一种单电源供电的双极性输入过压钳位及ESD保护电路制造技术

技术编号:22553827 阅读:29 留言:0更新日期:2019-11-13 19:02
本实用新型专利技术公开了一种单电源供电的双极性输入过压钳位及ESD保护电路,包括ESD防护模块、限流电阻以及双向背靠背二极管等,NMOS管的栅极通过电阻R1接地GND;NMOS管的源极接地GND;NMOS管的漏极作为保护电路的电压输入端VIN,并连接限流电阻RLIM的一端,限流电阻RLIM的另一端连接二极管DIODEN的负极和二极管DIODEP的正极,并作为保护电路的电压输出端VOUT,二极管DIODEN的正极接地GND;二极管DIODEP的负极接电源VDD。针对数据采集系统中可能出现的异常输入电压,设计一种简洁高效的输入保护电路,兼顾过压钳位保护和ESD保护,实现对于正向或异常输入电压的钳位及电流限制,以保护内部CMOS器件的安全工作。

A bipolar input overvoltage clamp and ESD protection circuit with single power supply

The utility model discloses a bipolar input over-voltage clamping and ESD protection circuit with single power supply, which comprises an ESD protection module, a current limiting resistor, a bidirectional back-to-back diode, etc. the gate of the NMOS tube is grounded to GND through the resistor R1; the source of the NMOS tube is grounded to GND; the drain of the NMOS tube is used as the voltage input terminal VIN of the protection circuit, and one end of the current limiting resistor Rlim is connected to the current limiting resistor Rlim The other end of DIODEN is connected to the negative pole of DIODEN and the positive pole of diodep, and serves as the voltage output terminal Vout of the protection circuit, the positive pole of DIODEN is grounded to GND, and the negative pole of diodep is connected to VDD. Aiming at the abnormal input voltage that may appear in the data acquisition system, a simple and efficient input protection circuit is designed, which takes into account the over-voltage clamp protection and ESD protection to realize the clamp and current limitation of the positive or abnormal input voltage, so as to protect the safety of internal CMOS devices.

【技术实现步骤摘要】
一种单电源供电的双极性输入过压钳位及ESD保护电路
本技术属于集成电路设计
,具体涉及一种单电源供电的双极性输入过压钳位及ESD保护电路。
技术介绍
ADC数据采集被广泛应用于物联网等多种场景下,而对ADC输入端,由于前端电路突发故障等因素,可能导致ADC输入信号异常波动,甚至于超出ADC器件的采集工作范围;因此需对ADC器件的输入端口增加过压限流以及ESD等保护电路,以确保ADC器件的安全工作。另一方面,实际应用中需要ADC器件采用尽可能简单的供电方案以简化整体系统结构,而异常输入信号往往会超过ADC器件的供电电压范围,因此ADC器件输入端需要在尽可能简单的供电方案下提供更大的过压保护范围,特别是需要在单电源供电条件下将正向或负向的异常电压钳位在器件的安全工作范围内。
技术实现思路
本技术解决的技术问题:为了在相应应用场景中为ADC芯片输入端提供有效的过压保护功能,本技术提供了一种单电源供电的双极性输入过压钳位及ESD保护电路,本技术基于单电源供电系统,提出一种简洁高效的输入保护电路,兼顾过压钳位保护和ESD保护,应用于量化多类型传感器模拟输出数据的ADC电路中,实现对于正向或异常输入电压的钳位及电流限制,以保护内部CMOS器件的安全工作。本技术通过如下技术方案予以实现:一种单电源供电的双极性输入过压钳位及ESD保护电路,其特征在于包括:ESD防护模块、限流电阻、双向背靠背二极管;ESD防护模块由NMOS管和电阻R1构成;双向背靠背二极管,包括:二极管DIODEN和二极管DIODEP;NMOS管的栅极通过电阻R1接地GND;NMOS管的源极接地GND;NMOS管的漏极作为保护电路的电压输入端VIN,并连接限流电阻RLIM的一端,限流电阻RLIM的另一端连接二极管DIODEN的负极和二极管DIODEP的正极,并作为保护电路的电压输出端VOUT,二极管DIODEN的正极接地GND;二极管DIODEP的负极接电源VDD。NMOS管为HV-ggNMOS即栅极接地的高压NMOS管,当VDD为4.5V~5.5V时,NMOS管的漏极VIN端能够承受不超过20V的输入电压。NMOS管为HV-ggNMOS,当HV-ggNMOS的栅漏寄生电容在100fF~1pF时,电阻R1取值为10kΩ~20kΩ。限流电阻RLIM取值为10kΩ~15kΩ。二极管DIODEN的最大整流电流为0.5mA~2mA。二极管DIODEN的最大整流电流为0.5mA~2mA。外部输入信号VIN先经过ESD防护模块进行防护,再经过限流电阻RLIM与背靠背双向二极管构成的串联网络进行分压和过压钳位,得到输出信号VOUT,送至外部。保护电路的过压钳位工作过程如下:当外部输入VIN异常正电压(优选外部输入VIN超过VDD的电压)时,首先在电压升高瞬间,ESD防护模块中NMOS管开启(NMOS管的源极和漏极导通)将输入端VIN的异常正电压产生的浪涌电流积累的部分电荷释放至地GND,其次由限流电阻RLIM与双向(二极管DIODEN和DIODEP)构成的串联网络的分压作用逐步建立起电位分布的平衡状态,当VIN>VDD的电位+二极管DIODEP的正向导通电压时,二极管DIODEP导通,使保护电路输出VOUT的电位钳位至VDD的电位加上二极管DIODEP的正向导通电压,最终形成由外部输入VIN经过限流电阻RLIM和二极管DIODEP至供电电源VDD的完整回路,保护电路输出VOUT的电位为电源VDD的电位加上二极管DIODEP的正向导通电压之和。当外部输入VIN异常负电压(优选-1V以下的瞬态电压)时,ESD防护模块中NMOS管开启(源极和漏极反向导通),将输入端VIN的异常负电压产生的浪涌电流积累的部分电荷抽回至地GND,其次建立起限流电阻RLIM和二极管DIODEN的串联网络平衡状态,当VIN<GND的电位-二极管DIODEN的正向导通电压时,二极管DIODEN导通,使保护电路输出VOUT的电位钳位至GND的电位减去二极管DIODEN的正向导通电压,最终形成由地端GND经二极管DIODEN和限流电阻RLIM至输入端VIN的完整回路,保护电路的输出VOUT的电位为地GND的电位与二极管DIODEN正向导通电压之差。输入VIN异常正电压是指输入VIN的电压超过VDD的电压。ESD防护模块在外部异常输入跳变时刻开启,帮助限流电阻与二极管网络释放部分浪涌电流,加速平衡状态的建立过程。本技术与现行技术相比具有以下优点:(1)本技术在单电源供电条件下,通过背靠背二极管结构实现了对正负双极性异常输入电压的钳位功能;(2)本技术将ESD保护模块整合进过压保护模块中,利用ESD保护模块在异常输入跳变时刻的开启状态,由其释放部分输入浪涌电荷,以此加快钳位过程的建立时间,减轻保护电路的受冲击程度;(3)本技术对浪涌式的异常高压输入,由于ESD保护模块可以快速泄放瞬态电流,抑制过冲和瞬态大电流,因此相比单独的二极管钳位保护电路,该设计可以更快速和安全地将过冲电压输入钳位钳位至安全电压范围内;(4)本技术通过将ESD保护与过压保护功能集成设计在一个模块中,可以简化芯片的保护电路设计,同时减小保护模块的面积。附图说明图1为本技术提出的基于单电源供电的钳位保护模块示意图;图2为本技术提出的钳位保护模块在异常负相电压输入时的工作过程示意图;图3为本技术提出的钳位保护模块在异常正相电压输入时的工作过程示意图。具体实施方式下面结合附图对本技术作详细描述。本技术公开了一种单电源供电的双极性输入过压钳位及ESD保护电路,包括ESD防护模块、限流电阻以及双向背靠背二极管等,NMOS管的栅极通过电阻R1接地GND;NMOS管的源极接地GND;NMOS管的漏极作为保护电路的电压输入端VIN,并连接限流电阻RLIM的一端,限流电阻RLIM的另一端连接二极管DIODEN的负极和二极管DIODEP的正极,并作为保护电路的电压输出端VOUT,二极管DIODEN的正极接地GND;二极管DIODEP的负极接电源VDD。针对数据采集系统中可能出现的异常输入电压,设计一种简洁高效的输入保护电路,兼顾过压钳位保护和ESD保护,实现对于正向或异常输入电压的钳位及电流限制,以保护内部CMOS器件的安全工作。本技术提出的技术方案如图1所示:VIN与VOUT分别为保护模块的输入与输出端。整个模块由HV-ggNMOS-ESD器件、限流电阻及背靠背钳位二极管组成。其中HV-ggNMOS及栅极接地电阻主要用于ESD防护,当HV-ggNMOS的漏端出现ESD电流冲击时,由于栅漏间的寄生电容与栅接地的电阻形成了一个RC串联网络,则在ESD初期形成栅端的高电位现象(电阻与电容的分压而成),进而NMOS沟道电荷聚集并产生源漏传输的电流,从而在NMOS隧穿效应未出现前泄放掉一部分电荷,增强ESD器件的整体防护能力;同时在VIN端出现异常电位时也会有部分电流经HV-ggNMOS通过以减轻二极管的通流压力并加快电位收缩至安全范围内,起到辅助过压钳位保护的作用;限流电阻RLIM主要用于保护内部器件免受浪涌电流的冲击而出现异常的电荷积累;背靠背二极管由标准CMOS本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单电源供电的双极性输入过压钳位及ESD保护电路,其特征在于包括:ESD防护模块、限流电阻、双向背靠背二极管;ESD防护模块由NMOS管和电阻R1构成;双向背靠背二极管,包括:二极管DIODEN和二极管DIODEP;NMOS管的栅极通过电阻R1接地GND;NMOS管的源极接地GND;NMOS管的漏极作为保护电路的电压输入端VIN,并连接限流电阻RLIM的一端,限流电阻RLIM的另一端连接二极管DIODEN的负极和二极管DIODEP的正极,并作为保护电路的电压输出端VOUT,二极管DIODEN的正极接地GND;二极管DIODEP的负极接电源VDD。

【技术特征摘要】
1.一种单电源供电的双极性输入过压钳位及ESD保护电路,其特征在于包括:ESD防护模块、限流电阻、双向背靠背二极管;ESD防护模块由NMOS管和电阻R1构成;双向背靠背二极管,包括:二极管DIODEN和二极管DIODEP;NMOS管的栅极通过电阻R1接地GND;NMOS管的源极接地GND;NMOS管的漏极作为保护电路的电压输入端VIN,并连接限流电阻RLIM的一端,限流电阻RLIM的另一端连接二极管DIODEN的负极和二极管DIODEP的正极,并作为保护电路的电压输出端VOUT,二极管DIODEN的正极接地GND;二极管DIODEP的负极接电源VDD。2.根据权利要求1所述的一种单电源供电的双极性输入过压钳位及ESD保护电路,其特征在于:NMOS管为HV-ggNMOS即栅极接地的高压NMOS管,当VDD为4.5V~5.5V时,NMOS管的漏极VIN端能够承受不超过20V的输入电压。3.根据权利要求1所述的一种单电源供电的双极性输入过压钳位及ESD保护电路,其特征在于:NMOS管为HV-...

【专利技术属性】
技术研发人员:张金箭廖小海郭亮杰鲁文高陈光毅王慧王恒彬
申请(专利权)人:北京遥测技术研究所航天长征火箭技术有限公司
类型:新型
国别省市:北京,11

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