特許第6641388号(P6641388)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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特許6641388USBコントローラESD保護装置及び方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6641388
(24)【登録日】2020年1月7日
(45)【発行日】2020年2月5日
(54)【発明の名称】USBコントローラESD保護装置及び方法
(51)【国際特許分類】
   H01L 21/822 20060101AFI20200127BHJP
   H01L 27/04 20060101ALI20200127BHJP
   G06F 3/00 20060101ALI20200127BHJP
   G06F 1/26 20060101ALI20200127BHJP
【FI】
   H01L27/04 H
   G06F3/00 Y
   G06F1/26 306
【請求項の数】20
【全頁数】15
(21)【出願番号】特願2017-559300(P2017-559300)
(86)(22)【出願日】2015年5月14日
(65)【公表番号】特表2018-526809(P2018-526809A)
(43)【公表日】2018年9月13日
(86)【国際出願番号】CN2015078958
(87)【国際公開番号】WO2016179829
(87)【国際公開日】20161117
【審査請求日】2018年4月26日
(73)【特許権者】
【識別番号】390020248
【氏名又は名称】日本テキサス・インスツルメンツ合同会社
(73)【特許権者】
【識別番号】507107291
【氏名又は名称】テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド
(74)【上記1名の代理人】
【識別番号】100098497
【弁理士】
【氏名又は名称】片寄 恭三
(72)【発明者】
【氏名】ジョン チェン
(72)【発明者】
【氏名】ラルフ ブラクストン サード ウェイド
(72)【発明者】
【氏名】ミン シャオ
【審査官】 辻 勇貴
(56)【参考文献】
【文献】 中国実用新案第2772067(CN,Y)
【文献】 米国特許出願公開第2014/0312691(US,A1)
【文献】 中国特許出願公開第101634885(CN,A)
【文献】 中国実用新案第2750618(CN,Y)
【文献】 中国特許出願公開第101399882(CN,A)
【文献】 米国特許出願公開第2011/0163352(US,A1)
【文献】 特開2009−147040(JP,A)
【文献】 特開2012−059950(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G06F 1/26
G06F 3/00
H01L 21/822
H01L 27/04
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
USB(ユニバーサルシリアルバス)電力データシグナリングをUSBホスト回路とインタフェースするための集積回路であって、
正のバス電圧を提供するために、ホスト回路基板上のUSBコネクタのUSBバス電圧端子に前記ホスト回路基板の第1の電力接続電気的結合する第1の電力端子であって、前記ホスト回路基板が電源を含む、前記第1の電力端子と
前記USBコネクタのUSB接地端子前記ホスト回路基板の第2の電力接続電気的結合する第2の電力端子
前記USBコネクタの第1のUSBデータ端子前記ホスト回路基板の第1のデータ接続電気的結合する第1のデータ端子
前記第1のデータ端子に電気的に接続されるアノードと前記第1の電力端子に電気的に接続されるカソードとを含む第1のダイオード
を含む、集積回路。
【請求項2】
請求項1に記載の集積回路であって、
前記USBコネクタの第2のUSBデータ前記ホスト回路基板の第2のデータ接続電気的結合する第2のデータ端子
前記第2のデータ端子に電気的に接続されるアノードと前記第1の電力端子に電気的に接続されるカソードとを含む第2のダイオード
更に含む集積回路。
【請求項3】
請求項2に記載の集積回路であって、
前記第2の電力端子に電気的に接続されるアノードと前記第1のデータ端子に電気的に接続されるカソードとを含む第3のダイオード
前記第2の電力端子に電気的に接続されるアノードと前記第2のデータ端子に電気的に接続されるカソードとを含む第4のダイオード
更に含む、集積回路。
【請求項4】
請求項3に記載の集積回路であって、
前記第1の電力端子と電力入力端子との間に結合されるスイッチングデバイスを含む充電制御回路であって、前記正のバス電圧で前記第1の電力端子に供給される充電電流を制御する、前記充電制御回路を更に含む、集積回路。
【請求項5】
請求項1に記載の集積回路であって、
前記第2の電力端子に電気的に接続されるアノードと前記第1のデータ端子に電気的に接続されるカソードとを含む第3のダイオードを更に含む、集積回路。
【請求項6】
請求項に記載の集積回路であって、
前記第1の電力端子と電力入力端子との間に結合されるスイッチングデバイスを含む充電制御回路であって、前記正のバス電圧で前記第1の電力端子に供給される充電電流を制御する、前記充電制御回路を更に含む、集積回路。
【請求項7】
請求項に記載の集積回路であって、
前記第2の電力端子に電気的に接続されるアノードと、カソードとを含むツェナーダイオードと
前記第1のデータ端子に電気的に接続されるアノードと前記ツェナーダイオードの前記カソードに電気的に接続されるカソードとを含む第5のダイオードと
更に含む、集積回路。
【請求項8】
請求項1に記載の集積回路であって、
前記第1の電力端子と電力入力端子との間に結合されるスイッチングデバイスを含む充電制御回路であって、前記正のバス電圧で前記第1の電力端子に供給される充電電流を制御する、前記充電制御回路を更に含む、集積回路。
【請求項9】
請求項に記載の集積回路であって、
前記ホスト回路基板の前記USBホスト回路に電気的に接続する第1のデータ出力端子であって、前記第1のデータ端子と電気的に接続される、前記第1のデータ出力端子と、
前記ホスト回路基板の前記USBホスト回路に電気的に接続する第2のデータ出力端子であって、前記第2のデータ端子と電気的に接続される、前記第2のデータ出力端子と、
を更に含む、集積回路。
【請求項10】
USB(ユニバーサルシリアルバス)電力とデータシグナリングとをUSBホスト回路とインタフェースするための集積回路であって、
正のバス電圧を提供するために、ホスト回路基板上のUSBコネクタのUSBバス電圧端子に前記ホスト回路基板の第1の電力接続で電気的に結合する第1の電力端子と、
前記USBコネクタのUSB接地端子に前記ホスト回路基板の第2の電力接続で電気的に結合する第2の電力端子と、
前記USBコネクタの第1のUSBデータ端子に前記ホスト回路基板の第1のデータ接続で電気的に結合する第1のデータ端子と、
前記第1のデータ端子に電気的に接続されるアノードと前記第1の電力端子に電気的に接続されるカソードとを含む第1のダイオードと、
前記USBコネクタの第2のUSBデータに前記ホスト回路基板の第2のデータ接続で電気的に結合する第2のデータ端子と、
前記第2のデータ端子に電気的に接続されるアノードと前記第1の電力端子に電気的に接続されるカソードとを含む第2のダイオードと、
前記第2の電力端子に電気的に接続されるアノードと前記第1のデータ端子に電気的に接続されるカソードとを含む第3のダイオードと、
前記第2の電力端子に電気的に接続されるアノードと前記第2のデータ端子に電気的に接続されるカソードとを含む第4のダイオードと、
前記第2の電力端子に電気的に接続されるアノードと、カソードとを含むツェナーダイオード
前記第1のデータ端子に電気的に接続されるアノードと前記ツェナーダイオードの前記カソードに電気的に接続されるカソードとを含む第5のダイオード
前記第2のデータ端子に電気的に接続されるアノードと前記ツェナーダイオードの前記カソードに電気的に接続されるカソードとを含む第6のダイオード
を含む、集積回路。
【請求項11】
回路基板アッセンブリであって、
ホスト回路基板
前記ホスト回路基板に搭載されるUSB(ユニバーサルシリアルバス)コネクタであって、
前記ホスト回路基板の第1の電力接続に電気的に接続されるUSBバス電圧端子と、
前記ホスト回路基板の第2の電力接続に電気的に接続されるUSB接地端子と、
前記ホスト回路基板の第1のデータ接続に電気的に接続される第1のUSBデータ端子と、
を含む、前記USBコネクタ
前記第1の電力接続と前記第2の電力接続との間に電気的に接続されるバス静電容量
USB電力データシグナリングをUSBホスト回路とインタフェースするための集積回路であって
正のバス電圧を提供するため前記第1の電力接続と電気的に結合される第1の電力端子と、
前記第2の電力接続と電気的に結合される第2の電力端子と、
前記第1のデータ接続と電気的に結合される第1のデータ端子と、
前記第1のデータ端子に電気的に接続されるアノードと前記第1の電力端子に電気的に接続されるカソードとを含む第1のダイオードであって、前記第1のデータ端子から前記第1の電力端子を介して前記バス静電容量に過渡電流を導く、前記第1のダイオードと、
を含む、前記集積回路と、
を含む、回路基板アッセンブリ。
【請求項12】
請求項11に記載の回路基板アッセンブリであって、
前記USBコネクタが、前記ホスト回路基板の第2のデータ接続に電気的に接続される第2のUSBデータ端子を更に含み、
前記集積回路が、
前記第2のデータ接続と電気的に結合される第2のデータ端子
前記第2のデータ端子に電気的に接続されるアノードと前記第1の電力端子に電気的に接続されるカソードとを含む第2のダイオードと、
更に含む、回路基板アッセンブリ。
【請求項13】
請求項12に記載の回路基板アッセンブリであって、
前記集積回路が、
前記第2の電力端子に電気的に接続されるアノードと前記第1のデータ端子に電気的に接続されるカソードとを含む第3のダイオード
前記第2の電力端子に電気的に接続されるアノードと前記第2のデータ端子に電気的に接続されるカソードとを含む第4のダイオード
更に含む、回路基板アッセンブリ。
【請求項14】
請求項11に記載の回路基板アッセンブリであって、
前記集積回路が、前記第2の電力端子に電気的に接続されるアノードと前記第1のデータ端子に電気的に接続されるカソードとを含む第3のダイオードを更に含む、回路基板アッセンブリ。
【請求項15】
請求項14に記載の回路基板アッセンブリであって、
前記集積回路が、前記第1の電力端子と前記集積回路の電力入力端子との間に結合されるスイッチングデバイスを含充電制御回路であって、前記正のバス電圧で前記第1の電力端子に供給される充電電流を制御する、前記充電制御回路を更に含む、回路基板アッセンブリ。
【請求項16】
請求項14に記載の回路基板アッセンブリであって、
前記集積回路が、
前記第2の電力端子に電気的に接続されるアノードと、カソードとを含むツェナーダイオード
前記第1のデータ端子に電気的に接続されるアノードと前記ツェナーダイオードの前記カソードに電気的に接続されるカソードとを含む第5のダイオード
更に含む、回路基板アッセンブリ。
【請求項17】
請求項11に記載の回路基板アッセンブリであって、
前記集積回路が、前記第1の電力端子と前記集積回路の電力入力端子との間に結合されるスイッチングデバイスを含充電制御回路であって、前記正のバス電圧で前記第1の電力端子に供給される充電電流を制御する、前記充電制御回路を更に含む、回路基板アッセンブリ。
【請求項18】
請求項12に記載の回路基板アッセンブリであって、
前記集積回路が、
前記ホスト回路基板の前記USBホスト回路に電気的に接続する第1のデータ出力端子であって、前記第1のデータ端子と電気的に接続される、前記第1のデータ出力端子と、
前記ホスト回路基板の前記USBホスト回路に電気的に接続する第2のデータ出力端子であって、前記第2のデータ端子と電気的に接続される、前記第2のデータ出力端子と、
を更に含む、回路基板アッセンブリ。
【請求項19】
回路基板アッセンブリであって、
ホスト回路基板と、
前記ホスト回路基板に搭載されるUSB(ユニバーサルシリアルバス)コネクタであって、
前記ホスト回路基板の第1の電力接続に電気的に接続されるUSBバス電圧端子と、
前記ホスト回路基板の第2の電力接続に電気的に接続されるUSB接地端子と、
前記ホスト回路基板の第1のデータ接続に電気的に接続される第1のUSBデータ端子と、
前記ホスト回路基板の第2のデータ接続に電気的に接続される第2のUSBデータ端子と、
を含む、前記USBコネクタと、
前記第1の電力接続と前記第2の電力接続との間に電気的に接続されるバス静電容量と、
USB電力とデータシグナリングとをUSBホスト回路とインタフェースするための集積回路であって
正のバス電圧を提供するために前記第1の電力接続と電気的に結合される第1の電力端子と、
前記第2の電力接続と電気的に結合される第2の電力端子と、
前記第1のデータ接続と電気的に結合される第1のデータ端子と、
前記第1のデータ端子に電気的に接続されるアノードと前記第1の電力端子に電気的に接続されるカソードとを含み、前記第1のデータ端子から前記第1の電力端子を介して前記バス静電容量に過渡電流を導く第1のダイオードと、
前記第2のデータ接続と電気的に結合される第2のデータ端子と、
前記第2のデータ端子に電気的に接続されるアノードと前記第1の電力端子に電気的に接続されるカソードとを含む第2のダイオードと、
前記第2の電力端子に電気的に接続されるアノードと前記第1のデータ端子に電気的に接続されるカソードとを含む第3のダイオードと、
前記第2の電力端子に電気的に接続されるアノードと前記第2のデータ端子に電気的に接続されるカソードとを含む第4のダイオードと、
前記第2の電力端子に電気的に接続されるアノードと、カソードとを含むツェナーダイオード
前記第1のデータ端子に電気的に接続されるアノードと前記ツェナーダイオードの前記カソードに電気的に接続されるカソードとを含む第5のダイオード
前記第2のデータ端子に電気的に接続されるアノードと前記ツェナーダイオードの前記カソードに電気的に接続されるカソードとを含む第6のダイオード
を含む、前記集積回路と、
を含む、回路基板アッセンブリ。
【請求項20】
USB(ユニバーサルシリアルバス)充電ポートコントローラ集積回路であって、
ホスト回路基板の第1の電力接続を介して正のUSBバス電圧ノードに電気的結合するための第1の電力端子
前記ホスト回路基板の第2の電力接続を介してUSB接地ノードに電気的結合するための第2の電力端子
前記ホスト回路基板の第1のデータ接続を介して第1のUSBデータノードに電気的結合するための第1のデータ端子
前記ホスト回路基板のUSBホスト回路と電気的結合するため前記第1のデータ端子と電気的に結合される第1のデータ出力端子
前記ホスト回路基板の第2のデータ接続を介して第2のUSBデータノードに電気的結合するための第2のデータ端子
前記USBホスト回路と電気的接続するため前記第2のデータ端子と電気的に結合される第2のデータ出力端子
関連する電力供給から電力を受け取るための電力入力端子
前記第1の電力端子と前記電力入力端子との間に結合されるスイッチングデバイスを含む充電制御回路であって、正のバス電圧で前記USBバス電圧ノードに供給される充電電流を制御する、前記充電制御回路
前記第1のデータ端子に電気的に接続されるアノードと前記第1の電力端子に電気的に接続されるカソードとを含む第1のダイオードであって、前記第1のデータ端子から前記第1の電力端子を介して前記第1の電力端子と前記第2の電力端子との間に電気的に結合される静電容量に過渡電流を導く、前記第1のダイオードと
前記第2のデータ端子に電気的に接続されるアノードと前記第1の電力端子に電気的に接続されるカソードとを含む第2のダイオードであって、前記第2のデータ端子から前記第1の電力端子を介して前記静電容量に過渡電流を導く、前記第2のダイオードと
を含む、USB充電ポートコントローラ集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、USB(ユニバーサルシリアルバス)制御回路要素、及びそのための静電放電(ESD)保護装置に関連する。
【背景技術】
【0002】
USBポートは、デスクトップコンピュータ、車両ダッシュボードコンソール、及びその他のホストデバイスだけでなく、ラップトップコンピュータ、タブレット、携帯電話、eリーダー、MP3プレーヤーなどのバッテリー電力供給ポータブルデバイスを含む種々の電子デバイスにおいて見られる。USBポートは、デバイス間のシリアル通信接続だけでなく、バッテリー電力供給周辺デバイスを充電するため及びそういったデバイスを動作させるための電力伝送を提供するために、標準化されたUSBケーブルを介してアクセス可能である。また、種々のポータブルデバイスを充電するための複数のUSBポートを有する専用の充電デバイスが利用可能であり、こういったデバイスには、或る周辺デバイスを高速充電するための回路要素が含まれ得る。USB互換システムは、典型的に、電力回路及びホストプロセッサなどのホストシステム回路要素へのUSBデータ及び電力接続をインタフェースするために内部回路基板に搭載されるインタフェースチップを含む。電子デバイスは、典型的に、過渡ESD電流を安全に導通させる能力を確認するため、ESDテスト規格の準拠についてテストされる。或る人体モデル(HBM)テストは、2kVで約1.3Aの電流の導通に関与し、より厳密な規格は一層高い過渡電流の導通を必要とする。例えば、8kVのIEC61000−4−2コンタクト放電及びISO 10605規格は、30A又は30A近辺の過渡電流に対する保護を検証する。
【0003】
USBコネクタ及びインタフェース回路要素を有する多くの回路基板は、適用し得る規格との準拠のために回路基板に搭載される、専用のESD保護集積回路(IC)又はディスクリートESD保護回路構成要素を含む。しかしながら、USBデータラインでは、多くの従来のESD保護回路は実現可能又は所望ではない。例えば、正及び負のUSBデータライン(DP及びDM、D+及びD−と示されることもある)上の高速データオペレーションは、データライン上の最小抵抗及び浮遊容量を必要とし、そのため、抵抗性又は容量性クランピングタイプのESD保護回路要素が、USBデータライン保護に適さなくなる。また、外部クランピングダイオードが、望ましくない浮遊容量をデータラインに付加し得る。
【0004】
専用NMOSベースの又はその他の能動ESD回路など、ESD事象に対する保護回路要素のために多くの異なる回路ソリューションが概して用いられているが、これらのソリューションは、集積回路ソリューションのダイエリア及びコストを著しく増大させる。また、専用ESD IC及び/又はその他のボードレベル回路要素が、貴重なボード面積を占有し、USBデータラインに対してインピーダンスを過度に増大させ得る。例えば、USB DP及びDMラインのための外部IEC保護構成要素(即ち、オフチップIECダイオード)は、付加されるコスト及びシステムボード上の寄生容量のため、好ましくない。オンチップシステムレベルESD構造を実装することの影響には、ICダイエリアの著しい増大、及び総ICコストの増大が含まれる。従って、従来のソリューションは、大抵、システムボード上に置かれる外部保護ダイオード又はクランピング回路を含み、ESD電流は、外部ダイオードを介して接地に放電される。しかし、クランピング電圧は、通常、外部ESD保護構造のために高く、従って、USBデータピン上に望ましくない直列抵抗及び浮遊容量を付加することなく先進のESD規格のための充分なESD保護を提供することは、困難であるか又は不可能であり、このような外部保護ダイオードの利用は、総システムコスト及びサイズを増大させる。また、オンチップESD構造の提供は、ICダイ空間の著しい増大を必要とする。
【発明の概要】
【0005】
本開示の一つ又は複数の態様に従って、USBインタフェース集積回路が提供され、これは、それぞれ正のUSBバス電圧及びUSB接地のための第1及び第2の電力端子、並びに、ホスト回路基板の第1のデータ接続又はトレースを介するUSBコネクタのデータ端子への接続のための第1のデータ端子を含む。USBインタフェース集積回路はまた、USBインタフェース集積回路において形成される第1のダイオードであって、第1のデータ端子に電気的に接続されるアノードと第1の電力端子に電気的に接続されるカソードとを有する、第1のダイオードを含む。幾つかの実施例において、USBインタフェース集積回路において第2のダイオードが形成され、第2のダイオードは、第2のICデータ端子に電気的に接続されるアノードと、第1の電力端子に電気的に接続されるカソードとを備える。USBインタフェース集積回路の種々の実施例において、第3及び第4のダイオードが提供され、これらは、第2の又は接地電力端子に接続されるアノードを備え、それぞれの第1及び第2のデータ端子に接続されるアノードを独立して有する。他の実施例において、更なるダイオード接続が、データ端子の一方又は両方からクランピングツェナーダイオードまで提供される。
【0006】
幾つかの応用例において、第1及び第2のダイオードは、ホスト回路基板上の接続される外部USBバス静電容量における、ESD及びその他の過渡電流エネルギーの放散を促進するために、過渡電流を、対応するデータ端子から第1の電力端子に導くための導通経路を提供する。本願において開示される実施例は、ポートコントローラ及びその他のUSBインタフェースICを充電するためUSBデータライン動作性能に対する悪影響を低減しつつ、オンチップ集積されたESD保護ソリューションの提供を促進し、ボードマウントESD保護回路要素又は専用ESD保護ICの必要性を低減するか又は避けるために用いることができる。このようにして、空間及びコストは、USBポート及び関連する回路要素を有する回路基板に対して低減され得る。また、本開示の概念は、以前のオンチップESD保護回路よりも、低コストで及びより少ないダイエリアを用いて、USBデータラインのためのESD保護を備えるUSBインタフェースICを提供するために用いることができる。
【0007】
下記の説明及び図面は、本開示の幾つかの例示の実装を詳細に記載し、これらは、本開示の種々の原理が実施され得る幾つかの方式を示すものである。しかしながら、図示される例は、本開示の多くのあり得る実施例を網羅するものではない。本開示の他の目的、利点、及び新規の特徴が、図面と関連して考慮される際に、下記詳細な説明において説明され得る。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1】USBポートと、USBデータラインのための一体型ESD保護ダイオードを備える関連する充電ポートコントローラICとを備える、ホスト回路基板アッセンブリを図示する部分的概略の頂部平面図である。
【0009】
図2】IC VBUS端子を介して、第1のUSBデータ端子から、接続されるUSBバス静電容量まで、過渡電流を導くための充電ポートコントローラICの第1のESD保護ダイオードのオペレーションを示す概略図である。
【0010】
図3】例示のHBM及びIEC 61000−4−2放電電流曲線を図示するグラフである。
【0011】
図4】例示のHBM及びISO 10605放電電流曲線を図示するグラフである。
【0012】
図5】VBUS端子を介して第2のUSBデータ端子からUSBバス静電容量まで過渡電流を導くための充電ポートコントローラICの第2のESD保護ダイオードのオペレーションを示す概略図である
【0013】
図6】USBデータラインのための一体型ESD保護ダイオードを備えるUSB充電ポートコントローラICを図示する底部平面図である。
【0014】
図7】USBデータラインのための付加的なクランプされたESD保護を提供するローサイドツェナーダイオードを備える、別のUSB充電ポートコントローラIC実施例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
一つ又は複数の実施例又は実装を図面と関連してこれ以降に記載し、同様の参照番号は、全体を通して同様の要素を指すために用いられ、種々の特徴は必ずしも一定の縮尺で描かれていない。
【0016】
図1はシステム100を図示し、システム100は、USBケーブル112を介して周辺デバイス110に接続されて示されるUSBコネクタ108と共に、電力供給104及びUSBホストコントローラ回路又はIC 106を含むホスト印刷回路基板又はPCB 102を備える。充電ポートコントローラIC 122は、本明細書において端子と称する種々の伝導性ピン又はパッドを含んで、ホストPCB 102上に提供され、端子は、任意の標準的な直接はんだ付け及び/又はソケット配置を用いて、対応するメッキされたスルーホール又は回路基板102の表面実装パッドに、はんだ付けされ得るか又はその他の方式で電気的に接続される。回路基板102は、接続された周辺デバイス110の電力及びデータラインを充電ポートコントローラIC 122と電気的に接続するために、充電ポートコントローラIC 122の対応する端子124、126、128、及び130とのUSBコネクタ108の4つ又はそれ以上のピン又は端子の電気的接続を提供するために、本明細書において接続と称する種々の伝導性トレース又はその他の伝導性構造を含む。特に、USBコネクタ108は、接続された周辺デバイス110(VBUS)の動作及び/又は充電のための正のバス電圧を、IC 122の第1の電力端子124とのVBUS端子の電気的結合(例えば、接続)を提供する、ホスト回路基板102の第1の電力接続114に提供するために、正の電力端子(ピン又はソケット)を含む。
【0017】
また、集積回路122の第2の電力端子130が、回路基板102の第2の電力接続を介する電気的結合を介してUSBコネクタ108のUSB接地端子(GND)への電気的結合を提供する。USB相互接続は、更に、USBコネクタ108の負のデータライン(DM)及び正のUSBデータライン(DP)のための第1及び第2のデータ端子を提供し、負のデータライン(DM)及び正のUSBデータライン(DP)は、IC 122の対応する第1及び第2のデータ端子126及び128を備える第1及び第2のデータ接続116及び118を介してそれぞれ結合される(例えば、接続される)。USBコネクタ108は、例えば、関連するUSB規格に従って任意の適切な数の接続を有するAタイプ又はBタイプのUSBケーブルプラグ又はレセプタクルなど、標準のUSBケーブル112とインタフェースするように構成される任意の適切なコネクタであり得、コネクタ108の幾つかの実施例が、4つ以上の接続に適応し得、また、雄コネクタ(プラグ)又は雌コネクタ(レセプタクル)を受けるか又はそれらとインタフェースするように適合され得、VBUS、DM、DP、及びGND信号のためのピン及び/又はソケットを含み得る。
【0018】
図1に更に示すように、この例ではIC 122は、第1の電力端子124と電力入力端子136との間の充電制御回路要素を含む充電ポートコントローラである。電力入力端子136は、第1の電力端子124に供給される充電電流を制御するためにドライバ回路140により動作されるゲート制御端子を備えるスイッチングデバイス138(例えば、この実施例においてMOSFET)を含む充電制御回路要素を備える電力供給104から電力を受け取るように結合される。オペレーションにおいて、充電ポートコントローラIC 122は、電力供給104からスイッチ138を介して、及び正のバス電圧VBUS(例えば、一つの実装において5V)で伝導性IC経路又はノード144に沿って、接続された周辺デバイス110に提供される充電又は動作の電流をレギュレートするようにスイッチ138を選択的に動作させる。また、図示される例において、第1の電力端子124は、USBコネクタ108のUSBバス電圧端子VBUSにおいて正のバス電圧を提供するためにバス電圧出力信号OUTを提供する。OUTの第1の電力端子124において提供される正のバス電圧は、IC 122内の第2の電力接続150と電気的に接続される導電性接地構造を含む第2の電力端子130(GND)における回路基板接地電圧に対して正である。幾つかの実装において充電ポートコントローラIC 122内の他の回路要素(図示せず)に電力供給するために、電力供給104からの入力電力も用いられ得る。充電制御回路要素138、140を有する充電ポートコントローラIC 122の文脈において図示されるが、本開示の種々のESD保護概念は、例えば、USBホストコントローラIC、又は、USBポート(例えば、VBUS、GND、DM、及びDP)の電力及びデータラインとの動作結合のために構成されるその他の集積回路など、他のUSBインタフェース集積回路に関連しても有用である。
【0019】
また、回路基板102は、USBコネクタ108の対応するデータ端子DM及びDPを、それぞれ、IC 122の第1及び第2のデータ端子126及び128と接続する回路基板トレースなど、それぞれ、第1及び第2の伝導性データ接続116及び118を提供する。内的に、データ端子126及び128は、伝導性構造146及び148により他の回路要素とIC 122内部で電気的に接続され、導電性データ構造146及び148だけでなく正の及び接地特徴144及び150は、メタライゼーション層トレース、層間コンタクト、及び他の伝導性特徴等、又は、集積回路122上又は内に形成されるそれらの組み合わせであり得る。例示される充電ポートコントローラIC 122の実施例において、導電性データ構造146及び148は、ホスト回路要素106に、それぞれ、データシグナリングDM_OUT及びDP_OUTを提供するため、第1及び第2のデータ出力端子132及び134との選択的接続のために、ICデータ端子126及び128から図1に概略で示すスイッチング回路にUSBデータ信号DM_IN及びDP_INを電気的に結合する。
【0020】
例示されるシステム100において、ホストPCB 102は、充電ポートコントローラIC端子132及び134に接続されるデータラインを備えるUSBホストコントローラ集積回路106を含む。上述のように、充電ポートコントローラ以外のUSBインタフェース回路要素が、USBポートとインタフェースするために本明細書に開示されるようにオンチップESD保護回路要素を備えて提供され得る。例えば、USBホストコントローラIC 106が、例えば充電制御回路要素を必要とすることなく、USBポートと直接インタフェースするために本明細書に開示されるESD保護特徴を含む、他の実施例が可能である。図1の例示の実施例において、データラインスイッチング回路要素は、伝導性特徴146及び148に沿ったDM_IN及びDP_INシグナリングの、端子132及び134を介する、直にDM_OUT及びDP_OUTラインへの選択的接続を可能にする。他のあり得るスイッチ回路構成が、DM_IN伝導性構造146を、レジスタR3を介して2.0Vノードに、又はレジスタR1と1.2Vサプライに接続されるレジスタR2とを結合するノードに、接続する。また、図示される下側スイッチは、DP_IN伝導性構造148をレジスタR4を介して2.7Vサプライに、又はレジスタR1の下側に、選択的に接続するスイッチング状態を含む。オペレーションにおいて、データラインスイッチング回路要素は、USBコネクタ108への及び関連するUSB規格に従った他の特徴及び機能性への周辺デバイス110の接続の検出を促進する。
【0021】
また、図1における集積回路122は、対応するデータ端子126又は128から、第1の電力端子124における正のUSBバス電圧ノードへ、過渡電流を導くための導通経路を提供するために、IC 122上又はその中に又はその他の方式でIC 122に一体的に形成されるダイオードD1、D2を通る、静電放電又はその他の高電圧及び/又は高電流過渡事象に対する、USBデータラインのためのオンチップシステムレベル保護を提供する。この点で、関連するUSB規格は、VBUSライン114と接地又はGNDライン120との間のUSB電力バスにわたって最小の120μFを特定し、この場合、ホスト回路基板102は、必要とされる静電容量を提供する単一キャパシタCVBUSを含む。マルチポートUSB構成などの他の応用例において、バス静電容量CVBUSは、ホスト回路基板102上の一つ以上のキャパシタデバイスによって提供され得る。幾つかの実施例において、図1に示すように、第3及び第4のダイオードD3及びD4も提供され、これらは、接地伝導性構造150に接続されるアノードと、データライン伝導性構造146及び148にそれぞれ接続されるカソードとを備える。
【0022】
本願発明者らは、チップベースの一体型ESD保護が、静電容量CVBUSの放散のためESD関連過渡電流をデータ端子126、128から第1の電力端子124へ導くために、図1に示すように結合されるダイオードD1及びD2によって提供され得ることを認識している。また、通常データ転送信号のための又はUSBオペレーションの間のシグナリングにおける、DM及びDPラインに沿った電圧は、典型的に、USBバス電圧VBUSから引き出され、USBバス電圧VBUS(例えば、5V未満である)より小さいので、ESD保護ダイオードD1及びD2は、通常は順方向バイアスされず、そのためデータラインDM及びDPに沿った浮遊容量に悪影響を及ぼさない。これは、回路基板102に搭載される、以前の回路基板ベースの保護ダイオードとは対照的である。また、集積回路122内部にダイオードD1及びD2を提供することは、有利にも、ディスクリート構成要素及び/又は専用ICタイプのESD保護回路要素に比して、印刷回路基板空間を節約し、また、ESD保護を提供しつつ、はるかに低コストのソリューションを提供する。また、ESD保護は、チップレベルIC設計の影響が最小であるシステムレベルESD要件を満たすために、ホストシステムボード102上に既に存在する既存の外部VBUSキャパシタCVBUSの存在を活用する。またこの点で、開示されるソリューションは、DM又はDPラインのインピーダンスに著しい影響を与えず、従って、ホストシステム100と、接続される周辺デバイス110との間の通信に悪影響を与えない。また、本願発明者らは、並列接続マルチポートUSBシステムが、120μFで特定される最小必要静電容量も有し、そのため、USBインタフェース集積回路122において提供されるESD保護は、単一又はマルチポート応用例において動作し得ることを認識している。
【0023】
更に図2〜5を参照すると、図2は、IC 122の第1のUSBデータ端子126から、IC VBUS端子124を介して、ボード搭載USBバス静電容量CVBUSの正の端子へ、過渡電流を導くためのオンチップESD保護ダイオードD1のオペレーションを図示する。この状況において、ESDソース160が、例えばUSBコネクタ108を介して、回路基板102のDMデータライン116上に過渡電流を導入する。実際には、ESD事象は、ホストPCB 102の使用において、又はIC 122、及びホストPCB 102を含む全体的なシステム100を評価するための標準化されたESD過渡電流を提供するためにソース160を用いるESD保護テストの間に、起こり得る。
【0024】
図3は、過渡電流のグラフ170を示し、第1の曲線172は、約1.3Aのピーク電流での人体モデル(HBM)2kV ESD事象を表し、8kV IEC 61000−4−2コンタクト放電電流曲線174は、30Aを超えるピーク電流を有する。また、図4は、ESD過渡電流のグラフ180を提供し、HBM過渡電流曲線172、及び30A近辺のピーク電流を有する8kV ISO 10605放電電流曲線182を示す。
【0025】
図2に図示されるように、曲線172、174、又は182によって表される過渡電流ESD事象の一つをDMライン118に印加することで、過渡電流が経路162に沿って流れ、過渡電流は、初期的に第1のデータ端子126においてIC 122に入り、保護ダイオードD1を介して伝導性構造146に沿って流れる。過渡電流経路162は、D1のカソードから伝導性構造144へ続き、第1の電力端子124においてIC 122を出て、静電容量CVBUSを介して回路基板102のGND第2の電力接続120に導通される。本願発明者らは、第1のデータ端子126に接続されるアノードと第1の電力端子124に接続されるカソードを備える、集積回路122内のダイオードD1の提供が、正の過渡電圧が第1のデータ端子126に印加されるようなESD事象からIC 122及び全体的なシステム100を保護することを認識している。また、この例では、負の電圧をDM端子126に提供するESD事象が、過渡電流の、第3のダイオードD3を介する、直に回路基板102の回路接地120への導通となることに留意されたい。
【0026】
図5は、第2のUSBデータ端子128(DP)からVBUS IC出力端子124を介してボード搭載静電容量CVBUSへ過渡電流を導くための第2のESD保護ダイオードD2のオペレーションを図示する。この場合、過渡電流は、経路164に沿ってデータ端子128からダイオードD2を介して導通し、バス静電容量CVBUSでの放散のため第1の電力端子124を介して出る。この場合のDPデータ端子128に対して負のESD事象は、下側の第4のダイオードD4を介する過渡電流の導通となる。
【0027】
上記から分かるように、CVBUSキャパシタ(又は、特定された最小総値を有する分配された静電容量)は、USBインタフェースIC 122及びホスト回路基板102を含むシステム100のためのESD遷移保護を提供するために有利に用いられ、また、充電制御スイッチ回路138、140(図1)のオペレーションに起因する電圧ドループ及び動的分離(detach)フライバック電圧を緩和又は防止するようにUSB規格に従って動作する。幾つかの実際の応用例において、USBバス静電容量は、充電制御スイッチ138(図1)のいずれかの側で接続される静電容量を有して、複数ポート間で分配され得、120μFを超える総計を提供する必要がない。この点で、一層低い静電容量値であっても、オンチップ保護ダイオードD1及びD2と組み合わせてデータラインDM及びDPのためのESD保護を提供するように働く。このようにして、オンチップハイサイドダイオードD1及びD2を、USBデータ端子126及び128からVBUS端子124に提供すること、及び更に、ローサイドダイオードD3及びD4を接地に提供することが、IC 122がシステムレベルESD電流を放電するためのオンチップESD保護ネットワークをつくる。また、上述のように、ダイオードD1及びD2は、USBシステムの典型的なデータ転送オペレーションの間、通常は導通しておらず、データラインインピーダンスに著しい影響を与えない。また、オンチップESD保護回路の提供は、外部ディスクリート構成要素及び/又はホスト印刷回路基板102上の専用ESD保護ICの必要性をなくし、それにより、ボード面積が節約され、システムのコストが低減される。また、ダイオードD1〜D4(又は幾つかの実施例においてD1又はD2のみ)の提供は、充電ポートコントローラIC 122又はその他のUSBインタフェースICのダイサイズに最小の影響を有する。USBデータピン上のクランピング電圧は、ICからキャパシタへの外部キャパシタ及び寄生抵抗及びインダクタンスの等価直列抵抗(ESR)及び等価直列インダクタンス(ESL)によって決まり、オンチップESD保護ダイオードD1及び/又はD2の提供は、USBデータラインの抵抗性及び/又は容量性インピーダンスに悪影響を与えない。
【0028】
図6は、USB充電ポートコントローラIC 122の底部平面図を示し、この場合、表面実装集積回路が、図示するように1〜16で番号が付された16個の端子又はパッドを備える。図6はまた、USBデータラインを保護するための内部又は一体型ESD保護ダイオードD1及びD2を概略的に示し、これらは、IC 122の残りの内部回路要素を保護するために、端子又はピン124、126、及び128に近接するIC 122において形成されることが好ましい。また、図6は、ダイオードD1、D2を介して過渡電流をシンクするための協調的ESD保護のために端子12及び14間に接続される、USBバス電圧キャパシタ又は静電容量CVBUSを概略的に図示する。上述のように、図示される例は、ダイオードD1及びD2両方を含む。ダイオードD1又はD2の一つが省かれ得る代替の実施例が可能である。また、ローサイドダイオードD3及び/又はD4が省かれ得る種々の実施例が可能である。
【0029】
図7は、図1図2、及び図5に示したように接続される上述のESD保護ダイオードD1〜D4を備える、別のUSB充電ポートコントローラIC実施例122を示す概略図である。また、第5及び第6のダイオードD5及びD6と共に、更なるESD保護を提供するため電圧クランピングのためにツェナーダイオードD7が含まれ、ツェナーD7及びダイオードD5及びD6は、集積回路122において形成される。この場合、ツェナーダイオードD7は、第2の電力端子130に電気的に接続されるアノードを含み、第5のダイオードD5は、D3のカソードとD1のアノードとの間の第1のデータ端子126に電的に接続されるアノードを有し、ダイオードD5は、ツェナーダイオードD7のカソードに接続されるカソードを含む。同様に、第6のダイオードD6は、第2のデータ端子128に電気的に接続されるアノードと、ツェナーダイオードD7のカソードに電気的に接続されるカソードとを含む。そのため、図7の実施例は、外部ボード搭載回路要素を必要とすることなく、高度化されたオンチップソリューションに対して上述のダイオードD1及びD2と組み合わせて、USBデータ端子に対するクランピングタイプのESD保護を提供する。別の代替の実装において、ツェナーダイオードD7のカソードは、第1の電力端子124と結合され、D5及びD6は省かれる。
【0030】
上述の例は単に、本開示の種々の態様のうちの幾つかの可能な実施例を例示するものであり、本明細書及び添付の図面を読んで理解することで、同等の変更及び/又は改変が当業者に見出され得る。また、本開示の特定の特徴を幾つかの実装の一つのみに関して開示した場合もあるが、このような特徴は、任意の所与の又は特定の応用例に対して所望とされ有利となるよう、他の実施例の一つ又は複数の他の特徴と組み合わされ得る。また、詳細な説明及び/又は特許請求の範囲において用いられる「含む(including)」「含む(includes)」、「を有する(having)」、「を有する(has)」、「を備える(with)」、という用語又はそれらの異型の範囲について、このような用語は、用語「含む(comprising)」と同様に包括的であることを意図している。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7