耐高压的电源钳位电路[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 110994574 A(43)申请公布日 2020.04.10

(21)申请号 201910980009.6(22)申请日 2019.10.15

(71)申请人 珠海亿智电子科技有限公司

地址 519080 广东省珠海市高新区唐家湾

镇港乐路8号大洲科技园B区905(72)发明人 李天柱　

(74)专利代理机构 广州科粤专利商标代理有限

公司 44001

代理人 邓潮彬　黄培智(51)Int.Cl.

H02H 9/04(2006.01)

权利要求书2页 说明书5页 附图2页

()发明名称

耐高压的电源钳位电路

(57)摘要

本发明公开一种耐高压的电源钳位电路，包括分压模块、静电检测模块、逻辑控制模块以及静电泄放模块，分压模块分别连接电源、地、静电检测模块以及逻辑控制模块，静电检测模块分别连接电源以及逻辑控制模块，逻辑控制模块分别连接电源、地以及静电泄放模块，静电泄放模块分别连接电源和地，逻辑控制模块包括第一反相器、第二反相器、第三反相器、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管以及分压子模块。本发明的有益效果是：静电泄放发生时，通过电路的逻辑信号传输，静电泄放模块内的静电泄放管的栅极电压都能达到电源线上的电压且能维持静电检测模块所设置的RC时间常数的泄放时间，保证静电泄放防护效果。

CN 110994574 ACN 110994574 A

权　利　要　求　书

1/2页

1.一种耐高压的电源钳位电路，其特征在于，包括分压模块(100)、静电检测模块(200)、逻辑控制模块(300)以及静电泄放模块(400)，所述分压模块(100)分别连接电源(VDD)、地(GND)、静电检测模块(200)以及逻辑控制模块(300)，所述静电检测模块(200)分别连接电源(VDD)、分压模块(100)以及逻辑控制模块(300)，所述逻辑控制模块(300)分别连接电源(VDD)、地(GND)、静电检测模块(200)以及静电泄放模块(400)，所述静电泄放模块(400)分别连接电源(VDD)、地(GND)和逻辑控制模块(300)。

2.如权利要求1所述的耐高压的电源钳位电路，其特征在于，所述分压模块(100)包括第一场效应管(M1)与第二场效应管(M2)，所述第一场效应管(M1)的源极与电源(VDD)连接，所述第二场效应管(M2)的栅极与地(GND)连接，第一场效应管(M1)的栅极与漏极短接，第二场效应管(M2)的栅极与漏极短接，第一场效应管(M1)与第二场效应管(M2)之间接出0.5VDD线路，并与所述静电检测模块(200)以及逻辑控制模块(300)连接。

3.如权利要求2所述的耐高压的电源钳位电路，其特征在于，所述静电检测模块(200)包括第一电阻(R1)和第一电容(C1)，所述第一电阻(R1)的一端与电源(VDD)连接，另一端与所述第一电容(C1)连接，第一电容(C1)的另一端与所述0.5VDD线路连接，第一电阻(R1)和第一电容(C1)之间接出线路，并与所述逻辑控制模块(300)连接。

4.如权利要求3所述的耐高压的电源钳位电路，其特征在于，所述逻辑控制模块(300)包括第一反相器(INV1)、第二反相器(INV2)、第三反相器(INV3)、第三场效应管(M3)、第四场效应管(M4)、第五场效应管(M5)、第六场效应管(M6)以及分压子模块(301)，所述第一反相器(INV1)的电源端、第二反相器(INV2)的电源端以及第三场效应管(M3)的源极连接到电源(VDD)，所述第三反相器(INV3)的地端以及第六场效应管(M6)的源极接地(GND)，第一反相器(INV1)的地端、第二反相器(INV2)的地端、第四场效应管(M4)的栅极、第三反相器(INV3)的电源端以及第五场效应管(M5)栅极连接到所述0.5VDD线路，所述第一反相器(INV1)的输入端接到第一电阻(R1)和第一电容(C1)之间，第一反相器(INV1)的输出端连接到第二反相器(INV2)的输入端、第五场效应管(M5)的源极以及静电泄放模块(400)，第二反相器(INV2)的输出端与第三场效应管(M3)的栅极连接，第三场效应管(M3)的漏极与第四场效应管(M4)的源极连接，第四场效应管(M4)的漏极、第三反相器(INV3)的输入端以及地(GND)与分压子模块(301)连接，第三反相器(INV3)的输出端与第六场效应管(M6)的栅极连接。

5.如权利要求4所述的耐高压的电源钳位电路，其特征在于，所述分压子模块(301)包括第二电阻(R2)和第三电阻(R3)，所述第二电阻(R2)的一端与所述第四场效应管(M4)的漏极连接，第二电阻(R2)的另一端与第三电阻(R3)连接，第三电阻(R3)的另一端与地(GND)连接，第三反相器(INV3)的输入端接到所述第二电阻(R2)和第三电阻(R3)之间。

6.如权利要求5所述的耐高压的电源钳位电路，其特征在于，所述静电泄放模块(400)包括第一静电泄放管(Mesd1)和第二静电泄放管(Mesd2)，所述第一静电泄放管(Mesd1)的漏极与电源(VDD)连接，第一静电泄放管(Mesd1)的源极与所述第二静电泄放管(Mesd2)的漏极连接，第二静电泄放管(Mesd2)的源极与地(GND)连接，第一静电泄放管(Mesd1)的栅极与所述第一反相器(INV1)的输出端以及第五场效应管(M5)的源极连接起来，第二静电泄放管(Mesd2)的栅极接到所述第五场效应管(M5)的漏极和第六场效应管(M6)的漏极之间。

7.如权利要求6所述的耐高压的电源钳位电路，其特征在于，所述第一场效应管(M1)、

2

CN 110994574 A

权　利　要　求　书

2/2页

第二场效应管(M2)、第三场效应管(M3)、第四场效应管(M4)以及第五场效应管(M5)为P型场效应管，所述第六场效应管(M6)、第一静电泄放管(Mesd1)以及第二静电泄放管(Mesd2)为N型场效应管。

8.如权利要求1所述的耐高压的电源钳位电路，其特征在于，所述分压模块(100)为两个串联起来的电阻或两个串联起来的场效应管。

9.如权利要求4所述的耐高压的电源钳位电路，其特征在于，所述分压子模块(301)为两个串联起来的电阻或两个串联起来的场效应管。

3

CN 110994574 A

说　明　书耐高压的电源钳位电路

1/5页

技术领域

[0001]本发明涉及静电保护电路领域，尤其涉及一种耐高压的电源钳位电路。

背景技术

[0002]当电子元器件在制造、生产、组装、测试、存放、搬运等过程中，静电会积累在人体、仪器、存放设备等之中，甚至电子器件本身也会积累电荷。当静电源与其它物体接触时，存在着电荷流动，将产生潜在的破坏性电压、电流以及电磁场，因为静电释放的瞬间电压非常高，通常大于几千伏，所以这种损伤是毁灭性和永久性的，会造成电路直接烧毁，这就是静电放电(ESD:Electrostatic Discharge)，所以预防静电损伤是所有IC设计和制造的头号难题。随着集成电路技术和工艺水平的不断进步，芯片上的晶体管以及器件尺寸越做越小，芯片的集成度越来越高，器件的工作电压越来越低，而很多应用对电压的要求是固定的，比如28nm工艺的器件只能承受1.8V电压，而很多外围应用仍然为3.3V。因此，使用耐低压的器件设计出耐高压的静电保护电路成为迫切的需求。

[0003]电源钳位电路在静电保护电路中扮演着至关重要的角色，传统的电源钳位电路由于耐压的问题已经不能满足先进工艺的需求。现有技术(专利号：CN 107565533 A)中，实现了使用耐1.8V的低压器件设计出耐3.3V高压的静电保护电路，但该电路在静电放电发生后节点N1会逐渐上升而使MN1导通，此时会把N3节点拉低，大大降低了静电保护能力。发明内容

[0004]针对上述问题，本发明提出一种耐高压的电源钳位电路，主要解决现有静电保护电路静电保护能力低的问题。[0005]为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：[0006]一种耐高压的电源钳位电路，包括分压模块、静电检测模块、逻辑控制模块以及静电泄放模块，所述分压模块分别连接电源、地、静电检测模块以及逻辑控制模块，所述静电检测模块分别连接电源、分压模块以及逻辑控制模块，所述逻辑控制模块分别连接电源、地、静电检测模块以及静电泄放模块，所述静电泄放模块分别连接电源、地和逻辑控制模块。

[0007]优选地，所述分压模块包括第一场效应管与第二场效应管，所述第一场效应管的源极与电源连接，所述第二场效应管的栅极与地连接，第一场效应管的栅极与漏极短接，第二场效应管的栅极与漏极短接，第一场效应管与第二场效应管之间接出0.5VDD线路，并与所述静电检测模块以及逻辑控制模块连接。[0008]优选地，所述静电检测模块包括第一电阻和第一电容，所述第一电阻的一端与电源连接，另一端与所述第一电容连接，第一电容的另一端与所述0.5VDD线路连接，第一电阻和第一电容之间接出线路，并与所述逻辑控制模块连接。[0009]优选地，所述逻辑控制模块包括第一反相器、第二反相器、第三反相器、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管以及分压子模块，所述第一反相器的电

4

CN 110994574 A

说　明　书

2/5页

源端、第二反相器的电源端以及第三场效应管的源极连接到电源，所述第三反相器的地端以及第六场效应管的源极接地，第一反相器的地端、第二反相器的地端、第四场效应管的栅极、第三反相器的电源端以及第五场效应管栅极连接到所述0.5VDD线路，所述第一反相器的输入端接到第一电阻和第一电容之间，第一反相器的输出端连接到第二反相器的输入端、第五场效应管的源极以及静电泄放模块，第二反相器的输出端与第三场效应管的栅极连接，第三场效应管的漏极与第四场效应管的源极连接，第四场效应管的漏极、第三反相器的输入端以及地与分压子模块连接，第三反相器的输出端与第六场效应管的栅极连接。[0010]优选地，所述分压子模块包括第二电阻和第三电阻，所述第二电阻的一端与所述第四场效应管的漏极连接，第二电阻的另一端与第三电阻连接，第三电阻的另一端与地连接，第三反相器的输入端接到所述第二电阻和第三电阻之间。[0011]优选地，所述静电泄放模块包括第一静电泄放管和第二静电泄放管，所述第一静电泄放管的漏极与电源连接，第一静电泄放管的源极与所述第二静电泄放管的漏极连接，第二静电泄放管的源极与地连接，第一静电泄放管的栅极与所述第一反相器的输出端以及第五场效应管的源极连接起来，第二静电泄放管的栅极接到所述第五场效应管的漏极和第六场效应管的漏极之间。[0012]优选地，所述第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管以及第五场效应管为P型场效应管，所述第六场效应管、第一静电泄放管以及第二静电泄放管为N型场效应管。[0013]优选地，所述分压模块为两个串联起来的电阻或两个串联起来的场效应管。[0014]优选地，所述分压子模块为两个串联起来的电阻或两个串联起来的场效应管。[0015]本发明的有益效果为：[0016]1.摒弃了旧方案，将钳位电路设置成分压模块、静电检测模块、逻辑控制模块以及静电泄放模块四大部分，静电泄放发生时，通过电路的逻辑信号传输，静电泄放模块内的静电泄放管的栅极电压都能达到电源线上的电压且能维持静电检测模块所设置的RC时间常数的泄放时间，保证静电泄放防护效果。

[0017]2.第三场效应管的栅极由第二反相器驱动，电路正常工作时，第三场效应管的栅极电压紧跟随电源电压，不会因为电源纹波较大而导致的漏电问题。[0018]3.本发明的电源钳位电路只有一个电容，有利于节省电路所占用的面积。附图说明

[0019]图1为本发明耐高压的电源钳位电路的电路示意图；[0020]图2为本发明实施例一的电路图；

[0021]图3为本发明分压模块以及分压子模块的电路图。[0022]其中：VDD-电源,GND-地，100-分压模块，200-静电检测模块，300-逻辑控制模块，301-分压子模块，400-静电泄放模块，R1-第一电阻，R2-第二电阻，R3-第三电阻，C1-第一电容，INV1-第一反相器，INV2-第二反相器，INV3-第三反相器，M1-第一场效应管，M2-第二场效应管，M3-第三场效应管，M4-第四场效应管，M5-第五场效应管，M6-第六场效应管，Mesd1-第一静电泄放管，Mesd2-第二静电泄放管。

5

CN 110994574 A

说　明　书

3/5页

具体实施方式

[0023]为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。[0024]实施例一：如图1、2所示,本实施例提出了一种耐高压的电源钳位电路，包括分压模块100、静电检测模块200、逻辑控制模块300以及静电泄放模块400，所述分压模块100分别连接电源VDD、地GND、静电检测模块200以及逻辑控制模块300，所述静电检测模块200分别连接电源VDD、分压模块100以及逻辑控制模块300，所述逻辑控制模块300分别连接电源VDD、地GND、静电检测模块200以及静电泄放模块400，所述静电泄放模块400分别连接电源VDD、地GND和逻辑控制模块300。

[0025]提供一种优选的实施方式，所述分压模块100包括第一场效应管M1与第二场效应管M2，所述第一场效应管M1的源极与电源VDD连接，所述第二场效应管M2的栅极与地GND连接，第一场效应管M1的栅极与漏极短接，第二场效应管M2的栅极与漏极短接，第一场效应管M1与第二场效应管M2之间接出0.5VDD线路，并与所述静电检测模块200以及逻辑控制模块300连接。

[0026]提供一种优选的实施方式，所述静电检测模块200包括第一电阻R1和第一电容C1，所述第一电阻R1的一端与电源VDD连接，另一端与所述第一电容C1连接，第一电容C1的另一端与所述0.5VDD线路连接，第一电阻R1和第一电容C1之间接出线路，并与所述逻辑控制模块300连接。

[0027]提供一种优选的实施方式，所述逻辑控制模块300包括第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第三场效应管M3、第四场效应管M4、第五场效应管M5、第六场效应管M6以及分压子模块301，所述第一反相器INV1的电源端、第二反相器INV2的电源端以及第三场效应管M3的源极连接到电源VDD，所述第三反相器INV3的地端以及第六场效应管M6的源极接地GND，第一反相器INV1的地端、第二反相器INV2的地端、第四场效应管M4的栅极、第三反相器INV3的电源端以及第五场效应管M5栅极连接到所述0.5VDD线路，所述第一反相器INV1的输入端接到第一电阻R1和第一电容C1之间，第一反相器INV1的输出端连接到第二反相器INV2的输入端、第五场效应管M5的源极以及静电泄放模块400，第二反相器INV2的输出端与第三场效应管M3的栅极连接，第三场效应管M3的漏极与第四场效应管M4的源极连接，第四场效应管M4的漏极、第三反相器INV3的输入端以及地GND与分压子模块301连接，第三反相器INV3的输出端与第六场效应管M6的栅极连接。由于现有技术中，常常因为VDD上的纹波而导致较大的漏电，而第三场效应管M3的栅极是由第二反相器INV2驱动的，因此不会有漏电的问题。

[0028]提供一种优选的实施方式，所述分压子模块301包括第二电阻R2和第三电阻R3，所述第二电阻R2的一端与所述第四场效应管M4的漏极连接，第二电阻R2的另一端与第三电阻R3连接，第三电阻R3的另一端与地GND连接，第三反相器INV3的输入端接到所述第二电阻R2和第三电阻R3之间。

[0029]提供一种优选的实施方式，所述静电泄放模块400包括第一静电泄放管Mesd1和第二静电泄放管Mesd2，所述第一静电泄放管Mesd1的漏极与电源VDD连接，第一静电泄放管

6

CN 110994574 A

说　明　书

4/5页

Mesd1的源极与所述第二静电泄放管Mesd2的漏极连接，第二静电泄放管Mesd2的源极与地GND连接，第一静电泄放管Mesd1的栅极与所述第一反相器INV1的输出端以及第五场效应管M5的源极连接起来，第二静电泄放管Mesd2的栅极接到所述第五场效应管M5的漏极和第六场效应管M6的漏极之间。

[0030]提供一种优选的实施方式，所述第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3、第四场效应管M4以及第五场效应管M5为P型场效应管，所述第六场效应管M6、第一静电泄放管Mesd1以及第二静电泄放管Mesd2为N型场效应管。[0031]实施例二：如图3所示，在上述实施例一的基础上，所述分压模块100除了可以是两个P型的场效应管之外，还可以是两个串联起来的电阻或两个串联起来的N型场效应管，其中，当分压模块100为两个串联起来的N型场效应管的时候，两个N型场效应管的漏极和栅极短接起来，并从M1和M2之间接出线路连接到所述0.5VDD线路，同理，当分压模块100是两个起来的电阻的时候，从Rx和Ry之间接出线路连接到所述0.5VDD线路。[0032]实施例三：如图3所示，在上述实施例一的基础上，所述分压子模块301除了可以是两个串联起来的电阻之外，还可以是两个串联起来的N型场效应管或两个串联起来的P型场效应管，具体连接方式参考实施例二或附图3。

[0033]上述的实施例二所述的分压模块100以及实施例三所述的分压子模块301均采用了串联分压的原理，Rx、Ry的阻值相等或阻值接近，且远大于第三场效应管M3、第四场效应管M4的导通电阻。保证当M3,M4的导通时，分压的结果约为电源VDD的一半,而采用场效应管分压时，则需要保证两个场效应管为相同参数或近似参数。必须进行说明的是，图3中Rx、Ry、Mx、My仅仅用于表示不同的元件，并非与实施例一不一致的描述，同样地，V1,V2只是单纯的表示元件两端的电压，而Vout则表示输出电压。[0034]工作原理：电路正常工作时，分压模块100的输出电压为0.5VDD，第一反相器INV1的输入端电压为高电平VDD，输出端为低电平0.5VDD，第一静电泄放管Mesd1的栅极电压为0.5VDD，第五场效应管M5的源极和栅极电压都为0.5VDD，第五场效应管M5截止；第二反相器INV2的输入端为低电平0.5VDD，输出端为高电平VDD，第三场效应管M3截止，因此第二电阻R2和第三电阻R3串接点的电压为低GND；第三反相器INV3的输入端为低电平GND，输出端为高电平0.5VDD，第六场效应管M6导通并将第二静电泄放管Mesd2的栅极电压拉为GND，关断第二静电泄放管Mesd2；第四场效应管M4管的栅极电压为0.5VDD，避免低电压GND传输到第三场效应管M3的漏极，消除了第三场效应管M3的耐压风险。[0035]当静电泄放发生时，电源VDD迅速上升，由于静电检测模块200的延时作用，第一反相器INV1的输入端的电压相对于电源VDD为低电平，故第一反相器INV1的输入端为低电平，输出端为高VDD，第一静电泄放管Mesd1的栅极电压为高VDD，第五场效应管M5的栅极电压为0.5VDD，第五场效应管M5导通；同时，第二反相器INV2的输入端为高电平VDD，输出端为低电平0.5VDD，第三场效应管M3导通，因此第二电阻R2和第三电阻R3串接点的电压约为0.5VDD；第三反相器INV3的输入端为高电平0.5VDD，输出为低电平GND，第六场效应管M6管截止，第二静电泄放管Mesd2的栅极电压通过第五场效应管M5拉为高电平VDD。此时第一静电泄放管Mesd1和第二静电泄放管Mesd2的栅极电压都为高电平VDD，因此两个静电泄放管被开启泄放静电电流。大约经过时间常数R1*C1的时间后，第一反相器INV1输入端的电压逐渐升高越过第一反相器INV1的阈值，此时第一反相器INV1的输出变为低电平GND，第五场效应管M5截

7

CN 110994574 A

说　明　书

5/5页

止，同时第二反相器INV2的输出端变为高电平，第三场效应管M3截止，第三反相器INV3的输入端变为低电平GND，输出端变为高电平0.5VDD，第六场效应管M6管导通并将第二静电泄放管Mesd2关断，结束静电的泄放。泄放时间为RC时间常数，而已有钳位电路技术中，泄放时间会远小于RC的时间；静电泄放管的栅极电压更高导通能力更强，本发明设计当静电泄放发生时，两个静电泄放管的栅极电压都跟随VDD，可达到VDD的电压，所以开启更强，泄放也就更强。综上，本发明拥有更长的静电泄放时间以及静电泄放管泄放管的栅极电压更高，导通泄放能力更强，并且本发明的电源钳位电路只有一个电容，有利于节省电路所占用的面积。[0036]上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

8

CN 110994574 A

说　明　书　附　图

1/2页

图1

图2

9

CN 110994574 A

说　明　书　附　图

图3

10

2/2页