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Dokumentenidentifikation DE102007013955A1 18.10.2007
Titel ESD-Schutzschaltung und zugehöriges Verfahren
Anmelder REALTEK Semiconductor Corp., Hsinchu, TW
Erfinder Chen, Tzung-Ming, Taipei, TW;
Chan, Ka-Un, Hsin Chu, TW;
Lin, Ying-Hsi, Hsin Chu, TW
Vertreter TER MEER STEINMEISTER & Partner GbR Patentanwälte, 81679 München
DE-Anmeldedatum 23.03.2007
DE-Aktenzeichen 102007013955
Offenlegungstag 18.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.10.2007
IPC-Hauptklasse H02H 9/04(2006.01)A, F, I, 20070621, B, H, DE
Zusammenfassung Es werden eine Schutzschaltung gegen elektrostatische Entlandung (ESD) und ein zugehöriges Verfahren angegeben. Die Schaltung verfügt über eine Klemmschaltung, über einen Induktor, über eine Diode und eine Diodenkette. Damit ein Spannungshub einer Ausgangsspannung vom Einfluss der ESD-Schutzschaltung befreit wird, muss die Anzahl von Dioden in der Diodenkette größer als der durch die Einschaltspannung der Dioden geteilte Spannungshub sein oder diesem Wert entsprechen.

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Schutz gegen elektrostatische Entladung (ESD), und spezieller betrifft sie eine ESD-Schutzschaltung und ein zugehöriges Verfahren für Spannungsverstärker.

Beschreibung der einschlägigen Technik

Die 1 ist ein schematisches Schaltbild einer herkömmlichen ESD-Schutzschaltung. Gemäß der 1 verfügt eine ESD-Schutzschaltung 100, die am Ausgangsanschluss einer Ausgangsschaltung 110 installiert ist, über eine Klemmschaltung 120 und zwei in Reihe geschaltete Dioden Dp1, Dn1; indessen sind sowohl die Ausgangsschaltung 110 als auch die Klemmschaltung 120 zwischen eine erste Betriebsspannung Vdd und eine zweite Betriebsspannung Vss geschaltet. Während die Anode (p-Seite) der Diode Dp1 mit einem Ausgangskontaktfleck P0 verbunden ist, und ihre Kathode (n-Seite) mit der ersten Betriebsspannung Vdd verbunden ist, ist die Kathode der Diode Dn1 mit dem Ausgangskontaktfleck P0 verbunden, und ihre Anode ist mit der zweiten Betriebsspannung Vss verbunden. Demgemäß wird, wenn am Ausgangskontaktfleck P0 der Ausgangsschaltung 110 ein ESD-Ereignis auftritt, aufgrund des Einschaltens entweder der Diode Dp1 oder der Diode Dn1 ein ESD-Schaden an der Ausgangsschaltung 110 vermieden.

Andererseits verfügt die Klemmschaltung 120 über eine Einheit 130 für elektrostatische Entladung sowie eine ESD-Erkennungsschaltung 140. Die Einheit 130 für elektrostatische Entladung verfügt über einen NMOS-Transistor TN, wohingegen die ESD-Erkennungsschaltung 140 über einen Widerstand R1, einen Kondensator C1 und einen Inverter D1 verfügt. Während ein Elelektrostatikstrom zur Ausgangsschaltung 110 über den Ausgangskontaktfleck P0 und Spannungsquellen (Vdd_Vss) fließt, triggert die ESD-Erkennungsschaltung 140 die Einheit 130 für elektrostatische Entladung, um den Elektrostatikstrom ohne Beschädigung der Ausgangsschaltung 110 umzuleiten.

Wie es in der 2A dargestellt ist, verfügt eine am Ausgangskontaktfleck P0 gemessene Ausgangsspannung Vout über eine Gleichspannungskomponente von ungefähr Vdd/2 und einen Spannungshub S von Vdd/2, was dazu führt, dass die Ausgangsspannung Vout zwischen 0 und Vdd schwingt. Wenn jedoch der Spannungshub S größer als 0,7 V ist, schaltet die Diode Dp1 ein, und demgemäß beträgt die am Ausgangskontaktfleck P0 gemessene maximale Ausgangsspannung Vout(max) nicht mehr als (Vdd + 0,7 V), wie es in der 2B dargestellt ist. Im Allgemeinen weist die Ausgangsspannung Vout eines Spannungsverstärkers einen größeren Spannungshub S von Vdd/2, beispielsweise bis zu 3 V auf. Demgemäß wird, während die Ausgangsspannung Vout des Spannungsverstärkers am Ausgangskontaktfleck P0 größer als (Vdd + 0,7 V) ist, ein Teil der Ausgangsspannung Vout, der größer als (Vdd + 0,7 V) ist, abgeschnitten. Daher ist, wenn die Ausgangsschaltung 110, entweder ein Spannungsverstärker oder eine Hochspannungs-Ausgangsschaltung, einfach die ESD-Schutzschaltung 100 zum Schaltungsschutz verwendet, die Leistungsfähigkeit entweder des Spannungsverstärkers oder der Hochspannungs-Ausgangsschaltung durch die ESD-Schutzschaltung 100 begrenzt oder beeinträchtigt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Angesichts der oben genannten Probleme ist es eine Aufgabe der Erfindung, dafür zu sorgen, dass ein von einer Hochspannungs-Eingangsschaltung ausgegebener Spannungshub durch eine ESD-Schutzschaltung nicht beschränkt wird.

Durch die Erfindung ist eine bei einer Ausgangsschaltung angewandte ESD-Schutzschaltung mit Folgendem geschaffen: einer Klemmschaltung, die zwischen eine erste Betriebsspannung und eine zweite Betriebsspannung geschaltet ist; einem Induktor, der zwischen einen Ausgangsanschluss der Ausgangsschaltung und die erste Betriebsspannung geschaltet ist; und einer Diodenkette mit mindestens einer von ersten Dioden, die zwischen den Ausgangsanschluss und die erste Betriebsspannung geschaltet sind.

Die Erfindung offenbart ferner ein bei einer Spannungsverstärkerschaltung angewandtes ESD-Schutzverfahren mit den folgenden Schritten: Bereitstellen einer Klemmschaltung, die zwischen eine erste Betriebsspannung und eine zweite Betriebsspannung geschaltet ist; Bereitstellen eines Induktors, der zwischen einen Ausgangsanschluss der Ausgangsschaltung und die erste Betriebsspannung geschaltet ist; und Bereitstellen einer Diodenkette mit mindestens einer von ersten Dioden, die zwischen den Ausgangsanschluss und die erste Betriebsspannung geschaltet sind.

Der weitere Anwendungsumfang der Erfindung wird aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich werden. Jedoch ist es zu beachten, dass die detaillierte Beschreibung und spezielle Beispiele, während sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur zur Veranschaulichung angegeben sind, da dem Fachmann aus dieser detaillierten Beschreibung verschiedene Änderungen und Modifizierungen innerhalb des Grundgedankens und Schutzumfangs der Erfindung ersichtlich werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die nur zur Veranschaulichung angegeben werden und demgemäß für die Erfindung nicht beschränkend sind, vollständiger verständlich werden.

1 ist ein schematisches Schaltbild einer herkömmlichen ESD-Schutzschaltung.

2A zeigt einen Ausgangsspannungsverlauf, wie er an einem in der 1 dargestellten Ausgangskontaktfleck gemessen wird, während ein Spannungshub S 0,7 V oder weniger beträgt.

2B zeigt einen Ausgangsspannungsverlauf, wie er an einem in der 1 dargestellten Ausgangskontaktfleck gemessen wird, während ein Spannungshub S größer als 0,7 V ist.

3A ist ein schematisches Schaltbild, das eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt.

3B zeigt einen am in der 3A dargestellten Ausgangskontaktfleck gemessenen Ausgangsspannungsverlauf.

4A ist ein schematisches Schaltbild, das eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt.

4B zeigt einen am in der 4A dargestellten Ausgangskontaktfleck gemessenen Ausgangsspannungsverlauf.

5 ist ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines ESD-Schutzverfahrens gemäß der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Nun werden die ESD-Schutzschaltung und das zugehörige Verfahren gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Damit ein Spannungshub S einer durch eine Hochspannungs-Ausgangsschaltung erzeugten Ausgangsspannung Vout vom Einfluss einer ESD-Schutzschaltung beseitigt wird, wird durch die Erfindung eine Diodenkette mit M Dioden in derselben hinzugefügt, wobei M dem Wert S geteilt durch die Einschaltspannung der Dioden entspricht oder größer ist. Herkömmlicherweise beträgt die Einschaltspannung üblicher Dioden ungefähr 0,7 V. Einhergehend mit Fortschritten bei der Halbleiterherstelltechnologie kann die Einschaltspannung variieren, so dass sie nicht auf 0,7 V beschränkt sein soll.

Es sei angenommen, dass der Spannungshub S der durch die Ausgangsschaltung 110 erzeugten Ausgangsspannung Vout 3 V entspricht. Damit der Spannungshub S der Ausgangsspannung Vout vom Einfluss einer ESD-Schutzschaltung beseitigt wird, muss die Anzahl M der Dioden in der Diodenkette größer als (3/0,7 = 4,3) sein. Anders gesagt, muss die Anzahl M den Wert 5 oder mehr haben, d.h. es sind fünf oder mehr Dioden erforderlich. Nachfolgend werden, für die Erläuterung, alle Ausführungsformen der Erfindung für S = 3 V, M = 5 beschrieben.

Die 3A ist ein schematisches Schaltbild, das eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt. Gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung verfügt eine am Ausgangsanschluss eines Spannungsverstärkers 310 installierte ESD-Schutzschaltung 300 über eine Klemmschaltung 120, einen Induktor L, eine Diode Dn1 und eine Diodenkette Dp1~Dp5. Die Klemmschaltung 120 ist zwischen eine erste Betriebsspannung Vdd und eine zweite Betriebsspannung Vss geschaltet. Die Realisierung der Klemmschaltung 120 ist dem Fachmann gut bekannt und wird demgemäß hier nicht beschrieben. Die Kathode der Diode Dn1 ist mit dem Ausgangskontaktfleck P0 verbunden, und ihre Anode ist mit der zweiten Betriebsspannung Vss verbunden, wohingegen die Anode der Diodenkette Dp1~Dp5 mit dem Ausgangskontaktfleck P0 verbunden ist und ihre Kathode mit der ersten Betriebsspannung Vdd verbunden ist.

Bei der ersten Ausführungsform ist die letzte Stufe des Spannungsverstärkers 310 entweder ein NMOS-Transistor (nicht dargestellt), dessen Drain mit dem Ausgangskontaktfleck P0 verbunden ist, oder ein npn-Bipolartransistor (nicht dargestellt), dessen Kollektor mit dem Ausgangskontaktfleck P0 verbunden ist. Außerdem ist der Induktor L zwischen die erste Betriebsspannung Vdd und den Ausgangskontaktfleck P0 geschaltet, um die Schaltungsbandbreite zu erhöhen und den Gleichspannungs-Ausgangspegel auf Vdd hochzuziehen. Da die Anzahl M der Dioden in der Diodenkette fünf ist, ist der Spannungshub S (= 3 V) der Ausgangsspannung Vout nicht mehr durch die ESD-Schutzschaltung 300 beschränkt, weswegen sich ein vollkommen symmetrischer Signalverlauf ergibt, wie er in der 3B dargestellt ist. Wenn durch am Ausgangsanschluss des Spannungsverstärkers 310 erzeugte Spannungsspitzen eine Ausgangsspannung Vout über (Vdd + 3,5 V) erzeugt wird, wird die Ausgangsspannung Vout auf (Vdd + 3,5 V) abgeschnitten, so dass die maximale Ausgangsspannung Vout am Ausgangskontaktfleck P0 nicht mehr als (Vdd + 3,5 V) beträgt.

Die 4A ist ein schematisches Schaltbild, das eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt. Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung verfügt eine ESD-Schutzschaltung 400 über eine Klemmschaltung 120, einen Induktor L, eine Diode Dp1 und eine Diodenkette Dn1~Dn5. Da die Betriebsabläufe bei der zweiten Ausführungsform ähnlich denen bei der ersten Ausführungsform sind, wird hier eine wiederholte Beschreibung weggelassen. Die letzte Stufe des Spannungsverstärkers 310 ist entweder ein PMOS-Transistor (nicht dargestellt), dessen Drain mit dem Ausgangskontaktfleck P0 verbunden ist, oder ein pnp-Bipolartransistor (nicht dargestellt), dessen Kollektor mit dem Ausgangskontaktfleck P0 verbunden ist. Außerdem ist der Induktor L zwischen die zweite Betriebsspannung Vss und den Ausgangskontaktfleck P0 geschaltet, um die Schaltungsbandbreite zu erhöhen und den Ausgangsgleichspannungspegel auf Vss herabzuziehen.

Bei der zweiten Ausführungsform ist der Spannungshub S (= 3 V) der Ausgangsspannung Vout nicht mehr durch die ESD-Schutzschaltung 400 beschränkt, wodurch sich ein vollkommen symmetrischer Signalverlauf ergibt, wie er in der 4B dargestellt ist.

Um es zu verhindern, dass die Entladegeschwindigkeit aufgrund einer erhöhten Anzahl von Dioden in der Diodenkette beeinflusst wird, muss jede Diodenfläche in der Diodenkette größer werden, wenn die Anzahl M der Dioden zunimmt. Bei der Realisierung werden Dioden allgemein unter Verwendung von Transistorherstelltechniken hergestellt, so dass die Diodenfläche durch Vergrößern der Kanalbreite vergrößert werden kann. Als Beispiel sei angenommen, dass die Kanalbreite einer Diode 2_ beträgt, wenn die Anzahl M der Dioden den Wert eins hat. In ähnlicher Weise muss die Kanalbreite für jede Diode in der Diodenkette 4_ sein, wenn die Anzahl M der Dioden zwei ist, wohingegen die Kanalbreite für jede Diode in der Diodenkette 10_ sein muss, wenn die Anzahl M der Dioden fünf ist.

Außerdem beschreiben zwar die oben angegebenen zwei Ausführungsformen den Fall einer Diodenkette mit Reihenschaltung, jedoch besteht für die Diodenkette keine Einschränkung auf eine Reihenkonfiguration, sondern dazu gehören auch andere Konfigurationen, da die Diodenkette auf verschiedene, jedoch äquivalente Arten, die dem Fachmann ersichtlich sind, der die hier angegebenen Lehren nutzen kann, modifiziert und realisiert werden kann.

Ferner ist zwar die ESD-Schutzschaltung bei den oben genannten zwei Ausführungsformen am Ausgangsanschluss eines Spannungsverstärkers installiert, jedoch ist die Erfindung bei praktischen Anwendungen bei allen Hochleistungs-Ausgangsschaltungen oder allen Hochspannungs-Ausgangsschaltungen anwendbar.

Die 5 ist ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines ESD-Schutzverfahrens gemäß der Erfindung. Dieses ESD-Schutzverfahren gemäß den 3A, 4A und 5 wird wie folgt detailliert angegeben.

Schritt S501: Anbringen einer Klemmschaltung zwischen der ersten Betriebsspannung Vdd und der zweiten Betriebsspannung Vss.

Schritt S502: Anbringen eines Induktors L zwischen der ersten Betriebsspannung Vdd und dem Ausgangskontaktfleck P0.

Schritt S503: Anbringen einer Diodenkette zwischen der ersten Betriebsspannung Vdd und dem Ausgangskontaktfleck P0.

Schritt 504: Bestimmen der Anzahl der Dioden in der Diodenkette entsprechend dem Spannungshub S des am Ausgangskontaktfleck P0 erzeugten Ausgangssignals.

Während bestimmte beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurden und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, ist es zu beachten, dass diese Ausführungsformen lediglich veranschaulichend sind und für die umfassende Erfindung nicht beschränkend sind, und dass die Erfindung nicht auf die spezielle Konstruktion und die Anordnung beschränkt sein soll, wie sie dargestellt sind und beschrieben wurden, da dem Fachmann verschiedene andere Modifizierungen ersichtlich sein können.


Anspruch[de]
ESD-Schutzschaltung zum Schützen einer Ausgangsschaltung, mit:

einer Klemmschaltung, die zwischen eine erste Betriebsspannung und eine zweite Betriebsspannung geschaltet ist;

einem Induktor, der zwischen einen Ausgangsanschluss der Ausgangsschaltung und die erste Betriebsspannung geschaltet ist; und

einer Diodenkette mit mindestens einer von ersten Dioden, die zwischen den Ausgangsanschluss und die erste Betriebsspannung geschaltet sind.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Ausgangsschaltung über mehrere Stufen verfügt, wobei die letzte Stufe derselben ein MOS-Transistor ist, dessen Drain den Ausgangsanschluss bildet. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Ausgangsschaltung über mehrere Stufen verfügt, wobei die letzte Stufe derselben ein Bipolartransistor ist, dessen Kollektor den Ausgangsanschluss bildet. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Fläche jeder ersten Diode in der Diodenkette größer ist, wenn die Anzahl der ersten Dioden größer ist. Schaltung nach Anspruch 1, ferner mit einer zweiten Diode, die zwischen den Ausgangsanschluss und die zweite Betriebsspannung geschaltet ist. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Ausgangsschaltung ein Spannungsverstärker ist. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Anzahl der ersten Dioden in der Diodenkette dem Spannungshub am Ausgangsanschluss geteilt durch die Einschaltspannung der ersten Diode entspricht oder größer ist. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Anzahl der ersten Dioden in der Diodenkette dem Spannungshub eines Ausgangssignals am Ausgangsanschluss entspricht. ESD-Schutzverfahren, das bei einer Ausgangsschaltung angewandt wird, mit den folgenden Schritten:

Bereitstellen einer Klemmschaltung, die zwischen eine erste Betriebsspannung und eine zweite Betriebsspannung geschaltet ist;

Bereitstellen eines Induktors, der zwischen einen Ausgangsanschluss der Ausgangsschaltung und die erste Betriebsspannung geschaltet ist; und

Bereitstellen einer Diodenkette mit mindestens einer von ersten Dioden, die zwischen den Ausgangsanschluss und die erste Betriebsspannung geschaltet sind.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Anzahl der ersten Dioden der Diodenkette dem Spannungshub eines Ausgangssignals am Ausgangsanschluss entspricht. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem ferner eine zweite Diode angebracht wird, die zwischen den Ausgangsanschluss und die zweite Betriebsspannung geschaltet wird. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Ausgangsschaltung ein Spannungsverstärker ist. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Anzahl der ersten Dioden in der Diodenkette wesentlich größer als der Spannungshub des Ausgangssignals am Ausgangsanschluss geteilt durch die Einschaltspannung der ersten Diode ist, oder diesem Wert entspricht. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem ferner eine zweite Diode angebracht wird, die zwischen den Ausgangsanschluss und die zweite Betriebsspannung geschaltet wird. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Ausgangsschaltung ein Spannungsverstärker ist.






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