一种静电放电电路及信号传输系统的制作方法

1.本发明涉及安全防护领域，特别是涉及一种静电放电电路及信号传输系统。


背景技术：

2.在器件生产、组装、测试、存放及搬运过程中都有可能会产生静电，静电会累积在人体或者器件中，在某些情况下，静电会形成放电路径以释放累积的静电。其中，静电释放时的产生的静电电压瞬间会达到非常高的电压（通常为几千伏），可能会造成器件或者仪器的损坏，例如信号发送装置在向信号接收装置发送信号时，极有可能将静电通过信号传输通道传输至信号接收装置，从而可能会由于静电电压过大导致信号接收装置直接损坏。因此，设计一种静电放电电路以释放静电电压，从而避免对器件或仪器造成损坏是十分必要的。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种静电放电电路及信号传输系统，在保证静电电压释放的反应时间的同时，还可以避免第一开关电路或第二开关电路被击穿，保证了电路的安全性和可靠性。此外，即使第一开关电路或第三开关电路被击穿，第二开关电路或第四开关电路还可以继续对静电电压进行释放，进一步避免了信号接收装置被损坏。
4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种静电放电电路，包括第一开关模块和第二开关模块，所述第一开关模块包括第一开关电路和第二开关电路，所述第二开关模块包括第三开关电路及第四开关电路；所述第一开关电路的第一端分别与信号发送装置的输出端、信号接收装置的输入端、所述第二开关电路的第一端、所述第三开关电路的第一端及所述第四开关电路的第一端连接，所述第一开关电路的第二端分别与所述第二开关电路的第二端及电源端连接，所述第三开关电路的第二端分别与所述第四开关电路的第二端及地端连接；所述第一开关模块用于在所述信号发送装置的输出端存在负向静电电压导通；所述第二开关模块用于在所述信号发送装置的输出端存在正向静电电压导通；所述第二开关电路的击穿电压大于所述第一开关电路的击穿电压，所述第四开关电路的击穿电压大于所述第三开关电路的击穿电压；所述第一开关电路的导通临界电压小于所述第二开关电路的导通临界电压，所述第三开关电路的导通临界电压小于所述第四开关电路的导通临界电压。
5.优选地，所述第一开关电路包括第一二极管，所述第三开关电路包括第二二极管；所述第一二极管的阳极为所述第一开关电路的第一端，所述第一二极管的阴极为所述第一开关电路的第二端，所述第二二极管的阳极为所述第三开关电路的第一端，所述第二二极管的阴极为所述第三开关电路的第二端。
6.优选地，所述第一二极管及所述第二二极管均为肖特基二极管。
7.优选地，所述第二开关电路包括第一可控开关及第一电容，所述第四开关电路包
括第二可控开关及第二电容；所述第一电容的第一端与所述第一可控开关的第一端连接，并作为所述第二开关电路的第一端，所述第一电容的第二端与所述第一可控开关的控制端连接，所述第一可控开关的第二端为所述第二开关电路的第二端；所述第二电容的第一端与所述第二可控开关的第一端连接，并作为所述第四开关电路的第一端，所述第二电容的第二端与所述第二可控开关的控制端连接，所述第二可控开关的第二端为所述第四开关电路的第二端；所述第一可控开关用于在所述信号发送装置的输出端有正向静电电压时，使自身的第一端和第二端之间导通；所述第二可控开关用于在所述信号发送装置的输出端有负向静电电压时，使自身的第一端和第二端之间导通。
8.优选地，所述第一可控开关为p沟道金属氧化物半导体pmos管，所述第二可控开关为n沟道金属氧化物半导体nmos管；所述pmos管的栅极为所述第一可控开关的控制端，所述pmos管的漏极为所述第一可控开关的第一端，所述pmos管的源极为所述第一可控开关的第二端；所述nmos管的栅极为所述第二可控开关的控制端，所述nmos管的漏极为所述第二可控开关的第一端，所述nmos管的源极为所述第二可控开关的第二端。
9.优选地，所述第二开关电路还包括设置于所述pmos管的栅极和源极之间的第一电阻。
10.优选地，所述第四开关电路还包括设置于所述nmos管的栅极和源极之间的第二电阻。
11.优选地，还包括第三电阻及第四电阻；所述第三电阻设置于所述信号发送装置的输出端与所述第一开关模块的第一端之间，所述第四电阻设置于所述第一开关模块的第一端与所述信号接收装置的输入端之间。
12.为解决上述技术问题，本发明还提供了一种信号传输系统，包括上述所述的静电放电电路，还包括信号发送装置及信号接收装置。
13.本技术提供了一种静电放电电路及信号传输系统，在存在正向静电电压时，静电电压通过第二开关模块将静电电压释放至地端；在存在负向静电电压时，静电电压通过第一开关模块将静电电压释放至电源端。由于第一开关模块中使用导通临界电压较小的第一开关电路及击穿电压较大的第二开关电路，及第二开关模块中使用导通临界电压较小的第三开关电路及击穿电压较大的第四开关电路，两个开关电路可以均流，从而在保证静电电压释放的反应时间的同时，还可以避免第一开关电路或第二开关电路被击穿，保证了电路的安全性和可靠性。此外，即使第一开关电路或第三开关电路被击穿，第二开关电路或第四开关电路还可以继续对静电电压进行释放，进一步避免了信号接收装置被损坏。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获
得其他的附图。
15.图1为现有技术中的一种静电放电电路的电路示意图；图2为现有技术中的第一种静电放电电路放电时的电流示意图；图3为现有技术中的第二种静电放电电路放电时的电流示意图；图4为本发明提供的一种静电放电电路结构框图；图5为本发明提供的一种静电放电电路的具体实现方式的示意图；图6为本发明提供的正向静电电压释放时的电流流向示意图；图7为本发明提供的负向静电电压释放时的电流流向示意图；图8为肖特基二极管或pn接面二极管工作的v
‑
i曲线示意图；图9为mos管工作的v
‑
i曲线示意图。
具体实施方式
16.本发明的核心是提供一种静电放电电路及信号传输系统，在保证静电电压释放的反应时间的同时，还可以避免第一开关电路或第二开关电路被击穿，保证了电路的安全性和可靠性。此外，即使第一开关电路或第三开关电路被击穿，第二开关电路或第四开关电路还可以继续对静电电压进行释放，进一步避免了信号接收装置被损坏。
17.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.在对本技术的静电放电电路进行说明之前，请参照图1、图2和图3，图1为现有技术中的一种静电放电电路的电路示意图，图2为现有技术中的第一种静电放电电路放电时的电流示意图，图3为现有技术中的第二种静电放电电路放电时的电流示意图。现有技术中通常使用二极管设计静电放电电路，二极管可以为pn接面二极管或肖特基二极管。在静电放电电路遭到正向的静电电压（+2kv~+8kv）时，放电的电流流向如图2所示；在静电放电电路遭到负向的静电电压（
‑
2kv~
‑
8kv）时，放电的电流流向如图3所示。
19.但是，现有技术中若使用pn接面二极管作为静电放电电路的电子器件时，由于pn接面二极管的导通临界电压较高，反应时间较长，不能及时地将静电电压放电以达到保护的作用，存在一定的风险。若使用肖特基二极管作为静电放电电路的电子器件时，由于肖特基二极管的导通临界电压较小，反应时间较短，虽然可以较快的将静电电压释放，但是肖基特二极管的反向击穿电压较小，在肖基特二极管两端的反向电压较大时，容易达到反向击穿电压，或肖特基二极管两端的反向时间较长时导致通过的反向电流较大且时间较长，容易产生二极管热崩溃，进而可能会造成静电放电电路和元器件的损坏。
20.请参照图4，图4为本发明提供的一种静电放电电路结构框图，该电路包括第一开关模块1和第二开关模块2，第一开关模块1包括第一开关电路11和第二开关电路12，第二开关模块2包括第三开关电路21及第四开关电路22；第一开关电路11的第一端分别与信号发送装置的输出端、信号接收装置的输入端、第二开关电路12的第一端、第三开关电路21的第一端及第四开关电路22的第一端连接，第一开关电路11的第二端分别与第二开关电路12的第二端及电源端连接，第三开关电路21
的第二端分别与第四开关电路22的第二端及地端连接；第一开关模块1用于在信号发送装置的输出端存在负向静电电压导通；第二开关模块2用于在信号发送装置的输出端存在正向静电电压导通；第二开关电路12的击穿电压大于第一开关电路11的击穿电压，第四开关电路22的击穿电压大于第三开关电路21的击穿电压；第一开关电路11的导通临界电压小于第二开关电路12的导通临界电压，第三开关电路21的导通临界电压小于第四开关电路22的导通临界电压。
21.本技术考虑到静电电压对电子器件存在的风险，且考虑到现有技术中的静电放电电路存在反应时间长或者容易出现热崩溃现象的弊端。
22.因此，本技术的设计思路为：提供一种静电放电电路，以尽可能的减小对静电电压进行放电的反应时间，并提高静电放电电路的击穿电压。
23.基于此，本技术中的静电放电电路包括能够对正向静电电压进行放电的第二开关模块2，及对负向静电电压进行放电的第二开关模块2，从而实现对所有静电电压的释放，避免静电电压对信号输出装置造成损坏。此外，本技术中的第一开关模块1包括击穿电压较小且导通临界电压较小的第一开关电路11及击穿电压较大且导通临界电压较大的第二开关电路12，本技术中的第二开关模块2包括击穿电压较小且导通临界电压较小的第三开关电路21及击穿电压较大且导通临界电压较大的第四开关电路22。
24.进而，在信号发送装置的输出端存在负向静电电压时，导通临界电压较小的第一开关电路11先导通，进而可以尽快的对静电电压进行释放；在负向静电电压持续时间较大时，此时第一开关电路11有达到击穿电压的风险，此时由于第二开关电路12可以与第一开关电路11分流，此时，可以降低第一开关电路11达到击穿电压的风险，此外，即使第一开关电路11达到击穿电压，从而第一开关电路11不能使用，由于第二开关电路12的击穿电压大于第二开关电路12的击穿电压，此时，对应的第二开关电路12还可以正常使用，从而仍可以继续实现对负向静电电压的释放。
25.同样的，在信号发送装置的输出端存在正向静电电压时，导通临界电压较小的第三开关电路21先导通，进而可以尽快的对静电电压进行释放；在正向静电电压持续时间较大时，此时第三开关电路21有达到击穿电压的风险，此时由于第四开关电路22可以与第三开关电路21分流，此时，可以降低第三开关电路21达到击穿电压的风险，此外，即使第三开关电路21达到击穿电压，从而第三开关电路21不能使用，由于第四开关电路22的击穿电压大于第四开关电路22的击穿电压，此时，对应的第四开关电路22还可以正常使用，从而仍可以继续实现对正向静电电压的释放。
26.其中，第一开关电路11、第二开关电路12、第三开关电路21及第四开关电路22的具体实现方式，本技术在此不做特别的限定，对应的导通临界电压及击穿电压与对应的具体实现方式的电子器件的硬件结构相对应，本技术在此不做特别的限定。
27.此外，本技术中静电放电电路设置于信号发送装置和信号输出装置之间的信号传输通道上，此种设置方式也只是一种优选的实现方式，以防止在信号传输过程中由于静电损坏装置，此外，静电放电电路也可以设置于各种装置的信号端或者电源端等，本技术在此均不作特别的限定。
28.综上，本技术中的静电放电电路在保证静电电压释放的反应时间的同时，还保证
了电路的安全性和可靠性，且进一步避免了信号接收装置被损坏。
29.在上述实施例的基础上：请参照图5，图5为本发明提供的一种静电放电电路的具体实现方式的示意图。
30.作为一种优选的实施例，第一开关电路11包括第一二极管d1，第三开关电路21包括第二二极管d2；第一二极管d1的阳极为第一开关电路11的第一端，第一二极管d1的阴极为第一开关电路11的第二端，第二二极管d2的阳极为第三开关电路21的第一端，第二二极管d2的阴极为第三开关电路21的第二端。
31.本实施例旨在提供一种第一开关电路11和第三开关电路21的具体实现方式，在第一开关电路11和第三开关电路21均包括二极管时，具体地，在信号发送装置的输出端存在负向静电电压时，第一二极管d1反向导通，从而将负向静电电压释放至电源端；同样的，在信号发送装置的输出端存在正向静电电压时，第二二极管d2反向导通，从而将正向静电电压释放至地端。
32.可见，通过二极管可以实现第一开关电路11或第二开关电路12的功能，且二极管的实现方式简单，且成本较低。
33.作为一种优选的实施例，第一二极管d1及第二二极管d2均为肖特基二极管。
34.此外，本技术中的第一二极管d1及第二二极管d2均可以为肖特基二极管。具体地，肖特基二极管为导通电压降较低，因此在存在静电电压时，可以较快的导通，也即是反应时间较短，可以及时释放静电电压。此外，肖特基二极管为允许高速切换的二极管，一般的二极管在有电流流过时，会产生0.7v
‑
1.7v左右的电压，但是肖特基二极管在有电流流过时，产生的电压降只有0.15v
‑
0.45v，从而可以提高电路的效率。
35.可见，使用肖特基二极管可以实现第一开关电路11及第二开关电路12的功能，且可以减小对静电电压进行释放的反应时间，及时对静电电压进行释放，且可以提高电路的效率。
36.作为一种优选的实施例，第二开关电路12包括第一可控开关q1及第一电容，第四开关电路22包括第二可控开关q2及第二电容；第一电容的第一端与第一可控开关q1的第一端连接，并作为第二开关电路12的第一端，第一电容的第二端与第一可控开关q1的控制端连接，第一可控开关q1的第二端为第二开关电路12的第二端；第二电容的第一端与第二可控开关q2的第一端连接，并作为第四开关电路22的第一端，第二电容的第二端与第二可控开关q2的控制端连接，第二可控开关q2的第二端为第四开关电路22的第二端；第一可控开关q1用于在信号发送装置的输出端有正向静电电压时，使自身的第一端和第二端之间导通；第二可控开关q2用于在信号发送装置的输出端有负向静电电压时，使自身的第一端和第二端之间导通。
37.作为一种优选的实施例，第一可控开关q1为pmos（positive channel metal oxide semiconductor，p沟道金属氧化物半导体）管，第二可控开关q2为nmos（negative channel metal oxide semiconductor，n沟道金属氧化物半导体）管；pmos管的栅极为第一可控开关q1的控制端，pmos管的漏极为第一可控开关q1的第
一端，pmos管的源极为第一可控开关q1的第二端；nmos管的栅极为第二可控开关q2的控制端，nmos管的漏极为第二可控开关q2的第一端，nmos管的源极为第二可控开关q2的第二端。
38.如图5所示，本实施例旨在提供一种第三开关电路21和第四开关电路22的具体实现方式。具体地，在第三开关电路21及第四开关电路22包括电容和一个可控开关时，其中，第一电容和第二电容的作用为通交流，隔直流。由于静电为突波脉冲波(一般为ghz高频讯号)，因此，在信号发送装置的输出端存在静电电压时，第一电容或第二电容视为短路，从而在第一可控开关q1或第二可控开关q2的控制端产生一个控制电压，从而控制第一可控开关q1和第二可控开关q2导通或截止，以实现对正向静电电压或负向静电电压的释放。
39.具体的，在本技术中的第一可控开关q1为pmos管及第二可控开关q2为nmos管时，若信号发送装置输出端存在正向静电电压时，正向静电电压会在pmos的栅源极之间产生一个顺向偏压，当pmos管vgs大于0时，pmos管进入截止区，此时第一可控开关q1为不导通的状态，同时会在nmos管的栅源极之间产生一个顺向偏压，在nmos管的vg大于0时，nmos管进入饱和区，此时，第二可控开关q2为导通状态，因此，此时正向静电电压会通过nmos管和第二二极管d2释放至地端，从而防止正向静电电压直接进入后端的信号接收装置，避免击穿信号接收装置。具体地，请参照图6，图6为本发明提供的正向静电电压释放时的电流流向示意图，箭头方向即为电流方向。
40.同样的，若信号发送装置输出端存在负向静电电压时，负向静电电压会在pmos的栅源极之间产生一个逆向偏压，当pmos管vgs小于0时，pmos管进入饱和区，此时第一可控开关q1为导通的状态，同时会在nmos管的栅源极之间产生一个逆向偏压，在nmos管的vg小于0时，nmos管进入截止区，此时，第二可控开关q2为不导通状态，因此，此时负向静电电压会通过pmos管和第一二极管d1释放至电源端，从而防止负向静电电压直接进入后端的信号接收装置，避免击穿信号接收装置。具体地，请参照图7，图7为本发明提供的负向静电电压释放时的电流流向示意图，箭头方向即为电流方向。
41.其中，电容的阻抗公式为：xc = 1 / 2πfc，xc为电容容抗值，f为信号发送装置输出的信号的频率，c为电容的容值。当f的频率为ghz的高频信号时，可视为f趋向于∞，则xc趋向于0，也即是，高频时的电容等效阻抗视为0。
42.其中，请参照图8，图8为肖特基二极管或pn接面二极管工作的v
‑
i曲线示意图。肖特基二极管的最大额定功耗表达式为：pd = id*vd，其中，pd为二极管的功耗，id为二极管上通过的电流，vd为二极管偏压。二极管于崩溃区工作时，id =
ꢀ‑
is(逆向饱和电流)，vd = v
br
（其中，v
br
为二极管的崩溃电压），则pd(max) = |is(max)|*v
br
。
43.假设|ismax| = 100a，v
br = 30v，故代入表达式，则pd(max) = 3mw，若静电电压对应的放电电流is为200a，故放电时在二极管上产生的功耗则为6mw。若二极管长时间工作于6mw的状态时，则极容易导致热崩溃效应，造成物理上的损坏而失去保护功能。
44.其中，请参照图9，图9为mos管工作的v
‑
i曲线示意图。图中的v
ds（sat）
为mos管的饱和电压， mos管的最大额定功耗表达式：p=i
d
*v
ds
，i
d
=kn*（v
gs
‑
v
th
）2。此时，i
d
为mos管顺向电流，kn为导电参数，v
ds 为汲
‑
源级偏压，v
gs
为闸
‑
源级偏压，v
th
为临界电压，因此mos管在本发明的应用中需工作于饱和区，故|v
gs
|≧v
th
。
45.假设v
ds = 5v，v
gs = 5v，v
th = 1v，kn= 2a，故代入表达式得：pmax = 32a * 5v = 160 w (max)。由此可知mos管的最大额定功耗远远大于pn接面二极管或萧特基二极
管的额定功耗，因此应用于本发明技术方案中作为静电放电保护零件时，能承受较大的电压、电流和额定功耗。
46.综上，在本技术的第一开关电路11和第三开关电路21使用肖特基二极管，第二开关电路12和第四开关电路22使用mos管（具体为：第二开关电路12使用pmos管及第四开关电路使用pmos管）时，使静电放电电路的反应时间为肖特基二极管的反应时间，击穿电压为mos管的击穿电压，从而在保证静电放电电路的反应时间的同时，避免静电放电电路被击穿，提高了静电放电电路的可靠性。
47.作为一种优选的实施例，第二开关电路12还包括设置于pmos管的栅极和源极之间的第一电阻r1。
48.作为一种优选的实施例，第四开关电路22还包括设置于nmos管的栅极和源极之间的第二电阻r2。
49.具体地，在pmos管或者nmos管的栅极和源极之间设置一个电阻的作用是为对应的mos管提供偏置电压，以使mos管可靠的开通或截止。
50.此外，mos管的栅极和源极之间的电阻值是很大的，只要有少量的静电就能使栅源极间的等效电容两端产生很高的电压，如果不及时把这些少量的静电泻放掉，两端的高压就有可能使mos管产生误动作，甚至有可能击穿栅源极；这时栅极与源极之间加的电阻就能把上述的静电泻放掉，从而起到了保护mos管的作用。
51.作为一种优选的实施例，还包括第三电阻r3及第四电阻r4；第三电阻r3设置于信号发送装置的输出端与第一开关模块1的第一端之间，第四电阻r4设置于第一开关模块1的第一端与信号接收装置的输入端之间。
52.具体地，此处的第三电阻r3和第四电阻r4为阻尼电阻，在此起到的作用为阻抗匹配作用，目的是避免信号发送装置发送的信号受到反射干扰。
53.一种信号传输系统，包括上述的静电放电电路，还包括信号发送装置及信号接收装置。
54.为解决上述技术问题，本技术还提供了一种信号传输系统，对于信号传输系统的介绍请参照上述实施例，本技术在此不再赘述。
55.需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
56.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
57.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。