电源钳位电路和静电保护芯片

技术领域

本发明涉及静电保护技术领域，特别涉及一种电源钳位电路和静电保护芯片。

背景技术

目前在40～130nm的工艺制程中，只能提供最高工作电压为3.3V的常规器件，工艺厂家只能提供基于常规器件的耐压为3.3V的钳位电路。但是现实中某些电路必须应用在5V甚至更高电压的场合，即现实中某些电路必须应用在超压环境中。

当前在超压环境中的钳位电路普遍采用二极管与电源钳位电路串联的结构，该结构中二极管的压降受工艺和温度影响很大，导致电源钳位电路中的泄放管和驱动单元在某些工作条件下处于超压工作状态，影响电路可靠性。

上述内容仅用于辅助理解本申请的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种能应用在超压环境中，且提高电路可靠性的电源钳位电路和静电保护芯片。

为实现上述目的，本发明提出一种电源钳位电路，其包括：

钳位工作模块，所述钳位工作模块电连接于电源和地之间，所述钳位工作模块包括多个串联连接的电源钳位模块；

偏置电压模块，所述偏置电压模块与所述钳位工作模块电连接，用于为各个所述电源钳位模块提供使其泄放静电的偏置电压。

在一些实施例中，所述钳位工作模块包括两个串联连接的电源钳位模块，两个所述电源钳位模块相互电连接形成的第一公共端与所述偏置电压模块电连接。

在一些实施例中，所述偏置电压模块包括两个串联连接的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的第一端与所述电源电连接，所述第二电阻的第一端接地，所述第一电阻的第二端和所述第二电阻的第二端电连接，所述第一电阻的第二端或所述第二电阻的第二端与所述第一公共端电连接。

在一些实施例中，所述偏置电压模块选用低压差稳压器，所述低压差稳压器的第一端与所述电源电连接，所述低压差稳压器的第二端接地，所述低压差稳压器的输出端与所述第一公共端电连接。

在一些实施例中，所述电源钳位模块包括：

延时单元；所述延时单元具有第二公共端、作为所述电源钳位模块输入端的第一端、以及作为所述电源钳位模块输出端的第二端；

泄放管，用于泄放静电；所述泄放管的第一端与所述延时单元的第一端电连接，所述泄放管的第二端与所述延时单元的第二端电连接；

驱动单元，所述驱动单元的输入端与所述第二公共端电连接，所述驱动单元的输出端与所述泄放管的控制端电连接；

以及

反馈支路，所述反馈支路与所述驱动单元并联，用于根据所述驱动单元的输出电压产生正反馈电压输入所述驱动单元的输入端以使所述泄放管导通泄放静电。

在一些实施例中，所述反馈支路包括三端开关器件和下拉电平器件，所述三端开关器件的控制端与所述驱动单元的输出端电连接，所述三端开关器件的第一端与所述驱动单元的输入端电连接，所述三端开关器件的第二端与所述延时单元的第二端连接；所述下拉电平器件的第一端与所述驱动单元的输出端连接，所述下拉电平器件的第二端与所述延时单元的第二端连接。

在一些实施例中，所述下拉电平器件包括下拉电阻或NMOS管；

当下拉电平器件选用下拉电阻时，所述下拉电阻的第一端与所述驱动单元的输出端连接，所述下拉电阻的第二端与所述延时单元的第二端连接；

当下拉电平器件选用NMOS管时，所述下拉电平器件的栅极和漏极分别与所述驱动单元的输出端连接，所述下拉电平器件的源极与所述延时单元的第二端连接。

在一些实施例中，电源钳位电路还包括串联连接的第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的阳极与所述第一公共端电连接，所述第一二极管的阴极与所述电源电连接；所述第二二极管的阳极接地，所述第二二极管的阴极与所述第一公共端电连接。

在一些实施例中，所述延时单元包括串联连接的第三电阻和第一电容，所述第三电阻的第一端作为所述延时单元的第一端，所述第一电容的第一端作为所述延时单元的第二端，所述第一电阻的第二端和所述第一电容的第二端电连接形成所述第二公共端。

本申请还提出一种静电保护芯片，包括所述的电源钳位电路。

本发明的技术方案通过将多个电源钳位模块串联连接，通过偏置电压模块为各个所述电源钳位模块提供使其泄放静电的偏置电压，使得电路整体的耐压电压等于多个电源钳位模块的耐压电压之和，从而本技术方案的实施例的电源钳位电路能够应用在超压环境中。并且由于多个电源钳位模块在偏置电压模块提供的偏置电压下安全泄放静电，即偏置电压模块为各个电源钳位模块提供直流工作电压，保证电源钳位模块中的所有器件都工作在安全电压范围内，提高电路可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为现有电源钳位电路一实施例的电路原理图；

图2为本发明电源钳位电路一实施例的电路原理图；

图3为本发明电源钳位电路另一实施例的电路原理图；

图4为本发明偏置电压模块一实施例的电路原理图；

图5为本发明偏置电压模块另一实施例的电路原理图；

图6为本发明电源钳位模块一实施例的电路原理图；

图7为本发明电源钳位模块又一实施例的电路原理图；

图8为本发明电源钳位模块又一实施例的电路原理图；

图9为本发明电源钳位模块又一实施例的电路原理图；

图10为本发明电源钳位电路又一实施例的电路原理图；

附图标记：

10-钳位工作模块；20-偏置电压模块；11-电源钳位模块；111-延时单元；12-第二公共端；13-第一公共端；112-泄放管；113-驱动单元；114-反馈支路；21-第一电阻；22-第二电阻；23-低压差稳压器；1141-三端开关器件；1142-下拉电平器件；100-电源钳位电路；31-第一二极管；32-第二二极管。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

目前在40～130nm的工艺制程中，只能提供最高工作电压为3.3V的常规器件，工艺厂家只能提供基于常规器件的耐压为3.3V的钳位电路。但是现实中某些电路必须应用在5V甚至更高电压的场合，即现实中某些电路必须应用在超压环境中。由于常规器件只能工作在3.3V，如果将传统ESD(Electro-Static discharge，静电释放)保护电路应用在5V超压环境下，电路的稳定性、可靠性以及寿命都不可控。

请参照图1，当前在超压环境中的钳位电路普遍采用二极管(即图中的D1，D2)与电源钳位电路串联的结构，该结构中二极管的压降受工艺和温度影响很大，导致电源钳位电路中的泄放管MN和驱动单元INV在某些工作条件下处于超压工作状态，影响电路可靠性。另外，串联太多二极管，增大面积的同时，降低了泄放电荷的能力，从而降低了保护效果。

请参照图2，本发明提出一种电源钳位电路100，其包括：钳位工作模块10以及偏置电压模块20。

钳位工作模块10，所述钳位工作模块10电连接于电源和地之间，所述钳位工作模块10包括多个串联连接的电源钳位模块11。

具体地，多个电源钳位模块11结构相同，电源钳位模块11可采用各种现有的电源钳位模块11。在一些实施例中，电源钳位模块11包括延时单元111、泄放管112以及驱动单元113。

延时单元111，所述延时单元111电连接于电源与地之间；延时单元111用于实现延迟预设时间以实现对静电电流的释放。请参照图4，延时单元111可采用由第三电阻R8和第一电容C8串联组成的RC延时单元。所述延时单元111具有第二公共端12、作为所述电源钳位模块11输入端的第一端、以及作为所述电源钳位模块11输出端的第二端；所述第三电阻R8的第一端作为所述延时单元111的第一端，所述第一电容C8的第一端作为所述延时单元111的第二端，所述第三电阻R8的第二端和所述第一电容C8的第二端电连接形成所述第二公共端12。

泄放管112，用于泄放静电；所述泄放管112的第一端与所述延时单元111的第一端电连接，所述泄放管112的第二端与所述延时单元111的第二端电连接。在一些实施例中，所述泄放管112选用NMOS管或者NPN管；所述泄放管112选用NMOS管时，所述泄放管112的第一端为漏极、第二端为源极，控制端为栅极；所述泄放管112选用NPN管时，所述泄放管112的第一端为集电极、第二端为发射极，控制端为基极。

驱动单元113，所述驱动单元113的输入端与所述延时单元111的第二公共端12电连接，所述驱动单元113的输出端与所述泄放管112的控制端电连接；驱动单元113用于产生用于控制泄放管112通断的开启或关闭电压。具体地，驱动单元113可以是反相器。所述驱动单元113的输入端与所述第二公共端12电连接，所述驱动单元113的输出端与所述泄放管112的控制端电连接。

当静电来临时，由于第三电阻R8、第一电容C8组成的延迟单元的时间常数较大，驱动单元113的输入端不能快速跟随电源电压上升，因此驱动单元113的输入端为低电平，驱动单元113的输出端为高电平，致使泄放管112被打开，静电电流通过泄放管112进行泄放，同时静电电压被限制在一个合理范围，保证内部电路不被烧坏。

偏置电压模块20，所述偏置电压模块20与所述钳位工作模块10电连接，用于为各个所述电源钳位模块11提供使其泄放静电的偏置电压。

具体地，根据实际需要的工作电压值，可灵活选择串联的电源钳位模块11个数，可以方便运用到各种超压环境中，偏置电路为各个电源钳位模块11提供直流工作电压，保证电源钳位模块11中的所有器件都工作在安全电压范围内，没有可靠性风险。例如当电路需要应用在6V的超压环境中时，新的钳位电路可通过串联两个耐压为3.3V的电源钳位模块11，并通过偏置电压模块20为两个电源钳位模块11提供使其泄放静电的偏置电压，使得新的钳位电路在理论上耐压达到6.6V，能够运用到6V超压环境中，并且原电源钳位模块11中的所有器件都工作在安全电压范围内，提高电路可靠性。

应该理解，上述列举的电源钳位模块11的个数只是为了本领域技术人员理解本实施例的技术方案，不应理解为对电源钳位模块11的个数的具体限制。根据实际需要的工作电压值，可灵活选择串联的电源钳位模块11的个数，例如请参照图3，还可以串联三个电源钳位模块11运用到各种超压环境中。根据实际需要的工作电压值还可串联三个以上电源钳位模块11运用到各种超压环境中。

本实施例通过将多个电源钳位模块11串联连接，通过偏置电压模块20为各个所述电源钳位模块11提供使其泄放静电的偏置电压，使得电路整体的耐压电压等于多个电源钳位模块11的耐压电压之和，从而本实施例的电源钳位电路能够应用在超压环境中。并且由于多个电源钳位模块11在偏置电压模块20提供的偏置电压下安全泄放静电，即偏置电压模块20为各个电源钳位模块11提供直流工作电压，保证电源钳位模块11中的所有器件都工作在安全电压范围内，提高电路可靠性。

在一些实施例中，所述钳位工作模块10包括两个串联连接的电源钳位模块11，两个所述电源钳位模块11相互电连接形成的第一公共端13与所述偏置电压模块20电连接。

请参照图4，钳位工作模块10包括第一电源钳位模块和第二电源钳位模块，第一电源钳位模块包括电阻R8，电容C8，反相器INV8以及泄放管MN8，第二电源钳位模块包括电阻R9，电容C9，反相器INV9以及泄放管MN9，第一电阻21和第二电阻22组成分压电路，为电源钳位模块提供偏置电压。正常工作时，反相器INV8/IVN9输出高电平，泄放管MN8/MN9关闭，两个电源钳位模块11不消耗静态工作电流。当静电来临时，IINV8/INV9都输出高电平，泄放管MN8/MN9都开启，提供从电源到地的静电泄放通道。

请参照图4，进一步地，偏置电压模块20可通过多种实施方式实现，在一些实施例中，所述偏置电压模块20包括两个串联连接的第一电阻21和第二电阻22，所述第一电阻21的第一端与电源连接，所述第二电阻22的第一端接地，所述第一电阻21的第二端和所述第二电阻22的第二端电连接，所述第一电阻21的第二端或所述第二电阻22的第二端与所述第一公共端13电连接。

电源钳位模块11包括第一电源钳位模块和第二电源钳位模块。第一电源钳位模块和第二电源钳位模块结构相同。第一电源钳位模块包括电阻R8，电容C8，反相器INV8以及泄放管MN8，第二电源钳位模块包括电阻R9，电容C9，反相器INV9以及泄放管MN9，第一电阻21和第二电阻22组成分压电路，为电源钳位模块提供偏置电压。

通过设置分压电阻，即第一电阻21和第二电阻22，电源电压通过第一电阻21和第二电阻22被分压，从而为两个电源钳位模块11分配偏置电压，保证两个电源钳位模块11均在安全的工作电压下泄放静电。保证电源钳位模块11中的所有器件都工作在安全电压范围内，提高电路可靠性。

例如当电路需要应用在6V的超压环境中时，新的钳位电路可通过串联两个耐压为3.3V的电源钳位模块11，并通过阻值相同的第一电阻21和第二电阻22分压为每个电源钳位模块11提供偏置电压6/2＝3V，由于每个电源钳位模块11耐压3.3V，因此每个电源钳位模块11中的所有器件都工作在安全电压范围内，电源钳位电路整体能够运用到6V超压环境中，提高电路可靠性。

可以理解的，第一电阻21和第二电阻22的具体电阻值可根据实际情况进行设置，在此不具体限定第一电阻21和第二电阻22的阻值。

请参照图5，在其他一些实施例中，所述偏置电压模块20还可选用低压差稳压器23(low dropout regulator，即LDO)，所述低压差稳压器的第一端与所述电源电连接，所述低压差稳压器的第二端接地，所述低压差稳压器的输出端与所述第一公共端13电连接。通过低压差稳压器也为两个电源钳位模块11输出稳定的偏置电压，从而保证两个电源钳位模块11均在安全的工作电压下泄放静电。保证电源钳位模块11中的所有器件都工作在安全电压范围内，提高电路可靠性。

请参照图6，本申请的其他方面，在一些实施例中，为了电源钳位模块11的钳位效果，降低快速上电的漏电流，所述电源钳位模块11还包括：

反馈支路114，所述反馈支路114与所述驱动单元113并联，用于根据所述驱动单元113的输出电压产生正反馈电压输入所述驱动单元113的输入端以使所述泄放管112导通泄放静电。

请参照图7，具体地，所述反馈支路114包括三端开关器件1141和下拉电平器件1142，所述三端开关器件1141的控制端与所述驱动单元113的输出端电连接，所述三端开关器件1141的第一端与所述驱动单元113的输入端电连接，所述三端开关器件1141的第二端与所述延时单元111的第二端连接；所述下拉电平器件1142的第一端与所述驱动单元113的输出端连接，所述下拉电平器件1142的第二端与所述延时单元111的第二端连接。

在一些实施例中，所述下拉电平器件包括下拉电阻或NMOS管；

请参照图8，当下拉电平器件选用NMOS管时，所述下拉电平器件1142的栅极和漏极分别与所述驱动单元113的输出端连接，所述下拉电平器件1142的源极与所述延时单元111的第二端连接。

具体地，电源钳位模块11包括第一电源钳位模块和第二电源钳位模块，第一电源钳位模块包括电阻R8、电容C8、反相器INV8、泄放管MN8、三端开关器件MN3以及NMOS管MN5；第二电源钳位模块包括电阻R9，电容C9，反相器INV9、泄放管MN9、三端开关器件MN4以及NMOS管MN6。

将两个改进后的电源钳位模块11串联起来，其中R8/C8/MN3/MN5/MN8/INV8组成的第一电源钳位模块位于电路上部，R9/C9/MN4/MN6/MN9/INV9组成的第二电源钳位模块位于电路下部。第一电源钳位模块和第二电源钳位模块结构相同。

正常工作状态下，R8/C8、R9/C9的第二公共端12(即中间节点电平)为高，经过驱动单元113后为低，所以此时泄放管MN8和MN9关闭。NMOS管MN5和MN6起下拉作用，保证正常上电时三端开关器件MN3和MN4关闭，反馈支路114断开，此时第一电源钳位模块和第二电源钳位模块不消耗静态电流。如果电源电压是5V，则将偏置电路输出电压设置为2.5V，所有MOS器件正常情况下任意两端口电压差都不会超过2.5V，保证电路没有超压工作风险。

当静电事件发生时，第一电源钳位模块和第二电源钳位模块会同时响应，开启泄放管MN8和MN9，将电源上的电荷泄放到地。

值得一提的是，整个模块泄放能力取决于泄放管MN8和MN9的尺寸，也取决于R8/C9、R9/C9的延时大小。一般为了提高电荷泄放能力，可以增加泄放管112尺寸，同时增加RC延时。通过采用三端开关器件MN3/NMOS管MN5，三端开关器件MN4以及NMOS管MN6组成正反馈环路，减缓电容C8和C9上充电速度，延长泄放管MN8和MN9的开启时间，使电荷泄放更彻底，从而能更好地保护内部电路。

请参照图9，当下拉电平器件选用下拉电阻时，所述下拉电阻的第一端与所述驱动单元113的输出端连接，所述下拉电阻的第二端与所述延时单元111的第二端连接；

请参照图，电源钳位模块11包括第一电源钳位模块和第二电源钳位模块，第一电源钳位模块包括电阻R8、电容C8、反相器INV8、泄放管MN8、三端开关器件MN3以及下拉电阻R10；第二电源钳位模块包括电阻R9，电容C9，反相器INV9、泄放管MN9、三端开关器件MN4以及下拉电阻R11。

正常工作状态下，R8/C8、R9/C9的第二公共端12(即中间节点电平)为高，经过驱动单元113后为低，所以此时泄放管MN8和MN9关闭。下拉电阻R10和下拉电阻R11起下拉作用。

请参照图10，在本申请的其他方面，在一些实施例中，电源钳位电路还包括串联连接的第一二极管31和第二二极管32，所述第一二极管31的阳极与所述第一公共端13电连接，所述第一二极管31的阴极与所述电源电连接；所述第二二极管32的阳极接地，所述第二二极管32的阴极与所述第一公共端13电连接。通过增加串联连接的第一二极管31和第二二极管32，可增强从地到电源的电荷泄放能力，电源钳位模块11提供从电源到地的泄放通路，第一二极管31和第二二极管32提供从地到电源的泄放通路，使得电源钳位电路具有双向电荷泄放通路，增强电荷泄放能力。

本申请还提出一种静电保护芯片，包括电源钳位电路。所述电源钳位电路具体结构参照上述实施例，由于本静电保护芯片采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本申请的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。