用于级联电压管脚的组合esd有源钳位电路的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本公开内容涉及电子装置，并且更具体地涉及静电放电保护电路装置。
【背景技术】
[0002]在材料的表面内或者表面上的静电的不平衡会引起静电。这类电荷不平衡最常见地被观察到为由称为摩擦起电效应(也称为摩擦充电)的现象所引起。摩擦充电使得，具有弱束缚的电子的材料通过摩擦失去电子并且电子转移至具有被稀疏地填充的电子壳层(shell)的材料,从而造成一种材料变成带正电而另一种材料带负电。静电放电(ESD)是在两个物体之间由接触而引起的骤然的电流。在每天生活中，摩擦充电的一个常见示例，在某人走过地面从而静电累积时出现；而ESD的一个常见示例，在这个人触摸灯开关或者其它导电性材料时出现，有时会导致小火花的产生。
[0003]在以上示例中产生的火花通常对人无害，并且有时甚至不被人察觉，但是却潜在地可以对电子器件和部件非常有破坏性。人走过地面并触摸导电性材料的以上示例，仅为静电如何累积并造成ESD的许多示例之一。为了防止ESD引起的损坏，电子装置制造商经常在电子器件和部件中，比如集成电路(IC)和印刷电路板(PCB)中，包括ESD保护电路装置。具有接地管脚和级联电压管脚(即具有不同供应电压的管脚)的IC例如可以包括，用于保护在各种管脚组合之间的功能电路免受正和负ESD应力二者的ESD保护电路装置。在电子器件中常用的一个类型的ESD保护电路装置是ESD钳位电路。在检测到由例如ESD事件引起的、跨两个管脚的过电压或者电压尖峰时，ESD钳位电路引导由过电压或者电压尖峰弓丨起的电流离开功能电路，例如引导到接地。
[0004]ESD保护电路装置增加了整个电路的复杂性，并且需要在电路上的物理空间，但是在一些情况下可能必需的，以便保护电路的功能电路装置。如果没有ESD保护电路装置，会潜在地降低电路的可靠性，并且潜在地增加对于替代地采用耗费时间的和高成本的电路的需要。
【发明内容】
[0005]本公开内容介绍一种静电放电(ESD)钳位电路，该ESD钳位电路包括:一个大电子开关，在本公开内容中称为大开关；以及不同的触发电路，其用于针对不同应力组合(即在跨不同管脚组合的不同触发条件)而接通大开关。通过采用不同触发电路而不是多个分离的ESD钳位电路来使用大开关，本公开内容的技术可以允许如下ESD保护电路装置，该ESD保护电路装置在IC或者PCB上被实施时，与现有技术的ESD钳位电路比较，利用更少面积并且可能也更易于实施。
[0006]在一个示例中，一种电路包括:电子开关；触发电路装置，其被配置用于检测跨多个节点的电压事件；以及路径电路装置，其被配置用于响应于触发电路装置检测到跨多个节点中的两个节点的电压事件，来引导经过电子开关的电流。
[0007]在另一示例中，一种电路包括:第一管脚，其被配置用于接收第一电压；第二管脚，其被配置用于接收第二电压；第三管脚，其被配置用于接收第三电压；以及电子开关，其连接到第一管脚和第三管脚；触发电路装置，其中触发电路装置被配置用于检测跨第一管脚和第三管脚的第一电压事件，以及响应于检测到第一电压事件而引导经过电子开关的电流，以及检测跨第二管脚和第三管脚的第二电压事件，以及响应于检测到第二电压事件而引导经过电子开关的电流，以及检测跨第一管脚和第二管脚的第三电压事件，并且响应于检测到第三电压事件而引导经过电子开关的电流。
[0008]在附图和以下说明中阐述一个或者多个示例的细节。其它的特征、目的和优点，将由本说明书和附图以及从权利要求而变得显而易见。
【附图说明】
[0009]图1A示出使用不同ESD钳位电路以保护不同电路的现有技术的ESD概念的示意图。
[0010]图1B示出使用堆叠的ESD钳位电路以保护不同电路的现有技术的ESD概念的示意图。
[0011]图2A示出如下电路，该电路代表可以模拟带电操作者的人体模型(HBM)。
[0012]图2B示出图2A中的HBM电路产生的放电曲线图的示例。
[0013]图3示出根据本公开内容的技术的包括ESD保护的电路的示例。
[0014]图4A-图4C示出可以用来实施本公开内容的技术的路径电路装置的示例部分。
[0015]图5示出根据本公开内容的技术的包括ESD保护的电路的示例。
[0016]图6示出根据本公开内容的技术的包括ESD保护的电路的示例。
[0017]图7示出根据本公开内容的技术的包括ESD保护的电路的示例。
[0018]图8示出根据本公开内容的技术的包括ESD保护的电路的示例。
[0019]图9示出根据本公开内容的技术的包括ESD保护的电路的示例。
[0020]图10示出根据本公开内容的技术的包括ESD保护的电路的示例。
[0021]图11示出根据本公开内容的技术的包括ESD保护的电路的示例。
【具体实施方式】
[0022]本公开内容描述一种静电放电(ESD)钳位电路，该ESD钳位电路包括一个大电子开关(在本公开内容中有时称为大开关)以及用于针对不同应力组合而接通大开关的不同触发电路。电子器件目前使用具有不同电压等级的多个ESD钳位电路以保护电路的管脚免受ESD事件。本公开内容描述用于将多个ESD钳位电路组合成包括大开关和不同触发电路的一个ESD钳位电路的技术。通过采用不同触发电路而不是多个分离ESD钳位电路来使用大开关，本公开内容的技术可以允许如下ESD保护电路装置，该ESD保护电路装置在集成电路(IC)或者印刷电路板(PCB)上被实施时，与现有技术的ESD钳位电路比较，利用更少面积并且可能也更易于实施。在本公开内容中介绍的电路设计技术可以被实施到一大系列的高度集成的器件或者IC中，该高度集成器件或IC包括微处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、汽车1C、安全IC和功率管理1C，并且也可以被实施到包括PCB的非高度地集成的器件中。实施在本公开内容中介绍的设计技术的电路，可以被包括在消费者电子装置、工业电子装置、汽车电子装置、或者实际上在任何其它类型的电子装置中。
[0023]用来实施本公开内容的技术的ESD开关是电子开关，该电子开关可以例如是金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)器件、双极型晶体管、氮化镓(GaN)FET、晶闸管或者其它类型的电子开关。本公开内容将呈现ESD保护电路的若干示例，这些ESD保护电路使用MOSFET开关(在本公开内容中也称为大MOS(BigMOS))，但是应当理解的是，其它类型的开关，以及包括以上列举的开关，可以相似地用于实施本公开内容的技术。如在本公开内容中使用的那样，在“大开关”或者“大M0S”中的“大”一般是指为了实施ESD保护而需要的总面积。可以用来实施本公开内容的技术并且以下将更具体描述的特定部件，、比如正向二极管或者触发电路，例如具有大MOS的大小的约10%。根据指定的ESD要求，大MOS可以例而在5000 μ m2与100000 μ m2之间。
[0024]图1A示出器件100A的示意图，该器件利用ESD保护电路装置的示例。器件100A可以例如是IC、PCB或者其它类型的电路。器件100A包括电路102、电路104、电路106、ESD钳位电路108、ESD钳位电路110和ESD钳位电路112。电路102、电路104和电路106代表功能电路，这意味着它们被配置用于执行器件100A的希望的功能。ESD钳位电路108、ESD钳位电路110和ESD钳位电路112代表ESD保护电路装置，这意味着它们被配置用于保护电路102、电路104和电路106免受ESD事件。器件100A具有被配置用于接收不同等级的电压的电压管脚114、电压管脚116和电源管脚118。电压管脚114、116和118被配置用于分别接收VCP、Vbat和GND。VCP可以例如是高于Vbat的电压，该Vbat可以又高于GND。
[0025]电路102被连接于电压管脚114与电压管脚116之间，并且在ESD事件引起比VCP - Vbat加上跨电压管脚114和116的裕度更大的电压差的实例中，ESD钳位电路108被配置用于从电路102引开电流，从而保护电路102免受跨电压管脚114和116的过电压。相似地，电路104被连接于电压管脚116与电压管脚118之间，并且在ESD事件引起比Vbat -Gnd加上跨电压管脚116和118的裕度更大的电压差的实例中，ESD钳位电路110被配置用于从电路104引开电流，从而保护电路104免受跨电压管脚116和118的过电压。电路106被连接于电压管脚114与电压管脚118之间，并且在ESD事件弓I起比VCP - Gnd加上跨电压管脚114和118的裕度更大的电压差的实例中，ESD钳位电路112被配置用于从电路106引开电流，从而此保护电路106免受跨电压管脚114和118的过电压。以上实例包括裕度因子，因为ESD钳位电路108、ESD钳位电路110和ESD钳位电路112被配置用于在该电压处检测到过电压条件的门限电压，可以不与正常操作电压相同。取而代之，ESD钳位电路108、ESD钳位电路110和ESD钳位电路112可以例如被配置用于在略高于正常操作电压的电压处检测到过电压条件。
[0026]ESD钳位电路108、ESD钳位电路110和ESD钳位电路112可以附加地或者备选地被配置用于分别检测跨电压管脚114和116、电压管脚116和118、以及电压管脚114和118的电压尖峰。如在图1A的示例中可见，三个分离的ESD钳位电路被用来保护三个分离的功能电路免于可能在两个不同电压管脚之间出现的ESD事件。
[0027]图1B示出器件100B的示意图，该器件利用ESD保护装置的另一示例。器件100B使用堆叠的ESD钳位电路来保护不同的功能电路。图1B中所示的部件的行为方式大体与上文关于图1A描述的相似编号的部件相同，但是器件100B仅包括两个ESD钳位电路而不是三个。在器件100B中，ESD钳位电路108和ESD钳位电路110被级联，以保护电路106免受跨电压管脚114和118的过电压条件。因此，在器件10B的配置中，电路106被连接于电压管脚114与电压管脚118之间，并且在ESD引起跨电压管脚114和118的比VCP-Gnd更大的电压差的实例中，ESD钳位电路108和ESD钳位电路110的组合被配置用于从电路106引开电流，从而保护电路106免受跨电压管脚114和118的过电压。尽管图1B中所示配置相对于图1A中所示配置将ESD钳位电路数目从三个减少至两个，但是ESD钳位电路108和ESD钳位电路110在被配置用于器件100B时可能需要比在被配置用于器件100A时更大，因此抵消了器件100B的级联配置的一些益处。所示用于器件100A和器件100B 二者的设计技术由于需要多个ESD钳位电路，而潜在地遭受大的面积消耗和高的ESD设计成本。
[0028]与图1A和IB中所示设计形成对照，本公开内容的ESD钳位电路可以包括大开关以及用于针对不同应力组合(即跨不同管脚组合的不同过电压或者电压尖峰组合)而接通大开关的不同触发电路。一个或者多个正向偏置二极管可以用来创建放电路径，这些放电路径从功能电路装置引开ESD电流，从而保护功能电路装置。大开关传导主要ESD电流，并且触发电路检测出现的在不同电压等级在不同管脚之间的过电压或者瞬态电压。在实施本公开内容的技术时，触发电路通常占用与大开关比较的小得多的布局面积，因此通过仅使用与多个触发电路组合的一个大开关，与关于图1A和IB描述的技术比较，可以减少专用于ESD保护的布局面积数量。作为示例，在本公开内容的技术的一个实现方式中，发现大MOS占据近似16000微米的布局面积，而触发电路各自占据近似2200微米的布局面积。本公开内容的ESD钳位电路也可以由于使用大MOS开关以及减少独立ESD钳位电路的数目，而造成更低的漏电流和寄生电容。
[0029]图2A示出如下电路，该电路代表可以模拟带电操作者的人体模型。在1000V的充电电压,在被放电时，图2A的电路可以产生近似600-740mA的峰值电流，其中上升时间为近似2ns至1ns并且衰减时间为近似130ns至170ns。图2B中所示放电曲线图呈现了本公开内容的技术可以帮助防范的放电类型的示例。
[0030]图3示出根据本公开内容的技术的包括ESD保护的电路的示例。电路300包括触发电路装置301、路径电路装置303和电子开关305。电路300包括N个节点，在图3中标注为V1、V2、V3…VN。图3的节点可以例如对应于级联的电压输入管脚。在图3的示例中，可以假设在正常操作条件之下，在Vl的电压代表最高电压，并且在VN的电压代表最低电压。因此，在图3的示例中，电子开关305被连接于最高电压(Vl)与最低电压(VN)之间。在检测到跨N个节点中的任意两个节点的电压事件、比如过电压或者电压尖峰时，触发电路装置301可以接通电子开关305，从而使由电压事件创建的电流经过电子开关305流向接地或者参考电压，并且从可能潜在地被电压事件损坏的功能电路装置流开。例如在检测到跨节点V2和VN的电压事件时，触发电路装置301可以接通电子开关305，并且路径电路装置303可以创建从节点V2经过节点Vl并且经过电子开关305到VN的放电路径。
[0031]图4A-图4C示出路径电路装置比如图3的路径电路装置303的示例部分。图4A-图4C的示例示出用于四个级联的节点的路径电路装置，但是本公开内容的技术可以被扩展至具有更多或者更少节点的配置。在图4A的示例中，路径电路装置400A包括串联的二极管401、402和403。如以下将更具体说明的那样，二极管401-403可以包括正向偏置二极管，这些正向偏置二极管可以用来创建从功能电路装置引开ESD电流的放电路径，从而保护功能电路装置。在图4B的示例中，路径电路装置400B包括并联(in parallel)的二极管411、412、413和414，如图所示。如以下将更具体说明的那样，二极管411-414可以包括正向偏置二极管，这些正向偏置二极管可以用来创建从功能电路装置引开ESD电流的放电路径，从而保护功能电路装置。在图4C的示例中，路径电路装置400C包括二极管421、422、423、424、425和426，这些二极管类似地可以包括可以正向偏置二极管，这些正向偏置二极管可以用来创建从功能电路装置引开ESD电流的放电路径，从而保护功能电路装置。
[0032]参照图4A并且在这一示例中将电子开关连接到Vl和V4 (在图4A中未示出)，如果在V2与V3之间检测到过电压事件，则电流在正向方向上经过二极管401、经过节点V1、经过电子开关(在图4A中未示出)流向V4并且经过二极管403流向V3。作为另一示例，如果在V3与V4之间检测到过电压电流，则电流在正向方向上经过二极管402和二极管401、经过节点V1、经过电子开关流向V4。如果在V4与V3之间出现过电压事件，其中V4高于V3，则电流在正向方向上流过二极管403。
[0033]图4B示出路径电路装置的另一实现方式。路径电路装置400B大体以与400A的方式相似的方式操作，但是在路径电路装置400B中，一些节点组合具有单二极管路径，而一些节点组合具有包括多个二极管的路径，这意味着用于一些节点组合的路径可以与用于其它节点组合的路径完全或者部分地重叠。例如关于图4B，如果在V3与