TWI653799B - 能夠避免過電壓之損害的電路 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露了一種能夠避免操作啟動及/或停止瞬間之過電壓損害的電路，其一實施例包含一受保護電路與一保護電路。所述受保護電路接收一供電電壓以運作，並包含：一受保護元件，其中該受保護元件的一耐壓小於該供電電壓；以及至少一運作開關，用來依據一致能訊號致能或禁能該受保護電路。所述保護電路耦接該受保護元件，並於該致能訊號之一轉變前開始運作，以保護該受保護電路免於一過電壓所造成的損害，其中該過電壓大於該受保護元件的耐壓。
Description
本發明是關於保護電路，尤其是關於能夠避免操作啟動及/或停止瞬間之過電壓損害的電路。
在設計用於電子裝置的某一電路（例如運算放大器或偏壓電路）時，為了在較低的功耗及較少的電路面積下達到較佳的效能，會在該電路的主要訊號路徑上採用較低耐壓但效能較佳的元件，然而，因為該元件的耐壓較低，在電源切換/供應的瞬間或是收到異常的電壓干擾時，該元件所接收的電壓可能會超過該元件之耐壓的上限，從而造成該元件的壽命減少或損壞。為避免上述問題，某些先前技術為不耐壓的元件提供一般常見的電壓防護電路，然而，這樣的電壓防護電路可能會降低受保護電路的效能或是造成漏電等問題。
本發明之一目的在於提供一種電路，能夠避免操作啟動及/或停止瞬間之過電壓損害，從而保護該電路中的低耐壓元件。
本發明揭露了一種能夠避免過電壓之損害的電路，其一實施例包含一受保護電路與一保護電路。所述受保護電路用來依據至少一輸入訊號產生至少一輸出訊號，該受保護電路接收一供電電壓以運作，並包含：一受保護元件，用來接收該至少一輸入訊號，其中該受保護元件的一耐壓小於該供電電壓；以及至少一運作開關，用來依據一致能訊號致能或禁能該受保護電路。所述保護電路耦接於該受保護元件的一第一端與一第二端之間，其中該第一端用來接收該至少一輸入訊號，該保護電路於該致能訊號之一轉變前，依據一開關訊號開始運作，以保護該受保護元件免於一過電壓的損害，上述過電壓大於該受保護元件的該耐壓。
本發明之能夠避免過電壓之損害的電路的另一實施例包含一受保護電路與一保護電路。所述受保護電路接收一供電電壓以運作，並包含：一受保護元件，其中該受保護元件的一耐壓小於該供電電壓；以及至少一運作開關，用來依據一致能訊號致能或禁能該受保護電路。所述保護電路耦接該受保護元件，該保護電路於該致能訊號之一轉變前，依據一開關訊號開始運作，以保護該受保護元件免於一過電壓的損害，其中該過電壓大於該受保護元件的該耐壓。
於本發明之一實施例中，前述保護電路於該供電電壓之供應期間，持續地保護該受保護元件，無論該受保護元件是否被致能。
於本發明之一實施例中，前述保護電路包含至少一保護開關，該至少一保護開關用來依據該開關訊號致能或禁能該保護電路，其中在前述致能訊號之該轉變前，該保護電路先被致能。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。
以下說明內容之用語是參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋是以本說明書之說明或定義為準。
本發明揭露了一種電路，能夠於該電路中的一受保護電路被致能及/或禁能前，即致能該電路中的一保護電路或維持該保護電路的運作，藉此避免啟動及/或禁能瞬間之過電壓對該受保護電路中的低耐壓元件造成損害。
圖1顯示本發明之電路的一實施例。如圖1所示，本發明之電路100包含一受保護電路110、一保護電路120與一控制電路130。受保護電路110接收一供電電壓V
DD以運作，並包含一受保護元件與至少一運作開關（如圖2至圖4的實施例所示）。受保護電路110的受保護元件的耐壓小於該供電電壓；通常而言，耐壓是指一受保護元件所能容忍的電壓上限，換言之，超過該電壓上限的電壓可能損壞此受保護元件或縮短此受保護元件的壽命。受保護電路110的至少一運作開關用來依據一致能訊號，致能或禁能受保護電路110，受保護電路110於被致能或禁能的瞬間，可能收到一過電壓大於一或多個上述受保護元件的耐壓，因此需要保護電路120之保護。保護電路120耦接受保護電路110的受保護元件，並於該致能訊號之一轉變前開始運作，以保護該受保護元件免於上述過電壓的損害，該致能訊號的轉變是指從禁能受保護電路110到致能受保護電路110的轉變（或說從一禁能準位到一致能準位的轉變）及/或指從致能受保護電路110到禁能受保護電路110的轉變（或說從一致能準位到一禁能準位的轉變）；於一實施樣態中，保護電路120依據一開關訊號（如圖1之虛線所示）以開始運作或停止運作，從而在運作時提供保護，該開關訊號在此是相依於該致能訊號（如圖6所示）；於另一實施樣態中，保護電路120持續運作以一直提供保護，此時該開關訊號即非必要，或者該開關訊號是維持不變的而與該致能訊號無關。控制電路130用來產生該致能訊號，並可選擇性地用來產生該開關訊號，控制電路130的一實施例包含一時序產生電路（如圖5之實施例所示）或其等效電路。
圖2顯示圖1之受保護電路110與保護電路120的一實施例。如圖2所示，受保護電路110是一折疊運算放大器（folded cascade operational amplifier），用來依據一差動輸入訊號（V
IN+、V
IN-）產生一差動輸出訊號（V
OUT+、V
OUT-），受保護電路110包含：一電晶體對210（圖2之PMOS電晶體
M1、
M2），用來接收該差動訊號；以及複數個運作開關220（圖2之PMOS電晶體
M4、
M11、
M12），用來接收一致能訊號POWDB以致能或禁能受保護電路110。為增進效能，電晶體對210具有高效能但低耐壓，因此容易被一過電壓損壞，故電晶體對210需要被保護而作為受保護元件。保護電路120包含複數個電晶體（圖2之PMOS電晶體
MP1、
MP2），耦接於電晶體對210的訊號輸入端（閘極）與訊號輸出端（汲極）之間；保護電路120於致能訊號POWDB之轉變前就開始運作（亦即圖2之電晶體
MP1、
MP2作為保護開關，於致能訊號POWDB之轉變前就被導通），以在受保護電路110被致能及/或禁能的瞬間，限制電晶體對210之每一電晶體的跨壓，從而保護電晶體對210免於一過電壓所造成的損害；另外，保護電路120是依據開關訊號POWB_protect被致能或禁能，並於被致能的期間提供保護功能，開關訊號POWB_protect可由圖5的控制電路130或其等效電路來產生。由於圖2之折疊運算放大器的其它電路（亦即電晶體
M3、
M5~
M10、
M13~
M16及其連接）的控制與運作屬本領域的通常知識，因此相關細節在此省略。
圖3顯示圖1之受保護電路110與保護電路120的另一實施例。相較於圖2，圖3的保護電路120進一步包含電晶體
MD1與電晶體
MD2，電晶體
MD1與電晶體
MD2均為二極體連接式（diode-connected）電晶體，充當限壓元件，用來於保護電路120提供保護時，決定電晶體對210之訊號輸入端與訊號輸出端之間的一電壓差，藉此使該電壓差不會大於電晶體對210之任一電晶體的耐壓；此外，於一實施樣態中，圖3之保護電路120是依據開關訊號POWB_protect被致能或禁能，並於被致能的期間提供保護功能；於另一實施樣態中，圖3的保護電路120是在受保護電路110接收供電電壓V
DD後，依據開關訊號POWB_protect來持續提供保護功能（亦即開關訊號POWB_protect維持不變以持續開啟電晶體
MP1、
MP2，無論受保護電路110是否被致能），直到供電電壓V
DD不被供應為止，換言之，等效上電晶體
MP1、
MP2與開關訊號在此可以省略。
圖4顯示圖1之受保護電路110與保護電路120的另一實施例。如圖4所示，受保護電路110是一偏壓電路，接收一偏壓V
B，並包含：一電晶體410（圖4之PMOS電晶體
MB2，作為受保護元件）；以及一運作開關420（圖4之NMOS電晶體
MB4），用來接收一致能訊號POWD（其相當於前述致能訊號POWDB的反相訊號），以致能或禁能受保護電路110。為增進效能，電晶體410具有高效能但低耐壓，因此容易被一過電壓損壞，故電晶體410需要被保護而作為受保護元件。保護電路120包含一電晶體（圖4之PMOS電晶體
MP1），耦接於電晶體410的閘極與汲極之間；保護電路120於致能訊號POWD之轉變前就開始運作（亦即圖2之電晶體
MP1作為一保護開關，於致能訊號POWD之轉變前就被導通），以在受保護電路110被致能及/或禁能時，保護電晶體410免於一過電壓所造成的損害；另外，保護電路120是依據開關訊號POWB_protect被致能或禁能，並於被致能的期間提供保護功能，此時開關訊號POWB_protect可由圖5的控制電路130或其等效電路來產生。由於圖4之偏壓電路的其它電路（亦即電晶體
MB1、
MB3、
MB5、
MB6及其連接）的控制與運作屬本領域的通常知識，因此相關細節在此省略。
值得注意的是，前述實施例中，每個未受保護的電晶體（例如圖2與圖3之電晶體
M3、
M5~
M10與
M13~
M16，以及圖4之電晶體
MB1與
MB3~
MB6）的耐壓（例如高於供電電壓V
DD）高於該受保護元件（例如圖2與圖3的電晶體對210，以及圖4的電晶體
MB2）的耐壓（例如低於供電電壓V
DD），然而在實施為可能的前提下，此並非本發明的實施限制。另值得注意的是，雖然圖2至圖4的實施例中，保護電路120是耦接於該受保護元件的閘極與汲極之間，然而這不是本發明的實施限制；本發明之保護電路可耦接於任何需要被保護的元件/電路的二端，以實現防護效果，舉例來說，當該受保護元件是一電晶體時，本發明之保護電路可耦接於該電晶體的汲極與源極之間。
圖5顯示圖1之控制電路130的一實施例。如圖5所示，控制電路130包含一延遲電路510、一第一邏輯閘電路520與一第二邏輯閘電路530。延遲電路510用來延遲一控制訊號POW之輸出達一預定時間，以產生一延遲訊號DS。第一邏輯閘電路520包含：一或閘（OR gate）522，用來依據延遲訊號DS與控制訊號POW產生一反相致能訊號POWD；以及一反相器524，用來依據反相致能訊號POWD產生前述致能訊號POWDB。第二邏輯閘電路530包含：一反及閘（NAND gate）532，用來依據延遲訊號DS與控制訊號POW產生一反相開關訊號POW_protect；以及一反相器534，用來依據反相開關訊號POW_protect產生前述開關訊號POWB_protect。上述各訊號的時序圖以及與訊號相關聯的受保護電路110及保護電路120的狀態如圖6所示，其中POWB是控制訊號POW的反相訊號，標記「on」與「off」分別代表電路的狀態為「致能」與「禁能」，另外，各訊號的波形僅為示意，非用以限制本發明。請注意，視實施需求（例如圖2至圖4的運作開關及/或保護開關是由NMOS組成時），圖5之反相器524及/或反相器534是可以省略的，此時，該致能訊號為POWD及/或該開關訊號為POW_protect。另請注意，本領域具有通常知識者可用等效於控制電路130的已知或自行開發的電路來產生該致能訊號及/或該開關訊號；或者本領域具有通常知識者可用其它已知或自行開發的電路來產生該致能訊號及/或該開關訊號，只要該其它電路所產生的開關訊號能夠在該致能訊號之轉變前，致能保護電路即可。
請注意，在實施為可能的前提下，本技術領域具有通常知識者可選擇性地實施前述任一實施例中部分或全部技術特徵，或選擇性地實施前述複數個實施例中部分或全部技術特徵的組合，藉此增加本發明實施時的彈性。另請注意，實施本發明者，可依其需求來決定運作開關與保護電路的電晶體種類（例如PMOS電晶體與NMOS電晶體）。
綜上所述，本發明之電路能夠避免啟動瞬間之過電壓對該電路中的低耐壓元件造成損害，因此，本發明之電路能透過該低耐壓元件達到較佳的電路效能，並確保該低耐壓元件的可靠度與使用壽命。另外，受惠於本發明的電路保護設計，本發明之電路的製造可採用一般標準的CMOS製程，無需特別顧慮低耐壓元件的耐壓程度。
雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧能夠避免操作啟動與停止瞬間之過電壓損害的電路
110‧‧‧受保護電路
120‧‧‧保護電路
130‧‧‧控制電路
V
DD‧‧‧供電電壓
210‧‧‧電晶體對（受保護元件）
220‧‧‧電晶體（運作開關）
M1~
M16‧‧‧電晶體
MP1、
MP2‧‧‧電晶體（保護開關）
V
IN+、V
IN-‧‧‧差動輸入訊號
V
OUT+、V
OUT-‧‧‧差動輸出訊號
POWDB‧‧‧致能訊號
POWB_protect‧‧‧開關訊號
MD1、
MD2‧‧‧電晶體（限壓元件）
410‧‧‧電晶體（受保護元件）
420‧‧‧電晶體（運作開關）
MB1~
MB6‧‧‧電晶體
MP1‧‧‧電晶體（保護開關）
V
B‧‧‧偏壓
510‧‧‧延遲電路
520‧‧‧第一邏輯閘電路
522‧‧‧或閘（OR gate）
524‧‧‧反相器
530‧‧‧第二邏輯閘電路
532‧‧‧反及閘（NAND gate）
534‧‧‧反相器
POW‧‧‧控制訊號
DS‧‧‧延遲訊號
POWD‧‧‧反相致能訊號
POW_protect‧‧‧反相開關訊號
on‧‧‧電路被致能
off‧‧‧電路被禁能
［圖1］顯示本發明之能夠避免過電壓之損害的電路的一實施例； ［圖2］顯示圖1之受保護電路與保護電路的一實施例； ［圖3］顯示圖1之受保護電路與保護電路的另一實施例； ［圖4］顯示圖1之受保護電路與保護電路的另一實施例； ［圖5］顯示圖1之控制電路的一實施例；以及 ［圖6］顯示圖5之訊號的時序圖以及與訊號相關聯的電路狀態。
Claims (10)
- 一種能夠避免過電壓之損害的電路，包含：一受保護電路，依據至少一輸入訊號產生至少一輸出訊號，該受保護電路接收一供電電壓以運作，包含：一受保護元件，用來接收該至少一輸入訊號；以及至少一運作開關，用來依據一致能訊號致能或禁能該受保護電路；以及一保護電路，耦接於該受保護元件的一第一端與一第二端之間，其中該第一端用來接收該至少一輸入訊號，該保護電路於該致能訊號之一轉變前，依據一開關訊號開始運作，以保護該受保護元件免於一過電壓之損害，該過電壓大於該受保護元件的一耐壓(withstanding voltage)。
- 如申請專利範圍第1項所述之能夠避免過電壓之損害的電路，其中該受保護元件是一電晶體對，該第一端是該電晶體對的二閘極，該第二端是該電晶體對的二汲極或二源極。
- 如申請專利範圍第1項所述之能夠避免過電壓之損害的電路，其中該保護電路包含一保護開關，依據該開關訊號致能或禁能該保護電路，以在該致能訊號之該轉變前，致能該保護電路。
- 如申請專利範圍第3項所述之能夠避免過電壓之損害的電路，其中該保護電路進一步包含至少一限壓元件，該至少一限壓元件用來限制該受保護元件的該第一端與該第二端之間的一電壓。
- 如申請專利範圍第3項所述之能夠避免過電壓之損害的電路，進一步包含：一控制電路，用來依據一控制訊號產生該致能訊號與該開關訊號。
- 如申請專利範圍第5項所述之能夠避免過電壓之損害的電路，其中該控制電路包含：一延遲電路，用來依據該控制訊號產生一延遲訊號；一第一邏輯閘電路，用來依據該延遲訊號與該控制訊號產生該致能訊號；以及一第二邏輯閘電路，用來依據該延遲訊號與該控制訊號產生該開關訊號，其中該第二邏輯閘電路不同於該第一邏輯閘電路。
- 一種能夠避免過電壓之損害的電路，包含：一受保護電路，接收一供電電壓以運作，包含：一受保護元件；以及至少一運作開關，用來依據一致能訊號致能或禁能該受保護電路；一保護電路，耦接該受保護元件，該保護電路於該致能訊號之一轉變前，依據一開關訊號開始運作，以保護該受保護元件免於一過電壓之損害，其中該過電壓大於該受保護元件的一耐壓，該保護電路包含至少一保護開關，該至少一保護開關依據該開關訊號致能或禁能該保護電路，該開關訊號是於該致能訊號之該轉變前，致能該保護電路；以及一控制電路，用來依據一控制訊號產生該致能訊號與該開關訊號。
- 如申請專利範圍第7項所述之能夠避免過電壓之損害的電路，其中該保護電路於該供電電壓之一供應期間持續運作。
- 如申請專利範圍第7項所述之能夠避免過電壓之損害的電路，其中該保護電路耦接於該受保護元件的一第一端與一第二端之間，該受保護元件是一電晶體對，該第一端是該電晶體對的二閘極，該第二端是該電晶體對的二汲極或二源極。
- 如申請專利範圍第7項所述之能夠避免過電壓之損害的電路，其中該保護電路耦接於該受保護元件的一第一端與一第二端之間，該保護電路進一步包含至少一限壓元件，該至少一限壓元件用來限制該受保護元件的該第一端與該第二端之間的一電壓。
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