阅读说明：本技术 静电保护装置 (Electrostatic protection device ) 是由 P·A·弗朗西斯 T·莫尔夫 于 2019-01-21 设计创作，主要内容包括：本发明的各个方面提供了一种用于保护电子电路的输入端口的静电保护装置。静电保护装置包括具有四个端口的堆叠线圈组件。静电保护装置还包括人体模型ESD保护电路,充电装置模型ESD保护电路和阻抗匹配电路。人体模型ESD保护电路、充电装置模型ESD保护电路和阻抗匹配电路连接到从四个端口中选择的单独的端口。(Various aspects of the present invention provide an electrostatic protection device for protecting an input port of an electronic circuit. The electrostatic protection device includes a stacked coil assembly having four ports. The electrostatic protection device further comprises a human body model ESD protection circuit, a charging device model ESD protection circuit and an impedance matching circuit. The human body model ESD protection circuit, the charging device model ESD protection circuit, and the impedance matching circuit are connected to a separate port selected from the four ports.)

静电保护装置

背景技术

本发明涉及集成电路，尤其涉及集成电路的输入端口的静电保护。

集成电路(IC)可以并入专用电路以保护它们免受在其输入/输出I/O焊盘处的静电放电ESD事件的影响。当跨IC的I/O焊盘发送和/或接收宽带高频信号时，要满足此ESD保护要求可能是具有挑战性的。

特别地，在现代宽带通信系统中使用的收发器电路中，ESD保护的实现是令人关注的，在该收发器电路中，将具有在1至100GHz频率范围内的功率谱分布的信号在高损耗有线信道上传输。典型的信道由印刷电路板PCB上的铜走线、连接器和电缆组成，并且它们的端部可能具有匹配的阻抗，该阻抗或者由传输标准定义，或者通过例如对速度、功率和信号完整性的优化来选择。

发明内容

根据本发明的实施例，本发明提供了一种用于保护电子电路的输入端口的静电保护装置。静电保护装置包括具有四个端口的堆叠线圈组件。静电保护装置还包括人体模型ESD或静电放电保护电路。静电保护装置还包括充电装置模型ESD保护电路。静电保护装置还包括阻抗匹配电路。人体模型ESD保护电路，充电装置模型ESD保护电路和阻抗匹配电路连接到从四个端口中选择的单独的端口。

根据本发明的另一实施例，本发明还提供了一种集成有静电保护装置的集成电路，用于保护电子电路的输入端口。

附图说明

在下面

图1示出了静电保护装置的实施例。

图2示出了静电保护装置的另一实施例。

图3示出了静电保护装置的另一实施例。

图4示出了静电保护装置的另一实施例。

图5图示了集成电路的实施例的一部分。

图6示出了堆叠线圈组件的俯视图。

图7示出了图6的堆叠线圈组件的透视图。

图8示出了图6的堆叠线圈组件的另一透视图。

具体实施方式

这些图中相似编号的元件是等效元件或执行相同的功能。如果功能相同，则先前讨论的元件不必在后面的图中讨论。

使用具有四个端口的堆叠线圈组件，其中每个端口分别连接到人体模型ESD保护电路、充电装置模型ESD保护电路和阻抗匹配电路，可以使静电防护设备的带宽和信号传输这两者增加。与类似的三端口堆叠线圈组件相比，四端口设备的使用可以使带宽增加约2倍并扩大眼图张开度。

在一些实施例中，人体模型(HBM)静电放电(ESD)保护电路和充电装置模型(CDM)ESD保护电路都可以指结合有钳位电路(例如二极管)的ESD保护电路，该钳位电路连接到两个电源轨。在实践中，对于CDM二极管、二极管寄生电容和RX输入电容，HBM和CDM ESD器件还可结合一个由二极管的寄生布线电容引起的对地电容。充电装置模型ESD可以进一步串联一个电阻器以限制电流的输入。

阻抗匹配电路可以例如是与电容并联的电感或与电容并联的电阻，用于将静电保护装置的输入与输出阻抗匹配。在一些示例中，可以将电阻用于阻抗匹配。例如，在许多情况下可以使用值为50欧姆的电阻。

在另一个实施例中，堆叠线圈组件可以包括第一线圈、第二线圈和第三线圈。在堆叠线圈组件中第一、第二和第三线圈的使用提供了大量设计参数。例如，可以相对于彼此调节第一线圈和第二线圈的定位以及相对于第二线圈调节第三线圈的位置。如果将第一线圈、第二线圈和第三线圈堆叠布置，则第一线圈可以相对于第二线圈二维地平移，并且第二线圈可以相对于第三线圈二维地平移。这提供了四个可以自由选择的设计参数。也可以选择线圈相对于彼此的尺寸，这可以具有调节线圈的耦合系数的效果。一些线圈可以相对于彼此具有正耦合系数，并且一些线圈相对于彼此也可以具有负耦合系数。这在设计过程中提供了额外的自由度。

在以上实施例的一个示例中，第一线圈、第二线圈和第三线圈均可以是平面线圈。将线圈制造为平面线圈可以使静电保护装置并入到较小的区域中，并且可以使用标准的半导体制造技术来制造。第一线圈、第二线圈和第三线圈可以另外是两端口线圈。本文所用的两端口线圈包括具有输入和输出的线圈。第一线圈、第二线圈和第三线圈可以以不同的布置连接在一起以构造四端口堆叠式线圈组件。

在一些实施例中，第一线圈与第二线圈至少部分重叠。第二线圈与第三线圈至少部分重叠。在一些实施例中，第一线圈也可以与第三线圈至少部分地重叠。第一、第二和/或第三线圈的重叠可以提供调节不同线圈之间的耦合的装置。这可以帮助调节静电保护装置的参数。

在另一个实施例中，第一线圈具有第一轴线(axis)。第二线圈具有第二轴线。第三线圈具有第三轴。第一轴线、第二轴线和第三轴线是对称轴线。第一轴线、第二轴线和第三轴线可以是轴线穿过的中心，也可以是如前所述的对称轴线。在一些实施例中，第一轴线可以偏离第二轴线。在一些实施例中，第二轴线可以偏离第三轴线。在一些实施例中，第一轴线可偏离第三轴线。同样，在一些实施例中，第二轴线可以偏离第三轴线。使各个轴彼此偏离可以调节第一线圈、第二线圈和/或第三线圈之间的耦合。

在另一个实施例中，第一线圈感应地耦合到第二线圈。第二线圈感应地耦合到第三线圈。第一线圈感应地耦合到第三线圈。三个线圈之间的耦合使得能够调节电路。在一些实施例中，第一线圈、第二线圈和第三线圈之间的耦合系数都为正。在其他实施例中，第一线圈、第二线圈和/或第三线圈也可以相对于彼此具有负耦合系数。

在另一个实施例中，静电保护装置包括四个端口中的连接到外部输入端口的第一端口。静电保护装置还包括四个端口中的连接到充电装置模型ESD保护电路的第二端口。静电保护装置还包括连接到人体模型ESD保护电路的第三端口。静电保护装置还包括四个端口中的连接到阻抗匹配电路的第四端口。静电保护装置还包括内部输入端口，该内部输入端口被配置为连接在电子电路的输入端口和充电装置模型ESD保护电路之间。电路的设计可以实现内部输入端口和外部输入端口之间的高频信令。另外，该设计可以在外部输入端口和内部输入端口之间提供低信号损失。内部输入端口可以连接到电子电路的输入端口。

在另一个实施例中，第一端口连接到第一线圈的第一输入。第二端口连接到第一线圈的第二输入和第二线圈的第一输入。第三端口连接到第二线圈的第二输入和第三线圈的第一输入。第四端口连接到第三线圈的第二输入。

图1示出了根据以上实施例的静电保护装置100的具体示例。静电保护装置包括堆叠线圈组件102。堆叠线圈组件包括第一线圈104、第二线圈106和第三线圈108。110表示第一线圈104和第二线圈106之间的耦合系数。112代表第二线圈106和第三线圈108之间的耦合系数。114代表第一线圈104和第三线圈108之间的耦合系数。堆叠线圈组件102具有第一端口118、第二端口120、第三端口122和第四端口124。第一线圈104具有连接到第一端口118的第一输入126。第二端口120连接到第一线圈104的第二输入128和第二线圈106的第一输入130。第三端口122连接到第二线圈106的第二输入132和第三线圈108的第一输入134。第四端口124连接到第三线圈108的第二输入136。人体模型ESD保护电路138被示为连接到第三端口122。充电装置模型ESD保护电路140被示为连接到第二端口120。还有阻抗匹配电路142连接到第四端口124。阻抗匹配电路142被示为电阻和电容并联。选择电阻值作为匹配阻抗，在许多情况下为50欧姆。所示电容为50fF电容。该电容表示电阻的寄生电容。

外部输入端口144连接到第一端口118。内部输入端口146连接到充电装置模型ESD保护电路140。除了线圈104、106、108的尺寸的机械调整之外，调整耦合系数110、112、114以及电容116的定位提供了一种调整静电保护装置100的手段，从而可以实现增加的带宽和减少的传输损耗。电容116可以部分归因于寄生电容，并且可以部分归因于添加到电路以修改不同线圈10、106和108之间的电容耦合的物理电容器。

在另一实施例中，静电保护装置包括四个端口中的连接到充电装置模型ESD保护电路的第一端口。静电保护装置还包括连接到外部输入端口的第二端口，该外部输入端口被配置为连接到电子电路的输入端口。静电保护装置还包括四个端口中的连接到人体模型ESD保护电路的第三端口。静电保护装置还包括四个端口中的连接到阻抗匹配电路的第四端口。静电保护装置还包括内部输入端口，该内部输入端口被配置为在电子电路的输入端口和充电装置模型ESD保护电路之间连接。

在以上实施例中，第一端口可以连接到第一线圈的第一输入。第二端口可以连接到第一线圈的第二输入和第二线圈的第一输入。第三端口可以连接到第二线圈的第二输入和第三线圈的第一输入。第四端口连接到第三线圈的第二输入。

图2示出了静电保护装置200的上述实施例的具体示例。图2所示的示例与图1所示的示例相似。但是，各种组件不同地连接到四个输入端口。在该实施例中，阻抗匹配电路142再次连接到第四端口124。人体模型ESD保护电路138再次示出为连接到第三端口122。外部输入端口144示出为连接到第二端口120。充电装置模型ESD保护电路140示出为连接到第一端口118。内部输入端口146再次示出为连接到充电装置模型ESD保护电路140。

在另一个实施例中，静电保护装置包括四个端口中的连接到外部输入端口的第一端口。静电保护装置还包括四个端口中的连接到人体模型ESD保护电路的第二端口。静电保护设备还包括连接到充电装置模型ESD保护电路的第三端口。静电保护装置还包括四个端口中的连接到阻抗匹配电路的第四端口。静电保护装置还包括内部输入端口，该内部输入端口被配置为在电子电路的输入端口和充电装置模型ESD保护电路之间连接。

在以上实施例中，第一端口可以连接到第一线圈的第一输入。第二端口可以连接到第一线圈的第二输入和第二线圈的第一输入。第三端口连接到第二线圈的第二输入和第三线圈的第一输入。第四端口连接到第三线圈的第二输入。

图3示出了静电保护装置300的上述实施方式的具体示例。图3所示的静电保护装置300与图1所示的静电保护装置100相似。图3所示的静电保护装置300与图1的区别在于人体模型ESD保护电路138和充电装置模型ESD保护电路140连接的端口被交换。在图3所示的实施例中，充电装置模型ESD保护电路140连接到第三端口122。人体模型ESD保护电路138被示为连接到第二端口120。

在另一个实施例中，静电保护装置包括四个端口中的连接到外部输入端口的第一端口。静电保护装置还包括连接到人体模型ESD保护电路的第二端口。静电保护装置还包括连接到阻抗匹配电路的第三端口。静电保护装置还包括四个端口中的连接到充电装置模型ESD保护电路的第四端口。静电保护装置还包括内部输入端口，该内部输入端口被配置为在电子电路的输入端口与人体模型ESD保护电路之间连接。

在以上实施例中，第一端口可以连接到第一线圈的第一输入。第二端口可以连接到第一线圈的第二输入、第二线圈的第一输入和第三线圈的第一输入。第三端口可以连接到第二线圈的第二输入。第四端口可以连接到第三线圈的第二输入。

图4示出了静电保护装置400的上述实施例的具体示例。图4所示的示例再次具有堆叠线圈组件102，该堆叠线圈组件102包括第一线圈104、第二线圈106和第三线圈108。110再次表示第一和第二线圈之间的耦合系数。112再次表示第二线圈和第三线圈108之间的耦合系数。114再次表示第一线圈104和第三线圈108之间的耦合系数。堆叠线圈组件102具有第一端口118、第二端口120，第三端口122和第四端口124。第一端口118连接到第一线圈104的第一输入126。第二端口120连接到第一线圈104的第二输入128和第二线圈106的第一输入130。第三端口122连接到第二线圈106的第二输入132。第二端口120也连接到第三线圈108的第一输入134。第四端口124连接到第三线圈的第二输入136。

外部输入端口144被示为连接到第一端口118。人体模型ESD保护电路138被示为连接到第二端口120。阻抗匹配电路142被示为连接到第三端口122。充电装置模型ESD保护电路140被示为连接到第四端口124。内部输入端口146被示为被连接到充电装置模型ESD保护电路140。

在另一个实施例中，本发明可以提供一种集成电路，该集成电路包括根据本文所述的实施例的静电保护装置。

在一个实施例中，集成电路是微处理器。

在另一个实施例中，集成电路是微控制器。

在另一个实施例中，集成电路是图形处理单元。

在另一个实施例中，集成电路是中央处理单元。

在另一个实施例中，集成电路是宽带放大器。

在另一个实施例中，集成电路是模数转换器。

在另一个实施例中，集成电路是数模转换器。

在另一个实施例中，集成电路是有线收发器电路。

在另一个实施例中，集成电路是电信芯片。

在另一个实施例中，集成电路包括衬底。电子电路可以形成在衬底上。电子保护装置形成在衬底上。堆叠线圈组件包括第一线圈、第二线圈和第三线圈。第一线圈、第二线圈和第三线圈可以形成在衬底的单独的层上。第一线圈与第二线圈相邻。第二线圈与第三线圈相邻。

在图5中示出了上述实施例。在图5中，集成电路500的一部分被示出为形成在衬底501上。具有有第一层502、第二层504和形成在衬底501上的第三层506。在第一层502和第二层504之间有一个绝缘层508。在第二层504和第三层506之间也有一个绝缘层508。在这个例子中，第一线圈104形成在第三层506中。第二线圈106形成在第二层504中，第三线圈108形成在第一层502中。第一层502被示为与衬底500接触。层502、504、506之间的通孔可以用来连接各种线圈104、106、108。

第一线圈104具有第一轴线507。第二线圈106具有第二轴线505。第三线圈108具有第三轴线503。线圈104、106、108中的每一个都是平面的并且在其层内。轴线503、505、507的每个轴均垂直于其线圈104、106、108，并穿过其线圈104、106、108的中心。可以调整绝缘层的厚度，以调整线圈104、106、108之间的电容耦合和电感耦合。另外，轴线104、106、108的位置可以在二维平面内相对于彼此移位。这进一步允许调整线圈104、106、108之间的电感性和电容性耦合。

图6、7和8示出了三个视图，其示出了如何在如图5所示的层形成中堆叠线圈组件的线圈。图6、7和8所示的布置示出了通孔连接，其能够用于堆叠线圈组件102的实施，如图1、2和3所示。图4中的堆叠线圈组件102在三个线圈之间具有不同的连接。

在图6、7和8中，第一线圈104、106和108都是可见的。图6是顶视图。图7是从顶部看的透视图。图8是从底部看的透视图。在这些图中可以看出，第一线圈104、第二线圈106和第三线圈108都是平面线圈。这些线圈的中心未示出，但是每个线圈的中心可用于绘制轴的点。可以看出，三个线圈104、106和108中的每一个都不具有彼此对准的中心或轴线。线圈相对于彼此的定位允许调节互感。调整线圈的位置也可能会改变电容。但是，可以通过在不同线圈之间使用外部电容器并调整其值来分别控制线圈之间的电容耦合。线圈104、106、108的尺寸也是附加的设计参数。在许多常规系统中，仅使用两个线圈。使用额外的线圈可提供额外的设计变量，这些变量可用于增加带宽和减少传输损耗。存在用于在不同层之间连接的多个通孔700。如在图7和8中特别示出的，也可以调节线圈的迹线的宽度以及线圈之间的距离。在图8中，显然第三线圈108比其他两个线圈104、106更薄。这可以由所使用的CMOS工艺中的层的厚度来确定。在图8中，第三线圈108示出为更靠近第二线圈106。

当设计诸如图6、7和8所示的堆叠线圈组件时，可以改变多个设计参数。用于形成每个线圈的迹线的迹线宽度和间距可以变化。每个线圈的直径也可以变化。线圈之间的距离或位移也可以改变。

可以遵循的设计静电保护器件的设计方法可以包括建立具有ESD保护电路原理图的测试台(模拟)，并且其可以包含提取的寄生电容。设计方法还可以包括实施堆叠线圈组件和静电保护设备的其他组件的模型，该模型使用理想元件和参数来表示以下值：电感、线圈之间的耦合系数、电阻和电容。然后，可以通过在堆叠线圈组件中找到线圈的最佳尺寸和位置来优化这些值，从而获得最佳的眼孔，足够的S11和足够的ESD保护。

在图1所示的示例之后建模的静电保护设备，采用其阻抗匹配值为50欧姆阻抗来执行，因为通常将其视为事实上的标准。测量回波损耗的散射参数S11可用于评估阻抗匹配的性能和质量。-10dB或以下的回波损耗值表示良好的阻抗匹配。对图1所示电路的仿真表明，它可以实现足够好的输入阻抗匹配(例如，高达16GHz时S11<-10dB)。它还可以具有优势地满足ESD保护要求(例如，人体模型(HBM)>1kV，充电装置模型(CDM)>200V)。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。