專利名稱：用于usb接口芯片的靜電放電保護(hù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是用于USB接口芯片的靜電放電保護(hù)電路，主要應(yīng)用于USB接口芯片，以及帶 USB接口的芯片設(shè)備，以抵抗靜電對(duì)芯片的損害。
背景技術(shù)：
USB (Universal Serial Bus)指通用串行總線，是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB是在 1994年底由英特爾、康柏、IBM、 Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的。目前PC主板中主要是 采用USB1.1和USB2.0，各USB版本間能很好的兼容。USB用一個(gè)4針插頭作為標(biāo)準(zhǔn)插頭， 采用菊花鏈形式可以把所有的外設(shè)連接起來，最多可以連接127個(gè)外部設(shè)備，并且不會(huì)損失 帶寬。USB需要主機(jī)硬件、操作系統(tǒng)和外設(shè)三個(gè)方面的支持才能工作。USB具有傳輸速度快 (USB1.1的full speed是12Mbps， USB2,0的high speed是480Mbps)、使用方便、支持熱插 拔、連接靈活、獨(dú)立供電等優(yōu)點(diǎn)，可以連接鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)、掃描儀、攝像頭、閃存盤、 MP3、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)硬盤、外置光軟驅(qū)、USB網(wǎng)卡、ADSLModem、 Cable Modem 等幾乎所有的外部設(shè)備。
USB連接用的4針插頭為4根信號(hào)線，即數(shù)據(jù)線DP、數(shù)據(jù)線DM、電源線(VCC)、地 線(GND)。 DP和DM用于傳輸差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)，電源線用于USB設(shè)備從PC提取電源，地線 將USB設(shè)備的地和PC接口的地連接起來。
靜電可以說是無處不在的，靜電的產(chǎn)生方式包括摩擦起電、感應(yīng)充電、直接充電等多種 方式，但通常來講，摩擦產(chǎn)生靜電的情況可以說時(shí)刻都在發(fā)生。靜電對(duì)芯片(器件)造成的 損壞有顯性和隱性兩種。隱性損壞在當(dāng)時(shí)看不出來，但器件變得更脆弱，在過壓、高溫等條 件下極易損壞。ESD兩種主要的破壞機(jī)制是由ESD電流產(chǎn)生熱量導(dǎo)致芯片燒毀的熱失效; 由ESD過高電壓導(dǎo)致芯片內(nèi)部絕緣擊穿。兩種破壞可能在一個(gè)芯片中同時(shí)發(fā)生，例如，絕緣 擊穿可能激發(fā)大的電流，這又進(jìn)一步導(dǎo)致熱失效。
USB設(shè)備的種類是越來越多，像這種支持熱插拔的設(shè)備在插拔的過程中很容易產(chǎn)生靜電。 嚴(yán)重的話很有可能會(huì)把南橋擊穿。靜電不僅可能損害PC機(jī)主板，更可能損害USB設(shè)備。因 此對(duì)于USB接口芯片或者帶USB接口的外部設(shè)備都要注意ESD防護(hù)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)USB在應(yīng)用時(shí)容易產(chǎn)生靜電放電問題，本發(fā)明提出了一種用于USB接口或者帶USB 接口的芯片內(nèi)部的ESD保護(hù)電路，也就是數(shù)據(jù)信號(hào)線DP和DM對(duì)電源和地的ESD保護(hù)電 路。發(fā)明用于USB接口芯片的ESD保護(hù)電路1位于數(shù)據(jù)線差分信號(hào)正端DP2 (對(duì)應(yīng)壓焊點(diǎn) 3)、內(nèi)部輸入信號(hào)線DPJN4和內(nèi)部輸出信號(hào)線DPJ)UT5、數(shù)據(jù)線差分信號(hào)負(fù)端DM 6 (對(duì) 應(yīng)壓焊點(diǎn)7)、內(nèi)部輸入信號(hào)線DM_IN 8和內(nèi)部輸出信號(hào)線DM_OUT 9之間，ESD保護(hù)電路 1由DP 2的ESD保護(hù)電路10和DM 6的ESD保護(hù)電路11構(gòu)成，且兩個(gè)電路10和11具有 相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。
其中，DP2的ESD保護(hù)電路10由靜電放電保護(hù)電路12、電源13、地14構(gòu)成，且對(duì)應(yīng) 的芯片內(nèi)部的信號(hào)有兩個(gè)，即內(nèi)部輸入信號(hào)DPJN4和內(nèi)部輸出信號(hào)DP—0UT5;同樣，DM 6的ESD保護(hù)電路11由靜電放電保護(hù)電路15、電源13、地14構(gòu)成，且對(duì)應(yīng)的芯片內(nèi)部的信 號(hào)有兩個(gè)，即內(nèi)部輸入信號(hào)DMJN 8和內(nèi)部輸出信號(hào)DM—OUT 9。
DP 2的ESD保護(hù)電路包括DP 2與DP—IN 4之間的保護(hù)電阻16、 DP 2與DP—OUT 5之 間的保護(hù)電阻17、 DP 2對(duì)電源的ESD保護(hù)電路18和對(duì)地的ESD保護(hù)電路19、 DP—IN 4對(duì) 電源的ESD保護(hù)電路20和對(duì)地的ESD保護(hù)電路21、 DP_OUT 5對(duì)電源的ESD保護(hù)電路22 和對(duì)地的ESD保護(hù)電路23。 DP 2通過ESD保護(hù)用的電阻16與DP—IN 4相連，通過ESD保 護(hù)用的電阻17與DP一OUT 5相連，因此本發(fā)明的一個(gè)明顯特征就是DP_IN 4與DP一OUT 5 之間通過電阻16和電阻17進(jìn)行隔離。其中DP一IN4連接到芯片內(nèi)部的接收信號(hào)處理電路， 通常與CMOS器件的柵極相連，而DPJXJT 5連接到芯片的輸出驅(qū)動(dòng)電路，通常與CMOS 器件的源極或者漏極相連。
DP 2、DP_IN 4和DP—OUT 5對(duì)地的ESD保護(hù)電路可以是gCNMOS(gate coupledNMOS, 由電容24、電阻25和NMOS 26構(gòu)成)、二極管27、改進(jìn)的gGNMOS (gate grounded NMOS， 由電阻28和NMOS 29構(gòu)成)、以及gGNMOS(由NMOS 30構(gòu)成)。DP 2、DP_IN 4和DP—OUT 5對(duì)電源的ESD保護(hù)電路，可以采用與對(duì)地的ESD保護(hù)電路相類似的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明具有將對(duì)發(fā)射電路的ESD保護(hù)和對(duì)接收電路的ESD保護(hù)分開的優(yōu)點(diǎn)，從而可以 更加有效地保護(hù)接收電路中的MOS器件的柵極。


圖1為USB接口芯片的ESD保護(hù)電路接口圖2為USB接口芯片的ESD保護(hù)電路接口的分解圖3為DP 2的ESD保護(hù)電路圖4為DP 2、 DP_IN 4和DP_OUT 5對(duì)地的ESD保護(hù)電路可能采用的電路結(jié)構(gòu)圖； 圖5為DP2、 DP IN4和DPJXJT5對(duì)電源的ESD保護(hù)電路可能采用的電路結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
圖1說明用于USB接口芯片的ESD保護(hù)電路1保護(hù)差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的兩個(gè)PAD(壓焊點(diǎn)) 3和7， DP 2經(jīng)過ESD保護(hù)電路1之后分解為DP—IN 4和DP_OUT 5， DM 6經(jīng)過ESD保護(hù) 電路1之后分解為DM_IN 8和DM_OUT 9。
圖2在圖1中的ESD保護(hù)電路1的基礎(chǔ)上，將ESD保護(hù)電路分解為DP 2的ESD保護(hù) 電路10和DM6的ESD保護(hù)電路11。其中ESD保護(hù)電路10和11都指的是對(duì)電源和地的保 護(hù)電路。
圖3給出了 DP 2的ESD保護(hù)電路，包括DP 2與DP_IN 4之間的保護(hù)電阻16、 DP 2與 DP—OUT 5之間的保護(hù)電阻17、 DP 2對(duì)電源的保護(hù)電路18和對(duì)地的保護(hù)電路19、 DP—IN 4 對(duì)電源的保護(hù)電路20和對(duì)地的保護(hù)電路21、 DP—OUT 5對(duì)電源的保護(hù)電路22和對(duì)地的保護(hù) 電路23。
圖4給出了DP2、 DP—IN4和DP—OUT5對(duì)地的ESD保護(hù)電路可能采用的電路結(jié)構(gòu)，包 括gCNMOS (如圖a，由電容24、電阻25和NMOS 26構(gòu)成)、二極管27 (如圖b)、改進(jìn)的 gGNMOS (如圖c，由電阻28和NMOS 29構(gòu)成)、以及gGNMOS (如圖d，由NMOS 30構(gòu)成)。
圖5給出了 DP 2、 DP一IN 4和DP—OUT 5對(duì)電源的ESD保護(hù)電路可能采用的電路結(jié)構(gòu)， 包括gCPMOS (如圖a，由電容31、電阻32和PMOS 33構(gòu)成)、二極管34 (如圖b)、改進(jìn) 的gGPMOS (如圖c，由電阻35和PMOS 36構(gòu)成)、以及gGPMOS (如圖d，由PMOS 37
構(gòu)成)。
對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
說明如下-
1.在USB接口芯片或者帶USB接口的芯片內(nèi)部使用本發(fā)明的ESD保護(hù)電路，用于差 分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)線DP和DM對(duì)電源和地的ESD保護(hù)，此外電源和地之間也會(huì)有保護(hù)電 路(本發(fā)明沒有提供特別說明，可以采用一些傳統(tǒng)的ESD保護(hù)電路結(jié)構(gòu))。
2. 本發(fā)明提供的ESD保護(hù)電路是基于CMOS工藝的，也就是需要在CMOS工藝上實(shí)現(xiàn)。
3. 本發(fā)明的主要特點(diǎn)是采用了兩級(jí)ESD保護(hù)電路結(jié)構(gòu)，且將差分信號(hào)DP2(或者DM 6) 分解成了兩個(gè)信號(hào)，即芯片輸入信號(hào)DP—IN 4 (或者DM—IN 8)和芯片輸出信號(hào) DP—OUT 5 (或者DMJ3UT9)。 DPJN4 (或者DMJN8)將連接到芯片內(nèi)部的接收 電路，通常是CMOS器件的柵級(jí)，DP_OUT 5 (或者DM一OUT 9)將連接到芯片內(nèi) 部的發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路，通常是CMOS器件的源極或者漏極。
4. 連接DP2 (或者DM6)與DP—OUT 5 (或者DM—OUT9)之間的電阻17通常不會(huì) 太大，要符合相關(guān)的USB規(guī)范要求，建議選擇不大于40歐姆的電阻，對(duì)于USBl.l 來說10 20歐姆是比較適當(dāng)?shù)摹＿@個(gè)電阻可以用有源區(qū)電阻、多晶硅電阻等來實(shí)現(xiàn)， 寬度應(yīng)該適當(dāng)增大。
5. 連接DP2 (或者DM6)與DP—IN 4 (或者DMJN8)之間的電阻16通?？梢愿鶕?jù) 需要進(jìn)行選擇，但要保證信號(hào)衰減較小或者沒有衰減，建議選擇大于200歐姆的電 阻值。這個(gè)電阻可以用有源區(qū)電阻、多晶硅電阻等來實(shí)現(xiàn)，寬度應(yīng)該適當(dāng)增大。
6. DP 2、 DPJN4、 DPJ3UT5對(duì)電源和地的ESD保護(hù)電路可以采用相同的結(jié)構(gòu)，也可
以不采用同樣的結(jié)構(gòu)。對(duì)地的ESD保護(hù)電路可以采用gCNMOS、 二極管、gGNMOS 以及其改進(jìn)電路；對(duì)電源的ESD保護(hù)電路也可以采用類似的結(jié)構(gòu)。
7. 第一級(jí)ESD保護(hù)電路(即DP2或者DM6對(duì)電源和地的ESD保護(hù)電路)，通常采用 比第二級(jí)ESD保護(hù)電路(即DPJN 4或者DMJN 8對(duì)電源和地的ESD保護(hù)電路、 DPJDUT5或者DM一OUT9對(duì)電源和地的ESD保護(hù)電路)的尺寸大若干倍，通常大 4~10倍。如果采用MOS器件，那么第一級(jí)保護(hù)電路的MOS器件的柵級(jí)寬度要比第 二級(jí)保護(hù)電路的MOS器件的柵級(jí)寬度大許多；如果采用二極管，那么第一級(jí)的保護(hù) 電路的二極管的發(fā)射極面積要比第二級(jí)保護(hù)電路的二極管的發(fā)射極面積大許多。
8. 對(duì)電源和地的ESD保護(hù)電路如果采用圖4(a)所示的gCNMOS電路，那么電阻25和 電容24的參數(shù)選取應(yīng)該特別注意，原則是在正常工作狀態(tài)下，NMOS管26不應(yīng) 該開啟；在靜電放電狀態(tài)下，NMOS管26應(yīng)該導(dǎo)通。對(duì)于圖5(a)所示的電路也需要 有相同的考慮。
9. 對(duì)于圖4(c)和圖5(c)中的電阻28和35的參數(shù)值的選取，應(yīng)該根據(jù)具體的CMOS工藝 參數(shù)和MOS器件版圖布局的不同而有差別，通常選擇幾K Q到幾十K Q的參數(shù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于USB接口芯片的靜電放電(ESD)保護(hù)電路，其特征是該保護(hù)電路是由數(shù)據(jù)線 DP的ESD保護(hù)電路和數(shù)據(jù)線DM的ESD保護(hù)電路構(gòu)成，且兩個(gè)電路具有相同的結(jié)構(gòu)和 參數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于USB接口芯片的靜電放電(ESD)保護(hù)電路，其特征是DP 在芯片內(nèi)部被ESD保護(hù)電路分為兩個(gè)信號(hào)， 一個(gè)是USB設(shè)備的，收信號(hào)DPJN， 一個(gè)是 USB設(shè)備的發(fā)送信號(hào)DP—OUT,且兩個(gè)信號(hào)之間通過電阻進(jìn)行隔離。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于USB接口芯片的靜電放電(ESD)保護(hù)電路，其特征是DP 的ESD保護(hù)電路由DP對(duì)電源和地的ESD保護(hù)電路、DPJN對(duì)電源和地的ESD保護(hù)電路、 DP—OUT對(duì)電源和地的ESD保護(hù)電路、DP與DP—IN之間的保護(hù)電阻、DP與DP—OUT 之向的保護(hù)電阻5部分構(gòu)成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于USB接口芯片的靜電放電(ESD)保護(hù)電路，其特征是DP 對(duì)電源和地的ESD保護(hù)電路、DP_IN對(duì)電源和地的ESD保護(hù)電路、DP_OUT對(duì)電源和地 的ESD保護(hù)電路都分別由對(duì)電源SH呆護(hù)電路和對(duì)地的保護(hù)電路兩部分tS成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于USB接口芯片的靜電放電(ESD)保護(hù)電路，其特征是DP、 DP—IN和DP_OUT對(duì)地的ESD保護(hù)電路可以是gCNMOS、 二極管、gGNMOS以及相應(yīng) 的&進(jìn)電路3li實(shí)現(xiàn)；DP、 DP—IN和DP_OUT對(duì)電源的ESD保護(hù)電路可以采用與對(duì)地的 ESD保護(hù)電路相同的結(jié)構(gòu)，iMOS器冉采用PMOS。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于USB接口芯片的靜電放電(ESD)保護(hù)電路，其特征是DP 對(duì)電源和地的ESD保護(hù)電路的二極管的發(fā)射級(jí)面積要大于DP—IN和DP—OUT對(duì)電源和地 的ESD保護(hù)電路的二極管的發(fā)射級(jí)面積。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于USB接口芯片的靜電放電(ESD)保護(hù)電路，其特征是DP 對(duì)電源和地的ESD保護(hù)電路的MOS管的柵寬度要大于DP—IN和DP—OUT對(duì)電源和地的 ESD保護(hù)電路的MOS管的柵寬度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于USB接口芯片的靜電放電(ESD)保護(hù)電路，其特征是DP 與DP一OUT之間的電阻不大于40歐姆，DP與DP—IN之間的電阻可大于200歐姆。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種用于USB(Universal Serial Bus)接口芯片的靜電放電(ESD)保護(hù)電路。帶USB接口的設(shè)備(device)與主機(jī)(host)之間的通信是通過USB接口來完成的，USB設(shè)備有4個(gè)引腳，即兩根數(shù)據(jù)線(DP、DM)、電源(VCC)和地線(GND)。由于USB設(shè)備經(jīng)常與主機(jī)發(fā)生插拔動(dòng)作，因此USB接口芯片需要很強(qiáng)的抵抗ESD的能力。本發(fā)明為USB設(shè)備的兩根數(shù)據(jù)線提供了一種新的片上ESD保護(hù)電路。
文檔編號(hào)H02H9/00GK101364731SQ20071011997
公開日2009年2月11日 申請(qǐng)日期2007年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月6日
發(fā)明者周建鎖 申請(qǐng)人:北京中電華大電子設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司