JPH07176682A - 過電圧保護回路 - Google Patents

過電圧保護回路

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JPH07176682A
JPH07176682A JP6268372A JP26837294A JPH07176682A JP H07176682 A JPH07176682 A JP H07176682A JP 6268372 A JP6268372 A JP 6268372A JP 26837294 A JP26837294 A JP 26837294A JP H07176682 A JPH07176682 A JP H07176682A
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JP
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protection circuit
overvoltage protection
voltage divider
voltage
connection point
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JP6268372A
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Mark Stephen John Mudd
ステファン ジョン マッド マーク
Ross Addinall
アディナル ロス
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Plessey Semiconductors Ltd
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Plessey Semiconductors Ltd
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    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
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    • H02H9/046Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage adapted to a particular application and not provided for elsewhere responsive to excess voltage appearing at terminals of integrated circuits
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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  • Amplifiers (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高電圧供給線で動作する回路内で従来のダイ
オードクランプに代えて使用される過電圧保護回路を提
供すること。 【構成】 過電圧保護回路はトーテムポール形態で直列
に接続された半導体スイッチング素子と2つの分圧器か
ら成っている。各素子は制御端子と2つの主伝動端子を
有する。スイッチング素子の制御端子と主端子の接合点
のそれぞれには分圧器のタップ点から給電されるように
なっている。直列接続されたスイッチング素子と2つの
分圧器の両方は基準接続点(零ボルト)と静電放電から
保護されるべき接続点との間に接続されている。分圧器
の抵抗素子は、静電放電がないとき、全てのスイッチン
グ素子がカットオフとなり、それぞれの主端子の両端で
電圧が実質的に等しくなるように配列されている。同様
の回路は低圧集積法に基づて形成されてはいるが、高電
圧電源線(例えば30V)を有する集積回路内で有効に
採用することが可能である。スイッチング素子はバイポ
ーラトランジスタでよく、好ましくはダーリントン対に
することが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、過電圧保護回路、特に
限定するわけではないが、高圧電源と共に使用する集積
回路デバイス用静電放電保護回路に関する。
【0002】
【従来の技術】集積回路は往々にしてデバイス内の能動
素子を過負荷にして永久的な損傷を引き起こす過度電圧
によって損傷を受ける。多くのデバイスでは内部の過度
電圧保護に図1に示すようにダイオードが用いられてい
る。図1で、ダイオード11及び12が、集積能動回路
14(例えば増幅器)の入力接続点13に接続されて通
常の動作時に逆バイアスとなり、接続点13で通常の電
源電圧の範囲を越えて過度電圧を受けると、ダイオード
11及び12の一方又は他方が順バイアスとなって能動
回路の内部回路を保護する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、低圧デバイス
を、もともと生産するような方法で作られた集積回路と
共に高圧電源が使用されることがある場合には問題が起
こる。このような状況のもとでは、ダイオードを形成す
る半導体接合部に絶縁破壊を引き起こすような電圧降下
がダイオードに生じることがある。この例としては、例
えばちょうど15Vの絶縁破壊電圧を有するデバイスか
ら成る集積回路に30Vの電源を使用した場合である。
そこで、従来のダイオードクランプの代わりに上述の欠
点を解消する過電圧保護回路を提供することが望まれ
る。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明の1態様によれ
ば、第1基準接続点と、該第1接続点と関連して過電圧
に対して保護される第2接続点との間に接続される、過
電圧保護回路であって、該保護回路は前記2接続点間に
直列に接続される多数の制御可能なスイッチング素子と
該多数のスイッチング素子に接続されるバイアス手段か
ら成り、前記各スイッチング素子は制御端子と第1及び
第2主端子を有し、前記バイアス手段は過電圧がないと
き前記多数のスイッチング素子を実質上非導通状態にし
て各スイッチング素子の第1及び第2端子間にそれぞれ
の素子の定格値の範囲内で電位差を生じさせる過電圧保
護回路が提供される。この装置の利点は、たとえ第2接
続点の電位差が、使用されているスイッチングデバイス
の定格限度を越えて瞬間的にかなり高くなったとして
も、全てのスイッチング素子両端の電圧が定格限度内に
保たれることにある。バイアス手段は第1及び第2分圧
器チェーンで構成して、各チェーンを第1及び第2接続
点間に接続してもよい。第1分圧器チェーンは多数の第
1タップ点を有すると共に第2分圧器チェーンは多数の
第2タップ点を有し、第2タップ点の数は第1タップ点
の数マイナス1に等しく、第1分圧器チェーンのタップ
点は多数のスイッチング素子の対応する制御端子に接続
され、かつ第2分圧器チェーンのタップ点は多数のスイ
ッチング素子の対応する主端子接続点に接続される。2
つの分圧チェーンのタップ点での電位は、直列構造(ト
ーテムポール)内の全スイッチング素子がカットオフ状
態になることを保証すると同時にスイッチング素子の両
端の電圧が定格値を越えないことを保証するために、各
チェーンの全分圧素子のインピーダンス値を適当に選択
して設定してある。本発明の過電圧保護回路は、任意の
不動電圧(公称設定値30〜35Vよりさらに高い電
圧)で使用できるように、トーテムポール内のスイッチ
ング段の数を単に変え、すなわち電圧をより高くする場
合には段数を更に増やすことによって、変更使用するよ
うにしてもよい。好ましくは、第2分圧器チェーン内の
全分圧素子は実質上同じインピーダンス値に、かつ第1
分圧器チェーン内の全分圧素子も第1接続点に接続され
た第1チェーン内の素子を除いて同様で、除外素子はそ
のチェーンの他の素子のインピーダスよりも低くするこ
とが望ましい。第2チェーンでインピーダンス値を等し
くすることは、不動状態(すなわち非過電圧)で、出力
間の電圧を同じにすることを保証する。こうすることに
よって1のスイッチング素子に他のものに比べて余計な
負担が掛からないようになる。より低いインピーダンス
値を第1分圧器チェーン内の第1接続点に最も近い分圧
素子に使用するのは、第1接続点に最も近いスイッチン
グ素子が不動状態の下ではっきりターンオフになること
を保証するためである。スイッチング素子はバイポーラ
トランジスタでよく、好ましくはダーリントン対にする
ことが望ましい。ダーリントン対を使用することで、E
SDが起こったとき、各対の出力トランジスタのベース
に全トーテムポール段を確実にターンオンにするに十分
な電流を流し、そうすることによって第2接続点でクラ
ンプ動作を引き起こすと同時にESD内のエネルギの放
散を保証する。本発明は第2接続点の電位が第1接続点
よりも高いシステムに使用してもよく、逆に電位が第1
接続点(ECLシステム)よりも低いところで使用して
もよい。いずれの場合も、トランジスタはNPNタイプ
でもPNPタイプでもよい。しかし、PNPタイプを使
用した場合、この種のトランジスタでは電流処理能力が
劣るため過電圧保護能力もその分劣る。本発明の第2態
様によれば上述したような過電圧保護回路から成る能動
集積回路が提供される。
【0005】
【作用及び実施例】以下、添付図面を参照してその例に
より本発明の実施例を説明する。図2を参照すると、正
ダイオードクランプ11が本発明にかかる静電放電(E
SD)保護回路20の第1実施例に取って代えられてい
る。このような保護(クランプ)回路の構成が図3に示
されている。
【0006】図3において、クランプ回路20は多数の
ダーリントンNPN増幅段21,24,27で構成さ
れ、これらは保護されるべき接続点13と零ボルト基準
電位接続点51間でトーテムポール構成で配置されてい
る。分圧器チェーン30は抵抗体31,32,33及び
34から成り、これは接続点13と基準接続点51間に
接続され、さらにまた分圧器チェーン40は抵抗体4
1,42及び43から成り、これは同一の2つの接続点
間に接続されている。第1分圧器チェーンのタップ点3
5,36,37はダーリントン入力トランジスタの各ベ
ースに設けられており、これに対してタップ点44及び
45はダーリントン出力トランジスタ23,26及び2
9のエミッタ─コレクタの接続点に設けられている。抵
抗体52がトランジスタ28のエミッタと基準接続点5
1間に接続されている。
【0007】抵抗体31,32及び33の値は等しく
(例えば100k)、これに対して抵抗体34の値はか
なり小さい(例えば8k)。これら抵抗体の相対的な値
は、正常な動作状態(非過電圧)の下で、ダーリントン
27、並びにダーリントン21及び24もオフ状態にバ
イアスすることを保証して選定する。抵抗体52はトラ
ンジスタ29のベース電流の分路を構成してトランジス
タ29がオフ状態を保つのを保証する。抵抗体41,4
2及び43も同様に値(例えば100k)が等しく、ト
ランジスタ23,26及び29のエミッタ─コレクタ接
続点を、保護回路用の電源電圧、すなわち保護されるべ
き接続点13に現れる電圧の1/3及び2/3にバイア
スする。したがって、30〜35Vの接合点の正常な動
作電圧の下では、回路内のどのトランジスタもコレクタ
とエミッタ間で12Vを越えることがない。したがっ
て、電位差はこれらトランジスタのBVCC及びその外の
破壊電圧を越えない。代表的な抵抗値と不動(非ES
D)電圧値は、図3に記載されている。
【0008】以下、正のESD事件(ザップ)が起こっ
て、接続点13の電圧が急激に上がったとしよう。この
接続点での所定の電圧で、接続点37の電圧はトランジ
スタ28をターンオンさせるに十分となり、抵抗体41
及び42を通してトランジスタ28に吸い込まれる過度
の電流のため、順次ダーリントン21及び24をスイッ
チオンにしてタップ点44及び45の電位を下げる。接
続点13の電圧が更に上がると、抵抗体34の両端の電
圧も、同様にトランジスタ29をターンオンさせるのに
十分となる。トランジスタ29のベース電流がトランジ
スタ28を通してかなり流れることになるので、その結
果大きな電流が出力トランジスタ23,26,29のコ
レクタを通して流れる。この大電流で、ESDザップ内
のエネルギを十分に放散させることによって、接続点1
3の電位を、デバイスを破壊させるようなレベルまで上
げないようにする。ESDエネルギが放散されてしまっ
た後、接続点13の電位は正常なレベルに戻り、ダーリ
ントン21,24及び27がオフ状態に戻る。
【0009】回路のカットイン電圧、すなわちトランジ
スタ28が導通し始める電圧は、抵抗体34の値と分圧
器チェーン30内の他の抵抗体の値と関連して定まる。
図3に示した抵抗値だと、カットインは、接続点13の
電位が約45Vまで上昇したときに、起こる。その電圧
においては、トーテムポール内の各トランジスタの両端
で15Vの電圧降下が生じ、その電圧は実際の集積法で
許容される最大値に近くなるかもしれない。
【0010】ESD保護回路は集積回路の製造法と関連
して記述してきたけれども、ディスクリート形態で回路
を形成してもよいことは明らかである。実際、回路は開
発中発明者によって図3に示すように、構成部品の値を
35Vの正常な動作電圧や45Vのカットイン電圧に設
定するために、ディスクリート形態で組み立てられる。
デバイスのESD保護は軍用規格883HBMザップ試
験を使用して8kVまで行われた。
【0011】能動集積回路内の信号接続点の保護に使用
するのに適していると同時に本発明のESD保護回路は
この種の集積回路に供給する電圧供給線をクランプする
のに用いることも可能である。したがって、図2に示さ
れたクランプ回路20も正の電源線を正方向の静電放電
から保護するために、図1及び図2の両方に示された負
ダイオードクランプ15と平行して用いることも可能で
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】既知のESD保護手段を有する集積回路部分を
示した概略図である。
【図2】本発明の第1実施例にかかわるESD保護回路
を有する集積回路部分を示した概略図である。
【図3】本発明の第1実施例にかかわるESD保護回路
の概略図である。
【符号の説明】
13 第2接続点 20 ESD保護回路 21,24,27 ダーリントン対 30 第1分圧器チェーン 40 第2分圧器チェーン 51 第1接続点
フロントページの続き (72)発明者 ロス アディナル イギリス,ジーエル7 5エルエフ,グロ スターシア,サイアランセスター,マース トン ヒル ハウス,フラット エフ (番地なし)

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1基準接続点と、該第1接続点と関
    連して過電圧に対して保護される第2接続点との間に接
    続される、過電圧保護回路であって、該保護回路は前記
    2接続点間に直列に接続される多数の制御可能なスイッ
    チング素子と該多数のスイッチング素子に接続されるバ
    イアス手段から成り、前記各スイッチング素子は制御端
    子と第1及び第2主端子を有し、前記バイアス手段は過
    電圧がないとき前記多数のスイッチング素子を実質上非
    導通状態にして各スイッチング素子の第1及び第2端子
    間にそれぞれの素子の定格値の範囲内で電位差を生じさ
    せることを特徴とする過電圧保護回路。
  2. 【請求項2】 前記バイアス手段は第1及び第2分圧
    器チェーンから成り、各チェーンは前記第1及び第2接
    続点間に接続されていることを特徴とする請求項1記載
    の過電圧保護回路。
  3. 【請求項3】 前記第1分圧器チェーンは多数の第1
    タップ点を有すると共に前記第2分圧器チェーンは多数
    の第2タップ点を有し、該第2タップ点の数は第1タッ
    プ点の数マイナス1に等しく、前記第1分圧器チェーン
    のタップ点は前記多数のスイッチング素子の対応する制
    御端子に接続されており、かつ前記第2分圧器チェーン
    のタップ点は前記多数のスイッチング素子の対応する主
    端子接続点に接続されていることを特徴とする請求項2
    記載の過電圧保護回路。
  4. 【請求項4】 前記第2分圧器チェーン内の全分圧素
    子は実質的に同じインピーダンス値を有し、かつ前記第
    1分圧器チェーン内の全分圧素子は前記第1接続点に接
    続された素子を除いて実質的に同じインピーダンス値を
    有することを特徴とする請求項3記載の過電圧保護回
    路。
  5. 【請求項5】 前記スイッチング素子はバイポーラト
    ランジスタであることを特徴とする前項いずれか1記載
    の過電圧保護回路。
  6. 【請求項6】 前記トランジスタはダーリントン対で
    あることを特徴とする請求項5記載の過電圧保護回路。
  7. 【請求項7】 前記トランジスタはNPNトランジス
    タであることを特徴とする請求項5又は6記載の過電圧
    保護回路。
  8. 【請求項8】 前記トランジスタはPNPトランジス
    タであることを特徴とする請求項5又は6記載の過電圧
    保護回路。
  9. 【請求項9】 前項いずれか1記載の過電圧保護回路
    から成る能動集積回路。
JP6268372A 1993-11-03 1994-10-06 過電圧保護回路 Pending JPH07176682A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB9322697A GB2283622B (en) 1993-11-03 1993-11-03 Overvoltage protection circuit
GB9322697.5 1993-11-03

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH07176682A true JPH07176682A (ja) 1995-07-14

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ID=10744598

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP6268372A Pending JPH07176682A (ja) 1993-11-03 1994-10-06 過電圧保護回路

Country Status (7)

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US (1) US5568345A (ja)
EP (1) EP0651490B1 (ja)
JP (1) JPH07176682A (ja)
AT (1) ATE167337T1 (ja)
DE (1) DE69410929T2 (ja)
ES (1) ES2119087T3 (ja)
GB (1) GB2283622B (ja)

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