專利名稱：可調電壓隔離地對地esd鉗位電路的制作方法
可調電壓隔離地對地ESD鉗位電路背景典型地，電源管理部件至少有兩個功率域模擬域和電源域。模擬域通常沒有噪聲，而電源域，按照定義，會從開關晶體管(感應瞬變過程)得到很多噪聲。對諸如電源管理部件等集成電路(IC)進行適當的靜電泄放(ESD)保護，需要在每 一個管腳組合之間的確定的電流路徑。當需要將有噪聲的開關電源域與無噪聲的模擬域分 開時，這種需求為電路設計的前景提出了問題。輸入可能為不同電位(即5V和12V)使兩 個功率域連接困難。由于所有的接地端都是0伏，最簡單的解決辦法是在兩個接地端之間放置反向并 行二極管，從而將上述兩個域連接在一起。這樣將這些接地端通過二極管壓降和二極管電 容隔開。由于瞬變現象的原因，電源域的開關噪聲可能超過3伏，一個二極管壓降為0. 7V， 不能提供足夠的隔離，所以需要額外的二極管。但是，隨著每個增加的二極管，使得ESD的 串聯電阻會相應增加。如果電阻保持不變，對于N個二極管串聯來說，二極管必須為Nx個。 為了通過反向并行二極管方案得到3伏隔離電壓，需要大約5或6個二極管串聯。這樣會 使ESD保護結構過大，使得其無法適用于很多應用。另一個可能的保護方案是在上述兩個功率域之間提供交叉耦合的鉗位電路。這種 方案已經在應用并且的確提供了良好的地對地的隔離，但是實際上這種方案需要鉗位電路 加倍才能得到理想的保護。對于有著很多功率域的電路來說，由于無噪聲的功率域必須與 每個有噪聲的域連接，所以這種方案會費用過高。這種方案的另一個缺點是有噪聲的域中 的噪聲會錯誤地觸發該交叉耦合所需的ESD鉗位電路，造成電過應力事件，損壞討論的電 路。由于上述原因，以及對于本領域技術人員通過閱讀理解本發明中的詳細描述而顯 而易見得到的下述其它原因，需要一種有效、高效且使用相對較小器件封裝的ESD鉗位電 路。
發明內容
通過本發明的實施方式可解決當前系統的上述問題，其可以通過閱讀學習下面的 說明書理解。下面的概述只是進行示例性的說明，而不作為本發明的限制。這只是為讀者 理解本發明的某些觀點提供幫助。在一實施方式中，提供了一種可調電壓隔離地對地ESD鉗位電路。該鉗位電路包 括一雙向可控硅整流器(SCR)和多個觸發元件。該SCR耦合在第一和第二接地端之間。該 觸發元件也耦合在第一和第二接地端之間。此外，該觸發元件配置成當該第一和第二接地 端之間達到一期望的電壓時提供一觸發電流給該雙向可控硅整流器。附圖簡述當根據詳細描述和下面的附圖討論本發明，會更容易理解本發明以及本發明進一 步的有益效果和用途，其中
圖1是本發明一實施方式的ESD鉗位電路示意圖2A是本發明一實施方式的雙向SCR的剖面示意圖；圖2B是本發明一實施方式的圖2A中該雙向SCR鉗位電路與觸發元件連接的剖面 圖；圖3是本發明另一個實施方式的具有內置穩壓二極管的低電壓雙向SCR示意圖；圖4是圖3示意圖中的ESD鉗位電路的剖面圖；圖5是顯示本發明一地對地的保護的實施方式的傳輸線脈沖圖；以及圖6為本發明一實施方式的開關功率調節器。根據慣例，各種描述的特性元件并沒有按比例繪制，而是繪制用于強調本發明相 關特性。在圖中和文中，相同的參考符號表示相同的元件。詳細描述以下將參照附圖展開說明，所述附圖為說明書的一部分，并在其中示出了本發明 可實施的特定實施方式。這些實施方式會詳細進行描述，使本領域技術人員可實施本發明， 但應了解，可使用其他實施方式并對其進行邏輯性、機械性和電性變更而不背離本發明的 精神和范圍。因此，下面的詳細說明不能局限地看待，本發明的范圍僅由權利要求及等效范 圍定義。本發明的實施方式接地端之間提供了一單一元件，其在電路工作時提供了一高的 可調的隔離電壓，以及在ESD瞬變事件下提供一低電阻/低壓路徑。在可調電壓隔離地對地 ESD鉗位電路的實施方式中，這是通過將雙向可控硅整流器(triac或SCR)與連接在功率域 (或接地端)之間的適當的觸發元件集成到該鉗位電路中而實現的。實施方式中的ESD鉗 位電路為可調，用于觸發SCR。觸發元件的兩個例子包括串聯的多個二極管的堆疊，以及穩 壓二極管，此處穩壓二極管的擊穿受控。參照圖1，示出了一可調電壓隔離地鉗位電路100的實施方式的示意圖。如圖所 示，地鉗位電路100包括晶體管102，104和106，電阻108和110，以及觸發元件114和116。 由晶體管102，104和106，電阻108和110組成一雙向SCR。在圖1的實施方式中，觸發元 件114和116各自包括串聯的二極管IlO(I-N)和112 (I-N)。但是，觸發元件114和116可 以是當達到期望電壓時提供觸發電流的任何恰當的元件。該期望電壓是用來開啟該SCR的 觸發電壓。這由使用的隔離量決定(即1，2，3，4，5V地對地隔離)。應用時，一旦觸發元件 114和116允許足夠的電流流入其中一個或全部雙極晶體管102和/或104的基極結/發 射極結，從而完全開啟它們，晶體管102和/或104注入導致晶體管106啟動，從而完成一 自產生電路。另外，在其他實施方式中，設計了多布局版本以優化觸發電流、保持電壓和動 態電阻。圖2A和2B示出了可調電壓隔離地ESD鉗位電路235的實施方式的結構。特別地， 圖2A示出了圖1的雙向SCR200局部剖面視圖，沒有包含觸發元件，而圖2B包括觸發元件 240(1至N)。如圖2A所示，雙向SCR200包括被一 N阱/Niso 224分開的兩個P阱218和 220。該N阱/Niso224形成于一 P襯底226中。如圖所示，該結構通過N型隔離域224與 襯底226隔離。每個P阱218和220分別有一 P+阱連接體202和208，以及分別有一 N+陰 極區域204和206。圖2A中的雙向SCR200包括一第一 SCR和第二 SCR。第一 SCR由N+區域204，P阱 218，N阱224，和P阱220構成。該SCR包括NPN晶體管210和PNP晶體管230。第二 SCR 由N+區域206，P阱220，N講224，和P阱218構成。該SCR包括NPN晶體管212和PNP晶體管230。P阱218和220分別構成電阻214和216所示的電阻，用于產生跨越這些NPN晶 體管中基極(P阱)/發射極(N+)的壓降。當有足夠的電流流入晶體管210和/或212的基極/發射極使他們開啟，鉗位電 路235會觸發，從阻塞狀態進入低導電狀態(“導通”狀態)。保持電壓，動態電阻和觸發電 流由構成該雙向SCR200中的各層間隔決定。特別地，保持電壓是維持雙向SCR200處于導 通狀態所需的最小電壓。其由構成該雙向SCR200的雙極晶體管的增益和集電極電阻決定。 兩個P阱218和220之間的間隔221處形成N阱223。該寬度221是PNP晶體管230基極 的寬度，也是兩個NPN晶體管210和212的集電極電阻。動態電阻是該雙向SCR200處于導 通狀態的差分電阻，觸發電流是觸發該雙向SCR200使之處于導通狀態所需的最小電流。這 些間隔的范圍用來優化該裝置，用于地對地保護。在圖2B中，僅示出了一組觸發元件240(1至N)。如圖所示，觸發元件240 (1至N) 通過P+端子232與P阱220連接，用于當到達選定的電壓時，建立該NPN晶體管的基極/ 發射極電壓。另一組觸發元件(未示出)以類似的方式與P阱218連接。如圖2B中所示， 每個觸發元件240包括形成在一 N阱242中的一 P+區244和一 N+區246。N阱242形成 在P襯底248中，其將該二極管與該雙向SCR200隔離。如上所述，通過改變使用觸發元件 140(1至N)的數量，可以調節該鉗位電路235。圖3為本發明的實施方式的可調電壓隔離地鉗位電路300的示意圖。在該實施方 式中，使用了觸發結穩壓二極管306和308。穩壓二極管306和308會在一特定電壓擊穿。 當到達該擊穿電壓時，它們提供開啟SCR所需的基極電流。可調電壓隔離地鉗位電路300 還包括NPN晶體管302和304，一 PNP晶體管310和電阻312和314，如圖所示。圖4示出了圖3示意圖中的一個實施方式的、形成在襯底428中的一可調電壓隔 離地鉗位電路400。在圖4中的實施方式中，在N阱/P阱426，422和424邊緣處的重疊的 N+/P+區域414，416和418和420用于啟動觸發。這些是圖3中的穩壓二極管。圖4還示 出，地鉗位電路400還包括形成在N阱426中的P阱422和424。P阱422和424各自分別 有一個P+阱連接體402和408，以及分別有一 N+陰極區域404和406。圖3中的NPN晶 體管302和308分別由N+陰極區域404，P阱422和N阱426以及N+陰極區域406，P阱 424，和N阱426構成。圖3的PNP晶體管310包括由圖4的N阱426分開的兩個P阱422 和424。N阱426形成在P襯底428之中。P阱422和424分別構成電阻312和314所示的 電阻，其用來產生跨越NPN晶體管310的基極(P阱)/發射極(N+)的壓降。兩個接地端(GND1相對于GND2為正)之間會產生電壓差。P+(402)，P阱(422)的 電壓會使穩壓二極管(414)的正向偏壓增加，從而使N阱(426)偏壓。該電壓增加到穩壓二 極管(412)擊穿而注入電流到P阱(424)為止。當這種情況發生時，電流流經P阱(424)，從 而在P阱(424)的電阻中產生一電壓。當該電壓達到 0.7v，由N阱/P阱(424)/N+(406) 構成的NPN會啟動。這會接著啟動SCR，使之從阻塞狀態變為導電狀態(導通狀態)。同樣 地，⑶N2的正電壓會開始啟動由N阱/P阱(422)/N+(404)晶體管組成的NPN晶體管。當 有足夠的電流時，鉗位電路會觸發進入低導電狀態。參照圖5，為一傳輸線脈沖(TLP)圖500，其示出了一實施方式的可調鉗位電路的 結果。該TLP圖500的度量單位包括底軸線以伏特為單位的電壓，側軸線的以安培為單位 的電流和頂軸線的以安培為單位的電流。生成該TLP圖時，強制輸入該設備一矩形電流脈沖，測量設備的輸出電壓。圖中組成ESD元件的V/I特性曲線504的電壓和電流用圓圈表 示。該電壓和電流由圖中底軸線的電壓刻度和側軸線的電流刻度表示。每次電流脈沖后， 測量泄漏電流，用于監控設備是否故障。測量泄漏電流可獲知在正常操作(比如在開機時) 時有多少電流。泄漏電流的測量結果在TPL圖500用X表示，其構成一電流泄漏曲線502。 電流泄漏曲線502上的電流刻度χ表示在頂軸線上。TLP系統測量的每個代表電壓和電流 的圓圈均有一相關的X。這樣，每個代表TLP系統的一個脈沖的圓圈有一個相關的X，該χ 定義了該脈沖產生的泄漏。如上所述，電流泄漏曲線502為被測試的設備的泄漏電流。如 圖所示的例子，一 SCR在大約9. 6伏時觸發。特性曲線504在300毫安到大約1. 6安培之 間的斜率基本上是SCR觸發后的線性電阻。也就是說，其為SCR的動態電阻。另外，在該例 中，該設備最后在大約2. 2安培時出現故障。在實施方式中，該設備的特性可通過改變構成 該SCR的條紋(stripe)數以及該SCR的尺寸而改變。因此，僅增加SCR的尺寸便可使該設 備承載更多電流。圖6示出了本發明一實施方式的開關功率調節器600。如圖所示，該開關功率調節 器600在一反饋回路615中包括一調節器602，第一和第二開關606和608，一電感610，一 輸出電容612和一電阻614。調節器602包括控制電路604。本例中也示出了第一接地端 620和第二接地端622。在本實施方式中，第二接地端622與有噪聲的開關節點624相連。 第一接地端620與調節器602中的控制電路604相連。在這種設置中，在第一和第二接地 端620和622之間的耦合的噪聲會影響調節器602中的控制電路604，在操作中產生錯誤。 因此，本實施方式中的開關功率調節器600還包括一如上所述的可調電源隔離地對地鉗位 電路601，參見圖1至4中的實施方式所示。如圖6所示，Vo與一電子設備連接，比如一微 處理器，等等。圖6中的可調電源隔離地鉗位電路601在有噪聲的開關節點606，608，610，和612 的電源接地端622和控制電路604的無噪聲的接地端620之間提供了電壓隔離。有噪聲的 電源接地端622可能有超過5V的電壓擺動，如果該電壓隔離地鉗位電路601沒有置入，該 電壓擺動會與無噪聲的接地端620耦合。控制電路604包括靈敏的模擬電路，用于控制的 功率FET 606和608的開關，用于正確地調節輸出電壓，Vo。這些組件包括電壓參考，比較 器和運算放大器。使這些組件正確地操作依賴于一非常穩定的接地參考。如果電源域的噪 聲耦合進了控制電路接地端620，這些組件的操作可能會不穩定且依賴于該開關噪聲。這些 有噪聲的瞬變現象可能影響控制電路604的操作，導致其發生故障并引起整個調節器工作 不正常。雖然本文對特定實施方式進行圖示和描述，但是，對于本領域的技術人員來說，會 達成相同目的的任何組合均可替代上述特定實施方式。本申請目的在于涵蓋本發明的任何 改進和變化。因此，顯然，本發明的目的在于僅受限于權利要求和其等效范圍。
權利要求
一種可調電壓隔離地對地靜電泄放鉗位電路，所述鉗位電路包括雙向可控硅整流器(SCR)，耦合在第一接地端和第二接地端之間；以及觸發元件，耦合在所述第一接地端和第二接地端之間，所述觸發元件配置成當所述第一和第二接地端之間達到期望的電壓時，提供觸發電流給所述雙向SCR。
2.如權利要求1所述的鉗位電路，其中，所述觸發元件包括一個或多個二極管和一個或多個穩壓二極管。
3.如權利要求1所述的鉗位電路，其中，所述雙向SCR還包括 第一類型的第一晶體管；第二類型的第二晶體管，所述第二晶體管具有與第一接地端耦合的發射極，和與所述 第一晶體管的基極耦合的集電極，所述第二晶體管還具有跨所述觸發元件中第一觸發元件 而與所述第二接地端耦合的基極，所述第二晶體管的基極還與所述第一晶體管的第一發射 極耦合；以及所述第二類型的第三晶體管，具有與所述第二接地端耦合的發射極和與所述第一晶體 管的基極耦合的集電極，所述第三晶體管還具有跨所述觸發元件中第二觸發元件而與所述 第一接地端耦合的基極，所述第三晶體管的基極還與所述第一晶體管的第二發射極耦合。
4.如權利要求3所述的鉗位電路，還包括第一電阻，耦合在所述第一接地端和所述第二晶體管的基極之間；以及 第二電阻，耦合在所述第二接地端和所述第三晶體管的基極之間。
5.如權利要求1所述的鉗位電路，其中，所述雙向SCR還包括 第一 SCR，包括第一導電類型的第一阱，形成于第二導電類型的第二阱中；所述第二導電類型的第一區域，具有高摻雜濃度，形成于所述第一導電類型的所述第 一阱中；以及所述第一導電類型的第三阱，形成為在所述第二導電類型的所述第二阱中與所述第一 導電類型的所述第一阱相隔一選定距離；以及 第二 SCR，包括所述第一導電類型的所述第三阱，所述第二導電類型的第二區域，具有高摻雜濃度，形成于所述第一導電類型的所述第 三阱中；以及所述第一導電類型的所述第一阱。
6.如權利要求5所述的鉗位電路，其中，所述觸發元件還包括第一重疊區域，包括具有所述第一類型高摻雜濃度的位于所述第一阱內部的第一部 分，以及具有所述第二類型高摻雜濃度的位于所述第一阱外部的第二部分；以及第二重疊區域，包括具有所述第一類型高摻雜濃度的位于所述第三阱內部的第一部 分，以及具有所述第二類型高摻雜濃度的位于所述第三阱外部的第二部分。
7.一種集成電路中的可調電壓隔離地對地靜電泄放鉗位電路，所述鉗位電路包括 雙向可控硅整流器(SCR)，由所述集成電路的襯底中的晶體管和電阻形成，位于第一接地端和第二接地端之間；以及觸發元件，所述觸發元件配置成當所述第一和第二接地端之間達到一期望的電壓時，提供觸發電流給所述雙向SCR。
8.如權利要求7所述的鉗位電路，其中，所述觸發元件由一個或多個二極管和一個或多個穩壓二極管形成。
9.如權利要求7所述的鉗位電路，其中，所述雙向SCR還包括 第一 SCR，包括第一導電類型的第一阱，形成于第二導電類型的第二阱中；所述第二導電類型的第一區域，具有高摻雜濃度，形成于所述第一導電類型的所述第 一阱中；以及所述第一導電類型的第三阱，形成為在所述第二導電類型的所述第二阱中與所述第一 導電類型的所述第一阱相隔一選定距離；以及 第二 SCR，包括所述第一導電類型的所述第三阱，所述第二導電類型的第二區域，具有高摻雜濃度，形成于所述第一導電類型的所述第 三阱中；以及所述第一導電類型的所述第一阱。
10.如權利要求9所述的鉗位電路，其中，所述觸發元件還包括第一重疊區域，包括具有所述第一類型高摻雜濃度的位于所述第一阱內部的第一部 分，以及具有所述第二類型高摻雜濃度的位于所述第一阱外部的第二部分；以及第二重疊區域，包括具有所述第一類型高摻雜濃度的位于所述第三阱內部的第一部 分，以及具有所述第二類型高摻雜濃度的位于所述第三阱外部的第二部分。
11.如權利要求9所述的鉗位電路，其中，所述第一和第三阱的間距和所述區域界定保持電壓、動態電阻和觸發電流中的至少一個。
12.如權利要求9所述的鉗位電路，其中，所述雙向SCR還包括第一類型的第一晶體管；第二類型的第二晶體管，所述第二晶體管具有與所述第一接地端耦合的發射極，和與 所述第一晶體管的基極耦合的集電極，所述第二晶體管還具有跨所述觸發元件中第一觸發 元件而與所述第二接地端耦合的基極，所述第二晶體管的基極還與所述第一晶體管的第一 發射極耦合；以及所述第二類型的第三晶體管，具有與所述第二接地端耦合的發射極和與所述第一晶體 管的基極耦合的集電極，所述第三晶體管還具有跨所述觸發元件中第二觸發元件而與所述 第一接地端耦合的基極，所述第三晶體管的基極還與所述第一晶體管的第二發射極耦合。
13.如權利要求12所述的鉗位電路，其中， 所述第二和第三晶體管均還包括所述第一導電類型的第一阱，形成于所述第二導電類型的第二阱中；其中，所述第二阱 形成于所述第一導電類型的襯底中。
14.如權利要求12所述的鉗位電路，還包括第一電阻，耦合在所述第一接地端和所述第二晶體管的基極之間，以及 第二電阻，耦合在所述第二接地端和所述第三晶體管的基極之間。
15.一種電子設備，包括 開關調節器，包括至少一個開關，調節器，包括用于操作所述至少一個開關的控制功能； 電感，耦合在所述一個開關和輸出節點之間；反饋回路，耦合在所述輸出節點和所述調節器之間，其中，所述調節器以至少部分依賴 于所述反饋回路的速率來開關所述至少一個開關； 第一接地端，與所述控制功能耦合；以及 第二接地端，與所述至少一個開關耦合；以及可調電壓隔離地對地靜電泄放鉗位電路，耦合在所述第一和第二接地端之間，所述鉗 位電路包括雙向可控硅整流器(SCR)，耦合在所述第一接地端和所述第二接地端之間；以及 觸發元件，耦合在所述第一接地端和所述第二接地端之間，所述觸發元件配置成當所 述第一和第二接地端之間達到一期望的電壓時，提供觸發電流給所述雙向SCR。
16.如權利要求15所述的電子設備，其中，所述鉗位電路的觸發元件還包括一個或多個二極管和一個或多個穩壓二極管。
17.如權利要求15所述的電子設備，其中，所述雙向SCR還包括第一類型的第一晶體管；第二類型的第二晶體管，所述第二晶體管具有與所述第一接地端耦合的發射極，和與 所述第一晶體管的基極耦合的集電極，所述第二晶體管還具有跨所述觸發元件中第一觸發 元件而與所述第二接地端耦合的基極，所述第二晶體管的基極還與所述第一晶體管的第一 發射極耦合；以及所述第二類型的第三晶體管，具有與所述第二接地端耦合的發射極和與所述第一晶體 管的基極耦合的集電極，所述第三晶體管還具有跨所述觸發元件中第二觸發元件而與所述 第一接地端耦合的基極，所述第三晶體管的基極還與所述第一晶體管的第二發射極耦合。
18.如權利要求17所述的電子設備，其中，所述鉗位電路還包括第一電阻，耦合在所述第一接地端和所述第二晶體管的基極之間，以及 第二電阻，耦合在所述第二接地端和所述第三晶體管的基極之間。
19.如權利要求15所述的電子設備，其中， 所述雙向SCR還包括第一 SCR，包括第一導電類型的第一阱，形成于第二導電類型的第二阱中；所述第二導電類型的第一區域，具有高摻雜濃度，形成于所述第一導電類型的所述第 一阱中；以及所述第一導電類型的第三阱，形成為在所述第二導電類型的所述第二阱中與所述第一 導電類型的所述第一阱相隔一選定距離；以及 第二 SCR，包括所述第一導電類型的所述第三阱， 所述第二導電類型的第二區域，具有高摻雜濃度，形成于所述第一導電類型的所述第三阱中；以及所述第一導電類型的所述第一阱。
20.如權利要求19所述的電子設備，其中，所述鉗位電路的觸發元件還包括 第一重疊區域，包括具有所述第一類型高摻雜濃度的位于所述第一阱內部的第一部 分，以及具有所述第二類型高摻雜濃度的位于所述第一阱外部的第二部分；以及第二重疊區域，包括具有所述第一類型高摻雜濃度的位于所述第三阱內部的第一部 分，以及具有所述第二類型高摻雜濃度的位于所述第三阱外部的第二部分。
全文摘要
本發明公開了一種可調電壓隔離地對地ESD鉗位電路。該鉗位電路包括一雙向可控硅整流器(SCR)和觸發元件。該SCR耦合在第一和第二接地端之間。該觸發元件也耦合在第一和第二接地端之間。此外，該觸發元件配置成當該第一和第二接地端之間達到一期望的電壓時提供一觸發電流給該雙向可控硅整流器。
文檔編號H01L27/02GK101816069SQ200880110427
公開日2010年8月25日 申請日期2008年10月8日 優先權日2007年10月8日
發明者J·E·文森 申請人:英特賽爾美國股份有限公司