成第一 η+區域220和第二 η+區域230。最後，採用掩模和摻雜工藝，可以形成第一 P+區域225和第二 ρ+區域235。如果CMOS工藝用於保護裝置100，則可以重新使用用於構建電晶體的擴散:可以類似於PMOS電晶體的體接觸構建第一 η+區域220，可以類似於PMOS的源極-漏極擴散構建第一 ρ+區域225，可以類似於PMOS的η-阱構建η-阱210 ;可以類似於NMOS電晶體的體接觸構建第二 ρ+區域235，可以類似於NMOS的源極-漏極擴散構建第二 η+區域230，以及可以類似於NMOS的P-阱構建P-阱215 ；另外，可以用作SCR 200的柵極的第一 η+區域220可以連接至MOS電晶體130的漏極。可以用作陽極的第一 P+區域225可以連接至輸入端115。最後，可以用作陰極的第二 η+區域230和第二 ρ+區域235可以連接至輸出端120。用於說明目的提供SCR 200的實施方案。可以使用與CMOS製造工藝兼容的用於SCR 200的其它設計和結構。在設計和製造MOS電晶體130和SCR 135時，可能希望能夠具有短的溝道長度。這些短的溝道長度允許用在高速應用中的快速導通時間。因此，MOS電晶體130和SCR 135的設計可以由LED操作的速度驅動。圖3為圖示保護電路的實施例的電路圖。保護電路300可以包括串聯連接的多個電晶體二極體305a_305e、第一電阻器310、輸入端315a_315c、輸出端320、第二電阻器325、MOS電晶體330、可控矽整流器(SCR) 335和第三電阻器350。所述串聯連接的多個電晶體二極體305可以與第一電阻器310串聯連接。第一輸入端315a可以連接至第一電晶體二極體305a。保護電路300還可以包括附加輸入端，如315b和315c。這些附加輸入端可以連接在所述多個電晶體二極體305中的多個之間。第一電阻器310還可以連接至輸出端320。第二電阻器325可以連接在SCR 335的柵極和MOS電晶體330的漏極之間，但也可以省略該電阻器。MOS電晶體330可以具有連接至多個電晶體二極體305和第一電阻器310之間的結點的基極。SCR 335可以具有連接至輸入端315a的陽極和連接至輸出端320的陰極。所述多個電晶體二極體305可以向LED提供ESD和衝擊電壓保護。當比所述多個電晶體二極體305的擊穿電壓大的輸入電壓施加至輸入端315a時，電流將流過所述多個電晶體二極體305並流過第一電阻器310。因此，選擇電晶體二極體305的數量以提供期望的擊穿電壓。而且，如圖3所示，附加的輸入端315b和315c允許對用來保護LED的擊穿電壓進行附加的控制。例如，第二輸入端315b連接至第一電晶體二極體305a和第二電晶體二極體305b之間的結點。通過將LED連接至第二輸入端315b並將第二輸入端315b短接至第一輸入端315a，所述多個電晶體二極體305的擊穿電壓可以降低。輸入端315c說明如何可以進一步降低擊穿電壓。可以選擇多個輸入端315的數量和位置以提供期望的多個擊穿電壓，這些擊穿電壓在將保護電路300與LED結合時是可用的。現在將描述保護電路300的操作。當超過所述多個電晶體二極體305的擊穿電壓的輸入電壓施加至保護電路300的輸入端315時，電流可以流過所述多個電晶體二極體305和第一電阻器310。該電流可以在第一電阻器310兩端產生電壓，該電壓也可以施加至MOS電晶體330的柵極。該電壓可以使MOS電晶體330導通，允許電流在SCR 335的陽極和柵極之間流過並流過MOS電晶體330。該電流使SCR 335導通，因此允許來自輸入端的電流流過SCR 335。在SCR 335達到其低歐姆狀態之前(這是SCR的導通時間期間)，在SCR 335的陽極和柵極之間並通過MOS電晶體330的電流將外部應力排出至輸出端，因此防止並聯放置的LED由於過流或過電壓而損壞。因此實現具有快速導通切換的保護裝置。由於SCR335可以具有低的阻抗，因此可以損失較少的功率，並且可以產生較少的熱量。而且，當LED故障時，LED兩端的電壓可以增加至大於所述多個電晶體二極體305的擊穿電壓的值。因此，保護電路300變為有效，並且輸入電流將故障LED旁路，允許可能串聯連接的其它LED繼續操作。SCR 335被圖示為包括PNP電晶體340和NPN電晶體345。SCR的這種圖示表示採用兩個雙極電晶體的SCR的傳統結構。圖4是還包括MOS電晶體330的可控矽整流器的另一個實施例的截面。可以採用標準CMOS工藝製造SCR 400。SCR 400包括ρ-襯底405、η-講410、ρ-講415、第一 η+區域420、第一 ρ+區域425、第二 η+區域430、第二 ρ+區域435和柵極440。第一矽層可以被形成並被摻雜以產生P-襯底405。隨後，可以形成第二矽層，並且可以應用摻雜以形成η-阱410和ρ-阱415。接下來，採用掩模和摻雜工藝，可以形成第一 η+區域420和第二 η+區域430。接下來,使用掩模和摻雜工藝,可以形成第一 P+區域425和第二 ρ+區域435。最後，柵極440可以形成在ρ-阱415的一部分以及第一和第二 η+區域420、430的一部分之上。另外，可以用作陽極的第一 ρ+區域425可以連接至輸入端315。接下來，可以用作陰極的第二 η+區域430和第二 ρ+區域435可以連接至輸出端320。用於說明目的提供SCR 400的該實施方案。可以使用與CMOS製造工藝兼容的用於SCR 400的其它設計和結構。
在設計和製造MOS電晶體330和SCR 335時，可能希望能夠具有短的溝道長度。這些短的溝道長度允許用在高速應用中的快速導通時間。因此，MOS電晶體330和SCR 335的設計可以由LED操作的速度驅動。可以以標準CMOS工藝設計上述保護電路。該保護電路的優點是ESD和衝擊電壓保護與由MOS電晶體和SCR的組合提供的快速導通時間的結合。SCR通常具有小的電壓降。結果，能夠在大於500mA的範圍內處理電流而不過熱。通過在多個輸入端之間進行選擇，進一步可以將保護電路設計為具有可調擊穿電壓，用於寬的工作範圍。另外，緊湊CMOS設計允許在相同管芯上布置其它不同的有源電路(如，LED驅動器和電源單元)。緊湊設計還允許將多個保護裝置100放置在一個晶體上。該解決方案可以在封裝器件中產生或作為晶片級封裝產生。圖5圖示採用該保護電路的發光二極體系統。LED系統500可以包括可以串聯連接的LED520a、520b和520c。LED520a、520b和520c中的每一個可以具有並聯連接的保護電路100a、IOOb和100c。LED520可以由LED驅動器510驅動。如果LED 520b出現故障，則保護電路IOOb可以使施加至故障LED 520b的電流繞過故障LED 520b。這允許電流仍然流動至LED 520a和520c，因此防止LED系統500的完全故障。而且，如果存在施加至LED520的電壓或電壓衝擊，則保護電路100將傳遞該電流或電壓遠離該LED，以防止損壞該LED。本領域技術人員應當理解，本文中的任何框圖表示採用本發明的原理的說明性電路的概念視圖。雖然已經特別參照多個示例性實施例的一些示例性方面詳細了所述多個示例性實施例，但應當理解，本發明能夠具有其它實施例並且其細節能夠在多個明顯的方面進行修改。如本領域技術人員容易明白的那樣，在保持落入本發明的精神和範圍內的同時可以實現多種變化和修改。因此，前述公開內容、描述和附圖僅用於說明目的，並且決不是限制本發明，本發明僅由權利要求限定。
權利要求
1.一種發光二極體保護電路，包括: 串聯連接的多個二極體； 連接至所述多個二極體中的第一二極體的輸入端； 輸出端； 連接在所述多個二極體和所述輸出端之間的第一電阻器； 電晶體，具有連接至所述第一電阻器和所述多個二極體之間的結點的柵極以及連接至所述輸出端的源極； 連接在所述輸入端和所述電晶體的漏極之間的第二電阻器；以及可控矽整流器SCR，具有連接至所述輸入端的陽極、連接至所述電晶體的漏極的基極和連接至所述輸出端的陰極。
2.根據權利要求1所述的發光二極體保護電路，其中所述保護電路包括保護串聯連接的多個LED的多個發光二極體保護電路。
3.根據權利要求1所述的發光二極體保護電路，還包括連接至所述多個二極體中的兩個之間的結點的第二輸入端。
4.根據權利要求1所述的發光二極體保護電路，其中電晶體是NMOS電晶體。
5.根據權利要求1所述的發光二極體保護電路，其中二極體為電晶體二極體。
6.根據權利要求1所述的發光二極體保護電路，其中所述保護電路是CMOS晶片。
7.一種發光二極體保護電路，包括: 串聯連接的多個二極體； 連接至所述多個二極體中的第一二極體的輸入端； 輸出端； 連接在所述多個二極體和所述輸出端之間的第一電阻器； 電晶體，具有連接至第一電阻器和所述多個二極體之間的結點的柵極以及連接至所述輸出端的源極；以及 可控矽整流器SCR，具有連接至所述輸入端的陽極、連接至所述電晶體的漏極的基極和連接至所述輸出端的陰極。
8.根據權利要求7所述的發光二極體保護電路，其中所述保護電路包括保護串聯連接的多個LED的多個發光二極體保護電路。
9.根據權利要求7所述的發光二極體保護電路，還包括連接至所述多個二極體中的兩個之間的結點的第二輸入端。
10.根據權利要求7所述的發光二極體保護電路，其中電晶體是NMOS電晶體。
11.根據權利要求7所述的發光二極體保護電路，其中二極體是電晶體二極體。
12.根據權利要求7所述的發光二極體保護電路，其中所述保護電路是CMOS晶片。
13.一種發光二極體LED系統,包括: 串聯連接的多個LED ； 多個LED保護電路，每個LED保護電路並聯連接至所述串聯連接的多個LED中的一個，所述LED保護電路還包括: 串聯連接的多個二極體； 輸入端，連接至所述多個二極體中的第一二極體和所述多個LED中的第一個LED ；輸出端，連接至所述多個LED中的最後一個LED ； 第一電阻器，連接在所述多個二極體和所述輸出端之間； 電晶體，具有連接至第一電阻器和所述多個二極體之間的結點的柵極以及連接至所述輸出端的源極；以及 可控矽整流器SCR，具有連接至所述輸入端的陽極、連接至所述電晶體的漏極的基極和連接至所述輸出端的陰極。
14.根據權利要求13所述的發光二極體保護電路，還包括連接在所述SCR的柵極和所述電晶體的漏極之間的第二電阻器。
15.根據權利要求13所述的發光二極體保護電路，還包括第二輸入端，所述第二輸入端連接至所述多個二極體中的兩個之間的結點並且連接至所述第一輸入端。
16.根據權利要求13所述的發光二極體保護電路，其中電晶體是NMOS電晶體。
17.根據權利要求13所述 的發光二極體保護電路，其中二極體是電晶體二極體。
全文摘要
多個實施例涉及一種發光二極體保護電路，包括串聯連接的多個二極體；連接至所述多個二極體中的第一二極體的輸入端；輸出端；連接在所述多個二極體和所述輸出端之間的第一電阻器；電晶體，具有連接至第一電阻器和所述多個二極體之間的結點的柵極和連接至所述輸出端的源極；第二電阻器，連接在所述輸入端和電晶體的漏極之間；以及可控矽整流器(SCR)，具有連接至所述輸入端的陽極、連接至所述電晶體的漏極的基極和連接至所述輸出端的陰極。
文檔編號H02H9/04GK103094893SQ201210422160
公開日2013年5月8日 申請日期2012年10月29日 優先權日2011年11月3日
發明者阿奇姆·韋爾納, 漢斯-馬丁·裡特 申請人:Nxp股份有限公司