一种单电源供电的双极性输入过压钳位及ESD保护电路的制作方法

本实用新型属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种单电源供电的双极性输入过压钳位及ESD保护电路。

背景技术：

ADC数据采集被广泛应用于物联网等多种场景下，而对ADC输入端，由于前端电路突发故障等因素，可能导致ADC输入信号异常波动，甚至于超出 ADC器件的采集工作范围；因此需对ADC器件的输入端口增加过压限流以及 ESD等保护电路，以确保ADC器件的安全工作。另一方面，实际应用中需要ADC器件采用尽可能简单的供电方案以简化整体系统结构，而异常输入信号往往会超过ADC器件的供电电压范围，因此ADC器件输入端需要在尽可能简单的供电方案下提供更大的过压保护范围，特别是需要在单电源供电条件下将正向或负向的异常电压钳位在器件的安全工作范围内。

技术实现要素：

本实用新型解决的技术问题：为了在相应应用场景中为ADC芯片输入端提供有效的过压保护功能，本实用新型提供了一种单电源供电的双极性输入过压钳位及ESD保护电路，本实用新型基于单电源供电系统，提出一种简洁高效的输入保护电路，兼顾过压钳位保护和ESD保护，应用于量化多类型传感器模拟输出数据的ADC电路中，实现对于正向或异常输入电压的钳位及电流限制，以保护内部CMOS器件的安全工作。

本实用新型通过如下技术方案予以实现：一种单电源供电的双极性输入过压钳位及ESD保护电路，其特征在于包括：ESD防护模块、限流电阻、双向背靠背二极管；

ESD防护模块由NMOS管和电阻R1构成；双向背靠背二极管，包括：二极管DIODEN和二极管DIODEP；

NMOS管的栅极通过电阻R1接地GND；NMOS管的源极接地GND；NMOS 管的漏极作为保护电路的电压输入端VIN，并连接限流电阻RLIM的一端，限流电阻RLIM的另一端连接二极管DIODEN的负极和二极管DIODEP的正极，并作为保护电路的电压输出端VOUT，二极管DIODEN的正极接地GND；二极管 DIODEP的负极接电源VDD。

NMOS管为HV-ggNMOS即栅极接地的高压NMOS管，当VDD为4.5V ～5.5V时，NMOS管的漏极VIN端能够承受不超过20V的输入电压。

NMOS管为HV-ggNMOS，当HV-ggNMOS的栅漏寄生电容在100fF～1pF 时，电阻R1取值为10kΩ～20kΩ。

限流电阻RLIM取值为10kΩ～15kΩ。

二极管DIODEN的最大整流电流为0.5mA～2mA。

二极管DIODEN的最大整流电流为0.5mA～2mA。

外部输入信号VIN先经过ESD防护模块进行防护，再经过限流电阻RLIM与背靠背双向二极管构成的串联网络进行分压和过压钳位，得到输出信号VOUT，送至外部。

保护电路的过压钳位工作过程如下：

当外部输入VIN异常正电压(优选外部输入VIN超过VDD的电压)时，首先在电压升高瞬间，ESD防护模块中NMOS管开启(NMOS管的源极和漏极导通)将输入端VIN的异常正电压产生的浪涌电流积累的部分电荷释放至地 GND，其次由限流电阻RLIM与双向(二极管DIODEN和DIODEP)构成的串联网络的分压作用逐步建立起电位分布的平衡状态,当VIN>VDD的电位+二极管DIODEP的正向导通电压时，二极管DIODEP导通，使保护电路输出VOUT 的电位钳位至VDD的电位加上二极管DIODEP的正向导通电压，最终形成由外部输入VIN经过限流电阻RLIM和二极管DIODEP至供电电源VDD的完整回路，保护电路输出VOUT的电位为电源VDD的电位加上二极管DIODEP的正向导通电压之和。

当外部输入VIN异常负电压(优选-1V以下的瞬态电压)时，ESD防护模块中NMOS管开启(源极和漏极反向导通)，将输入端VIN的异常负电压产生的浪涌电流积累的部分电荷抽回至地GND，其次建立起限流电阻RLIM和二极管DIODEN的串联网络平衡状态，当VIN<GND的电位-二极管DIODEN的正向导通电压时，二极管DIODEN导通，使保护电路输出VOUT的电位钳位至 GND的电位减去二极管DIODEN的正向导通电压，最终形成由地端GND经二极管DIODEN和限流电阻RLIM至输入端VIN的完整回路，保护电路的输出 VOUT的电位为地GND的电位与二极管DIODEN正向导通电压之差。

输入VIN异常正电压是指输入VIN的电压超过VDD的电压。

ESD防护模块在外部异常输入跳变时刻开启，帮助限流电阻与二极管网络释放部分浪涌电流，加速平衡状态的建立过程。

本实用新型与现行技术相比具有以下优点：

(1)本实用新型在单电源供电条件下，通过背靠背二极管结构实现了对正负双极性异常输入电压的钳位功能；

(2)本实用新型将ESD保护模块整合进过压保护模块中，利用ESD保护模块在异常输入跳变时刻的开启状态，由其释放部分输入浪涌电荷，以此加快钳位过程的建立时间，减轻保护电路的受冲击程度；

(3)本实用新型对浪涌式的异常高压输入，由于ESD保护模块可以快速泄放瞬态电流，抑制过冲和瞬态大电流，因此相比单独的二极管钳位保护电路，该设计可以更快速和安全地将过冲电压输入钳位钳位至安全电压范围内；

(4)本实用新型通过将ESD保护与过压保护功能集成设计在一个模块中，可以简化芯片的保护电路设计，同时减小保护模块的面积。

附图说明

图1为本实用新型提出的基于单电源供电的钳位保护模块示意图；

图2为本实用新型提出的钳位保护模块在异常负相电压输入时的工作过程示意图；

图3为本实用新型提出的钳位保护模块在异常正相电压输入时的工作过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细描述。

本实用新型公开了一种单电源供电的双极性输入过压钳位及ESD保护电路，包括ESD防护模块、限流电阻以及双向背靠背二极管等，NMOS管的栅极通过电阻R1接地GND；NMOS管的源极接地GND；NMOS管的漏极作为保护电路的电压输入端VIN，并连接限流电阻RLIM的一端，限流电阻RLIM的另一端连接二极管DIODEN的负极和二极管DIODEP的正极，并作为保护电路的电压输出端VOUT，二极管DIODEN的正极接地GND；二极管DIODEP的负极接电源VDD。针对数据采集系统中可能出现的异常输入电压，设计一种简洁高效的输入保护电路，兼顾过压钳位保护和ESD保护，实现对于正向或异常输入电压的钳位及电流限制，以保护内部CMOS器件的安全工作。

本实用新型提出的技术方案如图1所示：VIN与VOUT分别为保护模块的输入与输出端。整个模块由HV-ggNMOS-ESD器件、限流电阻及背靠背钳位二极管组成。其中HV-ggNMOS及栅极接地电阻主要用于ESD防护，当 HV-ggNMOS的漏端出现ESD电流冲击时，由于栅漏间的寄生电容与栅接地的电阻形成了一个RC串联网络，则在ESD初期形成栅端的高电位现象(电阻与电容的分压而成)，进而NMOS沟道电荷聚集并产生源漏传输的电流，从而在 NMOS隧穿效应未出现前泄放掉一部分电荷，增强ESD器件的整体防护能力；同时在VIN端出现异常电位时也会有部分电流经HV-ggNMOS通过以减轻二极管的通流压力并加快电位收缩至安全范围内，起到辅助过压钳位保护的作用；限流电阻RLIM主要用于保护内部器件免受浪涌电流的冲击而出现异常的电荷积累；背靠背二极管由标准CMOS工艺的P/N阱二极管构成(避免了使用齐纳二极管而造成的工艺选择限制)，用于对过低或过高的输入信号电位进行电压钳位，从而将稳定状态下的输出端电位限制于CMOS器件的安全使用范围内。

保护电路结构为：HV-ggNMOS管的漏极接收外部输入信号VIN，源极接地，栅极通过电阻接地；限流电阻一端连接外部输入信号VIN，另一端连接至保护电路输出端；背靠背双向二极管由标准CMOS工艺下的P/N阱二极管组成，其中一个二极管的正相端接保护电路输出端，负相端接供电电源电位，另一个二极管的负相端接保护电路输出端，正相端接地电位；

过压钳位保护模块的具体工作原理如下所述：图2所示为输入端出现异常负电压作用时，保护模块的工作过程。二极管DIODEN此时正向导通，并将输出端电位钳位于二极管正向导通压降，并且通过限流电阻RLIM的作用将流过二极管DIODEN的电流值控制在附近(满足二极管的安全工作条件)。而另一路二极管DIODEP则处于反向偏置状态，且反向偏置电压也不会超出二极管的安全工作范围而造成反向击穿。

图3所示为输入端出现异常正电压作用时，保护模块的工作过程。此时二极管DIODEP正向导通且保持导通开启电压从而实现将输出端电位钳位于电源电压与导通电压之和，并且通过限流电阻RLIM将流过DIODEP的电流限制在范围内，以此保护二极管工作于安全范围内。

本实用新型中设计方案主要用于针对ADC数据采集场景，用于集成在ADC 芯片内作为模拟信号采集IO管脚的过压钳位及ESD保护。一方面，ESD是导致CMOS电路的失效的主要原因之一，会带来较为严重的破坏性后果，因此芯片管脚通常都需要设计ESD保护电路；另一方面，ADC芯片由于需要采集模拟信号进行模数转换，通常需要将特定电压范围(如0V～VDD)的待采集模拟信号从对应的模拟信号输入管脚输入至芯片内，而实际应用中可能因前端信号源故障导致实际输入超出ADC芯片的量化范围，因此需要设计对应的保护电路，避免因输入信号超出量化范围而损坏ADC芯片。因此本实用新型中设计了一种单电源供电的双极性输入过压钳位及ESD保护电路，主要用于在ADC 量化范围为0V～VDD时，对ADC的IO管脚提供过压钳位及ESD保护。实际工作中当输入电压VIN发生异常时(高于VDD或低于GND)，在电压变化瞬间会引发HV-ggNMOS的导通，形成泄放电流降低VIN电压，HV-ggNMOS及栅极接地电阻部分可以有效抑制ESD效应和输入过冲；此外，当输入电压VIN 高于VDD+VPN(VPN为二极管正向导通电压)或低于GND-VPN时，背靠背的二极管DIODEP和DIODEN分别导通，将输出电压VOUT钳位，确保输出电压不会高于VDD+VPN或低于GND-VPN，同时限流电阻RLIM对输入信号分压限流，确保二极管DIODEP和DIODEN工作于安全的电压和电流范围内，因此限流电阻RLIM和二极管DIODEP、DIODEN部分既可以抑制输入过冲，又能对超出允许范围的将输出信号限制在(GND-VPN，VDD+VPN)范围内。由于二极管的正向导通电压VPN较低(优选在0.3V～0.7V)，因此VOUT被严格限制在ADC的量化范围附近，而不会超过后端电路的安全工作电压。综上所述，无论输入电压 VIN发生ESD、输入过冲乃至持续的异常电压，在经过该电路保护模块后，均会被抑制在安全范围内，确保不会因VOUT超出电压范围而导致后端的采集量化电路发生损坏。

以上所述，仅为本实用新型最佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。