Brevet FR2218699A1 — publié le 19740913

La présente invention concerne la protection des circuits intégrés contre les surtensions, et concerne plus particulièrement la protection des circuits intégrés devant fonctionner dans une ambiance è niveau de bruit élevé, du type de celle que l'on rencontre dans les circuits électriques des véhicules automobiles. Les circuits intégrés peuvent etre utilisés avec avantage dans les systèmes électriques modernes destinés aux véhicules automobiles, comme par exemple dans les systèmes dQallumage, ou dans les systèmes automatiques liés l'utilisation de la ceinture de sécurité, où ils permettent d'effectuer des économies notables. On a cependant constaté qu'un véhicule automobile offre une ambiance exceptionnellement sévère pour les circuits a semi-conducteurs en général, et pour les circuits intégrés en particulier. Ceci a fait apparaltre des difficultés et des contraintes insoupçonnées dans la conception des circuits intégrés devant fonctionner de manière fiable dans les systèmes électriques destinés aux automobiles, ainsi qu'a d'autres applications dans lesquelles il existe un niveau de bruit -é-levé. L'ambiance correspondant à un véhicule automobile est caractérisée par une gamme de température très étendue. D'une manière classique, le câblage de l'équipement électrique d'un véhicule automobile est le siège d'un grand nombre de signaux parasites. Par exemple,-des signaux quelquefois appelés ignaux de "bruit", ayant une énergie relativement faible, une polarité positive ou négative, et une amplitude de quelques centaines de volts apparaissent de façon classique sur les fils de cabrage reliant les différents capteurs aux bornes d'entrée des circuits intégrés.Ces signaux de bruir peuvent perturber le fonctionnement des circuits intégrés selon l'art anté rieur, ou peuvent meme détruire ceux-ci et peuvent,de plus, détruire des éléments discrets semi-conducteurs commandés par les circuits intégrés, comme par exemple des transistors de puissance.De plus, des tensions transitoires d'énergie élevée peuvent etre produites en cas de coupure de l'alimentation de l'équipement électrique d'un véhicule automobile, comme par exemple en cas d'ouverture des connexions de raccordement å la batterie d'accumulateurs On obtient dans ce cas des tensions transitoires de plus de 100 V sur les conducteurs d'alimentation, et ces tensions peuvent détruire les circuits intégrés selon l'art antérieur s'il n'existe pas de moyens de protection extérieurs, très coûteux. D'une manière classique, les dispositifs selon l'art antérieur destinés à protéger des circuits intégrés contre les sur tensions utilisent une diode zener extérieure, branchée en série avec une résistance entre les bornes d'alimentation. En cas de surtension positive de valeur excessive, il y a claquage de la diode zener et la résistance limite le courant traversant cette diode. Cependant, en particulier dans les applications aux véhicules automobiles, la résistance extérieure doit obligatoirement avoir une valeur faible pour ne pas produire de chute de tension trop élevée qui nuirait au fonctionnement du circuit intégré. La diode zener est alors traversée par un courant de très forte intensité lorsqu'elle se trouve en état de claquage, et il est nécessaire d'utiliser des diodes zener de prix élevé pouvant dissiper une puissance importante.La présente invention résout ces problèmes grâce un circuit qui est inclus dans la puce du circuit intégré et qui augmente la tenue en tension du circuit intégré, en lui permettant de supporter des tensions supérieures b la tension de claquage entre collecteur et émetteur -avec la base en l'air (V(BR)CEO) du circuit intégré. Les considérations précédentes montrent qu'un premier objet de l'invention concerne un circuit de protection contre les surtensions inclus dans un circuit intégré. Un second objet de l'invention concerne un circuit de protection contre les surtensions inclus dans un circuit intégré destiné être utilisé dans des environnements présentant des niveaux de bruit élevés. Un troisième objet de l'invention concerne un circuit de protection contre les surtensions inclus dans un circuit intégré destiné à etre utilisé dans les circuits électriques d'un véhicule automobile. Un quatrième o fiet de l'invention concerne un circuit de protection contre les surtensions comprenant un premier transistor dont la base et le collecteur sont connectés a des circuits associés, et dont l'émetteur est connecté à une résistance et à la base d'un second transistor, ce second transistor ayant son émetteur connecté à la masse et son collecteur connecté à la base du premier transistor. On peut dire sommairement que l'invention consiste en un circuit de protection contre les surtensions comprenant un premier et un second transistor et une résistance. L'émetteur du premier transistor est connecté à la masse et le collecteur de ce transistor est connecté b la base du second transistor, qui est le transistor a protéger. L'émetteur du second transistor est connecté 2 la base du premier transistor ainsi qu'a la résistance, l'autre extrémité de cette résistance étant connectée à la masse. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexées sur lesquels - la figure 1 représente un schéma équivalent de l'envi- ronnement électrique correspondant d un véhicule automobile; --la figure 2 est un graphique représentant la tension transitoire qui apparatt dans les circuits électriques d'un véhicule automobile lorsqu'on débranche la batterie d'accumulateurs, ainsi que l'allure du bruît que 1 on rencontre dans ces circuits; - la figure 3 est un schéma d'an mode de réalisation de l'invention;; - la figure 4 est un graphique représentant la caractéristique de claquage du mode de réalisation de la figure 3. La figure 1 représente un schéma équivalent de l'environnement soulevant les problèmes résolus par la présente invention. La figure 1 montre que le réseau électrique 1-00 d'un véhicule automobile comporte une batterie d'accumJlateurs 102, d'une tension de 12 V, possédant une borne négative 104 et une borne positive 106. La borne négative 104 est reliée au conducteur de masse 105 du réseau électrique 100. Le conducteur de masse 105 comprend le chasses du véhicule et les fils connectés en différents points du chassies. Sur la figure 1, la résistance du chassies est concentrée en un certain nombre de résistances discrètes 1083 110, 112, 114, 1i6 et 118.On sait que la valeur de ces résistances peut augmenter par suite de la corrosion du chassies, et par suite de l'affaiblissement de diverses connexions réalisées sur le chassis, sous l'influence de contraintes mécaniques au fur et a mesure du vieillissement du véhicule. La borne positive 106 de la batterie 102 est connectée å llinducteur 120 de l'alternateur, ainsi qu'à la sortie de I'alternateur. L'alternateur est représenté par la source de courant 121, et les autres bornes de cet alternateur sont reliées a la masse du réseau. La ligne d'alimentation 122, désignée ci-après par l'expression "ligne B4", est également reliée à la borne positive 106. La ligne b+ 122 passe dans le faisceau de c2blage 124 avec un grand nombre d'autres fils du réseau électrique .L"inductance répartie de la ligne B+ 122 est concentrée en plusieurs inductances discrètes 126, 128 et 130 sur le schéma équivalent de la figure 1. Le circuit intégré 132, comportant une borne d'alimentation en tension positive 134, une borne de masse 136 et une borne d'entrée 138, est branché entre le point 139 de la ligne B+ 122 et le point 140 du conducteur de masse 105. La borne d'entrée 138 est reliée au fil 142 qui passe dans le faisceau de cablage 124 où il est disposé à proximité immédiate de la ligne B+ 122. le fil 142 est connecté à l'interrupteur 143. Lorsque l'interrupteur 143 est fermé, le fil 142 est relié au point 144 du conducteur de masse 105.L'inductance répartie du fil 142 est concentrée en plusieurs inductances discrètes 1453 146 et 147. les condensateurs -discrets 123, 125 et 127 représentent le couplage capacitif entre la ligne B+ 122 et le fil 142 transportant un signal. L'accessoire électrique 150 est branché entre le point 151 de la ligne B+ 122 et le point 152 du conducteur de masse 105. Un second accessoire électrique 154, qui peut etre par exemple un moteur de climatisation, est branché entre le point 155 de la ligne B+ 122 et le point 156 du conducteur de masse 105. Un troisième accessoire électrique 158, qui peut être par exemple le moteur faisant fonctionner un siège électrique ou une fenêtre électrique, est branché entre le point 159 de la ligne B+ 122 et le point 160 du conducteur de masse 105.Les diverses inductances et capacités représentées sur la figure l,et le couplage existant entre ces éléments, produisent un niveau de bruit élevé sur le fil 142 et la ligne B+ 122 lorsque les divers accessoires électriques sont mis sous tension et hors tension. Par exemple, si l'accessoire 158 fonctionne, un courant important circule entre la borne positive 106 et la borne négative 1Q4 de la batterie, par l'intermédiaire de la ligne B+ 122, des inductances 126 et 128, et des résistances 11, 112, 110 et 108. Les résistances situées dans le conducteur de masse 105 sont généralement assez~élevées pour produire une chute de tension notable entre le point 160 et la borne négative 104.Si l'acces- soire 158 est mis subitement hors tension3 la varaition du courant traversant les inductances 126 et 128 donne lieu à une tension transitoire positive de valeur très élevée apparaissant au point 159, ainsi qu'au point 139. Une tension positive élevée apparatt donc entre les bornes 134 et 136 du circuit intégré 132. De plus, 1'inductance mutuelle existant entre les inductances 126 et 145 ainsi qu'entre les inductances 128 et 146 provoque l'apparition d'une tension transistoire positive de valeur élevée sur le fil 142, et donc sur la borne 13u du circuit intégré 132, en particulier dans le cas où l'interrupteur 143 est ouvert. Diune façon analogue, la mise sous tension ou hors tension des autres accessoires électriques 150 et 154 peut provoquer l'apparition de tensions transitoires positives ou négatives sur la ligne B+ 122 et sur la borne 134, ainsi que sur le fil 142 et sur la borne 138.D'une manière générale, on peut voir que tout circuit intégré appartenant au réseau électrique 100 et branché entre la ligne B+ 122 et le c-orcucteur de masse 105, a une certaine distance de la batterie 102, est cumin z des tensions transitoires apparaissant entre les bornes 134 ; iorsque des accessoires sont commutés. On voit également que le poten tiel Üe masse, servant de référence, est mal défini, à cause des courants traversant les résistances réparties 108, 110, etc.Toutes les entrées connectées a des fils passant dans le faisceau de cabrage 124 seront soumises à des tensions de bruit produites par le couplage par inductance mutuelle et par capacité avec la ligne B+ 122. I1 existe un autre type de bruit, distinct de celui qui vient d'être décrit, qui se manifeste lorsque la batterie d'ac.mulateurs est déconnectée au niveau de la borne positive 106, alors que l'inducteur 120 de l'alternateur est traversé par un courant. Dans ce cas, une tension transitoire positive d énergie élevée apparat t sur la ligne B+ 122. Le graphique de la figure L représente les deux types de tensions transitoires qui viennent d'etredécritsO La tension transitoire apparaissant lorsque os débranche la batterie d'accumulateurs est représentée sur la partie gauche de la figure, entre les points A et B. Comme le montre la figure 2, leamplitode de cette tension transitoire peut dépasser 100 V. La durée entre les points A et B est en général de 1/2 s. Cette tension transitoire apparaissant sur la ligne B+ 122 possede une amplitude et une énergie suffisantes pour détruire les circuits intégrés selon l'art antérieur ainsi que les composants discrets à semi-conducteurs de qualité courante, comme par exemple les transistors de puissance, à moins que l'on utilise un dispositif de protection des circuits intégrés. La tension C, représentée sur la partie droite du graphique de la figure 2, représente le bruit å haute fréquence et haute tension pouvant apparattre sur la ligne B+ 122 et sur le fil 142. L'amplitude de la tension de bruit C peut dépasser 300 V et sa durée est généralement comprise entre 1 et 50vs. L'énergie contenue dans ces impulsions est quelquefois suffisante pour détruire également les circuits intégrés selon l'art antérieur. L'analyse spectrale du bruit représenté sur la figure 2 montre la présence de composantes dextres haute fréquence, ayant des amplitudes de plusieurs volts à des fréquences allant jusqu'a 100 MHz. Les circuits intégrés bipolaires étant généralement des circuits intégrés rapides, ils sont très sensibles ce bruit a fréquence élevée, et il est nécessaire de prendre diverses précautions dans la conception des circuits destinés a etre utilisés dans les véhicules automobiles, afin de faire en sorte que les circuits répondent de façon certaine aux informations d'entrée plutôt qu'au bruit haute fréquence. I1 peut circuler dans les résistances du châssis des courants élevés atteignant plusieurs ampères, ce qui peut donner lieu a des chutes de tension notables dans le conducteur de ma-sse. Dans ce cas, un interrupteur ou un capteur risque d'etre référencé par rapport à un potentiel de masse différent de celui d'un circuit intégré ayant une borne d'entrée connectée au capteur ou à l'interrupteur par l-'intermédiaire d'un long fil. La figure 3 représente 1è schéma d'un circuit permettant d'augmenter la tension de claquage d'un, transistor d'un circuit intégré, en la faisant passer de V(BR)CE0 (tension de claquage entre collecteur et émetteur avec la base en l'air) à V(BRcEs (tension de claquage entre collecteur et émetteur avec la jonction émetteur-base en court-circuit), ce qui élimine les circuits de protection extérieurs ou rédait notablement leur prix. Sur la figure 3, le circuit intégré 300 comporte un transistor 301, ayant un collecteur 302, une base 304 et un émetteur 306. Le circuit intégré 300 comporte également un transistor 308 ayant un émetteur 310 connecté la masse, et ayant un collecteur 312 relié à la base 304 du transistor 301.La base 314 du transistor 308 est connectées l'émetteur 306, ainsi qu'à l'une des extrémités de la résistance 316 dont l'autre extrémité est connectée a la masse. ta base 304 du transietor 301 peut être connectée au circuit d'entrée 320, et Ie collecteur 302 de ce transistor peut être connecté au circuit de charge 322 appartenant au circuit intégré 300. Une borne d'entrée 321 est connectée au circuit d'entrée 320. La borne d'entrée 321 de la figure 3 peut, par exemple, correspondre å la borne d'entrée 138 de la figure 1, dans le cas où le circuit intégré 300 de la figure 3 correspond au-circuit intégré 132 de la figure 1.Sur la figure 3, une borne d'alimentation 323 est connectée au circuit de charge 322, et cette borne d'alimentation peut correspondre å la borne d'alimentation 134 de la figure 1. Le transistor 3Q1 est un dispositif amplificateur ou un dispositif de commutation appartenant au circuit intégré 300, et est commandé par le circuit d'entrée 320. Le circuit d'entrée 320 est commandé son tour par le signal appliqué sur la borne d'entrée 321. L'impédance amenée par le circuit de charge 322 sur le collecteur 302 peut etre relativement faible et une surtension élevée appliquée sur la borne d'alimentation 323 (qui peut,par exemple, etre connectée à la ligne B+ 122 de la figure 1) peut donc détruire le transistor 301, si la résistance 316 et le transistor 308 ne sont pas branchés comme le montre la figure 3.La protection du transistor 301 contre les surtensions excessives appliquées entre la borne d'alimentation 323 et la masse s'effectue de la façon suivante. Lorsque la tension sur le collecteur 302 dépasse légèrement la tension de claquage V (BR)CEO du transistor 301, ce transistor est soumis au phénomène de claquage entre collecteur et émetteur avec la base en l'ait, puisque le transistor 308 est bloqué, et puisque la base 304 est supposée etre électriquement flottante.La figure 4 représente la caractdristique de claquage du circuit de la figure 3, V étant la tension appliquée au collec- Leur 302 et I étant le courant traversant ce collecteur En se référant à cette figure, on voit que,lorsque la tension sur le collecteur 302 augmente encore davantage, le courant traversant la résistance 316 fait apparattre une tension qui provoque la conduction du transistor 308, ce qui tend à bloquer le transistor 301. A ce moment, le transistor 301 se trouve dans l'état de claquage entre collecteur et émetteur avec la base en l'air, ce qui correspond au point marqué W sur la courbe de la figure 4.Une fois que le transistor 308 est rendu conducteur, il s' établit qu'un équilibre apparent pour lequel la tension développe-e aux bornes de la résistance 316 par le courant traversant le collecteur et l'émetteur du transistor 301 est juste suffisante pour polariser le transistor 308 dans l'état de conduction. Le courant I est alors limité à une valeur égale au quotient de la chute de tension émettelr-base du transistor 308 par la valeur de la résistance 316. Cette condition est indiquée par le point X sur la figure 4. Si la tension appliquée au collecteur 302 augmente encore davantage, le courant I traversant le collecteur 302 diminue, comme le montre le point Y sur la figure 4. Si la tension sur le collecteur 302 augmente encore davantage, on finit par dépasser la tension de claquage V(BR)CES du transistor 301, comme le montre le point Z sur la figure 4. Bien entendu-, homme de l'art comprendra facilement que le transistor 301 peut etre un transistor réalisé sous forme de composant discret, au lieu d'appartenir à un circuit intégré. Dans ce cas, ce transistor peut etre protégé par une résistance 316 et un transistor 308 réalisés également sous forme de composants discrets et montés selon le schéma de la figure 3. On peut dire pour résumer que l'invention consiste en un circuit origJnal destiné à etre inclus dans un circuit intégré, afin de protéger un transistor de ce circuit intégré contre les surtensions excessives appliquées entre émetteur et collecteur. Cette protection est réalisée par la détection de l'établissement d'une condition de claquage entre collecteur et émetteur avec la base en l'air, et par l'établissement d'un chemin de conduction eatre-la base du transistor et la masse, ce qui permét de limiter le courant traversant le transistor jusqu'à ce que la tension dépasse la tension de claquage entre collecteur et émetteur avec la jonction émeWteur-base efi court-circuit,pour ce transistor. Cette protection ne nécessite qu'un transistor et qu'une résistance supplénenta-res, Bien entendu, diverses modifications peuvent entre -ortees par I'om de l art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'store décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l1nven- tison. REVENDICATIONS 1 - Dispositif destiné å protéger un circuit contre des surtensions, caractérisé en ce qu'il comporte : un premier transistor ayant un premier émetteur, une première base et un premier collecteur, ledit premier émetteur etant connecté une borne dudit circuit; un second transistor ayant un second émetteur, une seconde base et un second collecteur, ladite seconde base étant connectée audit premier collecteurj et ledit second émetteur étant connecté à ladite première base; et un élément résistant connecte entre ledit -second émetteur et ladite borne, de façon qu-il existe une résistance entre ledit second émetteur et ladite borne, afin dsempécher que ledit second transistor ne soit traversé par un courant excessif, tant que la tension appliquée entre ledit second collecteur et ladite borne ne dépasse pas la tension de claquage entre collecteur et émetteur avec la jonction émetteurbase en court-circuit,dudit second transistor. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément résistant est une résistance. 3 --- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit est un circuit intégré, et en ce que lesdits premier et second transistors sont des transistors de type NPN. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite seconde base est reliée à un circuit d'entrée, et en ce que ledit second collecteur est relié à un circuit de charge