Brevet FR2512598A1 — publié le 19830311

La présente invention est relative a la protection des circuits intégrés du type bipolaire contre les surtensions. Plus particulièrement, l'invention concerne un circuit de protection pouvant être intégré sur une pastille semi-conductrice avec le circuit qu'il est chargé de protéger. On sait qu'en technologie bipolaire, les circuits intégrés peuvent supporter'des surtensions assez importantes qui sont de l'ordre de 40 V pour un régime stationnaire et de 60 V pour des périodes brèves mais répétées. Toutefois, l'application des circuits bipolaires a la technique de l'électronique appliquée aux automobiles a été considérablement limitée en raison du fait que dans cette application particulière, les circuits doivent pouvoir supporter des surtensions pouvant aller jusqu'! 120 V pendant 300 ms. Bien entendu, il est possible de recourir a des techniques classiques de protection utilisant des montages à diode Zener montée à l'extérieur du circuit intégré, mais il est évident que cette solution bien que technique ment satisfaisante, n'est pas appropriée car elle augmente le coût du circuit électronique, nécessite un montage particulier et introduit des causes de pannes supplémenta ires. I1 est donc souhaitable d'intégrer la fonction de la diode Zener dans la pastille du circuit à protéger. Cependant, dans la réalisation d'un circuit intégré, on se trouve évidemment confronté à des contraintes de taille et de dissipation d'énergie, de sorte que, pour les puissances envisagées, une seule diode de puissance (ou un transistor ayant la meme fonction) ne suffit pas. I1 est donc déjà connu de réaliser sur le circuit, un groupe de transistors connectés en série par leur circuit collecteur- émetteur. Ainsi, avec cinq composants intégres sais en sé- rie, on peut obtenir une tension de Zener de 30 V environ. Cette solution est également satisfaisante du pOint de vue technique, mais dans une certaine mesure seulement, car les surtensions que l'on peut rencontrer, surtout dans un environnement automobile, peuvent entralner un claquage n secondaire " (terme anglo-saxon " secondary breakdown ") irréversible des composants et une destruc- tion du circuit de protection. De plus, un tel groupe de composants de puissance nécessite comparativement au circuit à protéger une place considérable sur le circuit intégré. L'invention a pour but de fournir un circuit de protection simple et efficace, dépourvu des inconvé- nients, tant des circuits de protection extérieurs qu'aux circuits de protection qui sont intégrés sur une même pastille avec le circuit à protéger. L'invention a donc pour objet un circuit destiné à protéger contre les surtensions un circuit intégré du type bipolaire-appartenant notamment à un équipement pour véhicule automobile, les deux circuits étant intégrés sur une même pastille semi-conductrice, le circuit de protection étant connecté en parallèle à deux bornes de connexion du circuit à protéger et comportant un groupe de n composants en série remplissant une fonction de Zener, ce circuit de protection étant caractérisé en ce que lesdits composants du groupe de n composants en série sont de faible puissance comparativement à l'énergie des surtensions à neutraliser et en ce que ces composants sont reliés à l'électrode de commande d'un composant de puissance capable de dissiper l'énergie des surtensions à supprimer, le circuit principal de ce composant de puissanceétant monté en parallèle sur lesdites bornes de connexion du circuit à protéger. Grâce à ces caractéristiques, la fonction de protection d'une part et la fonction de détection de la surtension d'autre part, sont dissociées dans des parties distinctes du circuit de protection, ce qui permet de ré- duire considérablement la place nécessaire sur le circuit intégré pour le circuit de protection, car il suffit de ne pr6- voir qu4un seul composant de puissance au lieu de n composants dans la technique antérieure, tandis que les composants de détection à faible puissance ont une taille très réduite. Par conséquent, l'invention permet également moyennant une faible dépense de place sur le circuit inté- gré d'augmenter la tension de Zener du circuit de protection par une simple augmentation du nombre de composants de faible puissance.En outre, l'ensemble des composants agences selon ces caractéristiques est dépourvu de tout phénomène d'avalanche secondaire habituel aux circuits de protection classiques. Le composant de puissance est de préférence un transistor connecté en montage à émetteur commun, tandis que les n composants semi-conducteurs sont des transistors dont la base est reliée au collecteur et dont les circuits émetteur-collecteur sont mis en série entre la base et l'émetteur du transistor de puissance. Dans le cas où le composant de puissance est un transistor, il est avantageux selon une autre caractéristique de l'invention1 de monter en série avec le circuit principal du composant de puissance, un élément r sistif afin de réduire au minimum les risques de claquage secondaire irréversible du transistor. Suivant une autre caractéristique, cet élément résistif est formé par le trajet de conduction dans le sens passant d'une diode intégré sur la pastille du circuit a protéger en même temps que ce dernier. L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide de dessins représentant seulement un mode d'éxécution. - la Fig.1 est un schéma d'un premier mode de réalisation du circuit de protection suivant l'invention; - la Fig.2 montre un autre mode de réalisation de celle-ci; et - la Fig.3 est un diagramme représentant, en coordonnées linéaires, les courbes de charge du transistor de puissance utilisé dans le circuit de protection suivant l'invention (courant de collecteur IC en fonction de la tension collecteur-émetteur VCE). On se réfère d'abord a la Fig.l qui représente un premier mode de réalisation de l'invention. Le circuit intégré bipolaire a protéger est syza- bolisé par le rectangle 1 en traits mixtes. Bien qu'il puisse s'agir de tout circuit électronique susceptible de recevoir des surtensions, l'invention se prête particulie- rement a la protection des circuits utilisés dans les véhicules automobiles. En effet, les équipements de ceuxci sont de plus en plus munis de circuits électroniques assurant la commande d'allumage, le réglage de la température du moteur, la climatisation de l'habitacle, etc. Or, ces circuits sont soumis ss des conditions de fonctionnement très rigoureux du point de vue électrique non seulement au niveau de leur alimentation en énergie, mais également à leurs entrées recevant des signaux de mesure de capteurs divers détectant des paramètres a réguler, par exemple. Les liaisons entre les divers élé- ments dont le circuit intégré, sont assurées par des fils qui peuvent aapter toutes sortes de parasites engendrant des surtensions,-C'est pourquoi, on a imposé aux constructeurs des circuits intégrés des exigences sévères de protection contre les surtensions, le-circuit intégré devant résister a des pointes de tension pouvant aller jusqu'a 120 V pendant 300 ms. Pour en revenir a la Fig.l, le circuit intégré à protéger comporte donc deux bornes de connexion 2 et 3 qui sont reliees respectivement par des fils 4 et 5 a un dispositif extérieur 6. Les bornes 2 et 3 peuvent être des bornes d'alimentation du circuit intégré 1 cas auquel le dispositif extérieur 6 sera la batterie du véhicule. Mais il est également possible que ce dispositif soit un capteur d'un paramètre donné, par exemple un capteur magnétique détectant la vitesse de rotation du volant du moteur du véhicule. Dans ce cas, les bornes 2 et 3 sont les bornes d'entrée du circuit intégré. Le circuit de protection proprement dit est désigné par la référence 7. I1 comporte un transistor de puissance 8 monté en circuit à émetteur commun, son collecteur étant relié par une résistance 9 à la borne 2 du circuit intégré. Entre la base du transistor 8 et la jonction de la résistance 9 avec la borne -2 est relié un groupe de cinq composants 10-1 à 10-5 ( le nombre étant choisi à titre d'exemple) qui remplissent ensemble une fonction de Zener. I1 s'agit ici de cinq transistors de faible puissance dont les circuits émetteur-collecteur sont tous reliés en série et dont les bases sont reliées à l'émetteur du transistor respectif. Les composants 8, 9 et 10-1 à 10 5 sont tous intégrés sur la même pastille que le circuit intégré 1. Lorsqu'unie surtension apparaît sur les fils 4 et 5, dépassant la valeur de la tension fixée par le groupe de transistorsl0-l à 10-5, le transistor 8 est commandé et l'énergie en excès est conduite vers la masse à travers le circuit collecteur-émetteur de ce transistor. La Fig.3 montre en coordonnées linéaires, les caractéristiques d'un transistor bipolaire de puissance (I = f (VCE)) -utilisable dans le circuit de protection suivant l'invention. La fiabilité du circuit de protection 7 dépend de la courbe de claquage secondaire qui désigne la limite au-delà de laquelle le claquage du transistor en provoque la desctruction irréversible ( courbe 11 de la Fige3) On voit que la tension que peut supporter un transistor de ce type diminue lorsque le courant de collecteur augmente. Par ailleurs, les transistors intégrés sont pluD sensibles quant au claquage secondaire q les transistoTs indivi- duels non intégrés, car dans un circuit intégré les champs électriques transversaux ont tendance à augmenter le risque de claquage irréversible. Par conséquent, bien que pour des circuits à pro téger contre les surtensions de faible valeur relative, il peut être suffisant de ne prévoir que le transistor de puissance dépourvu de la résistance de collecteur 9, il est avantageux suivant une caraètéristique importante de l'invention de prévoir cette résistance, de manière à obtenir la droite de charge 12 de la Fig.3. Dans ces conditions, une augmentation du courant de collecteur entraî- ne une augmentation de la tension aux bornes de la résistance et une diminution concomitante de la tension VCE de sorte que le point de fonctionnement du transistor reste toujours en-deçà de la courbe de claquage secondaire 11. La Fig.2 montre un mode de réalisation avantageux du circuit de protection suivant l'invention. Dans ce cas, la résistance 9 est remplacée par une diode 13 intégrée avec le circuit 1 à protéger, cette diode ayant dans le sens passant une résistance ohmique relativement élevée, calculée en fonction des surtensions auxquelles on peut s'attendre sur les fils 4 et 5. Cette diode est d'autant plus avantageuse qu'elle protège le circuit in tégré contre un éventuel branchement erroné des bornes d'alimentation 2 et 3 sur une batterie (inversion de polarité). Dans le cas de la Fig.2, le groupe de transistorslO-l à 10-5 est relié par une résistance 14 au fil 4 provenant d'une résistance série 15 connectée à une batterie 16. Cette Figure montre également que le circuit de protection 7 peut desservir éventuellement un circuit intégré supplémentaire ( non représenté ). A cet effet, l'anode de la diode 13 est reliée à la base d'un transistor 17 monté en amplificateur, le circuit supplémentaire à protéger étant connecté au collecteur de ce transistor par un fil 18. Une résistance 19 est connectée entre la base et le collecteur du transistor 17. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés. Ainsi, des circuits équivalents avec des transistors de types de conductibilité opposés rentrent également dans le cadre de l'invention. Par ailleurs, des composants autres que des transistors pourraient remplir le rdle de composant de puissance ainsi que celui des transistors Zener tels que représentés. REVENDICATIONS 1. Circuit destiné à protéger contre les surtensions un circuit intégré (1) du type bipolaire appartenant notamment à un équipement pour véhicule automobile, les deux circuits étant intégrés sur une même pastille semi-conductrice, le circuit de protection (7) étant connecté en parallèle à deux bornes de connexion (2,3) du circuit à proteger et comportant un groupe de n composants en série (10-1 à 10-5) remplissant une fonction de Zener, ce circuit de protection étant caractérisé en ce que lesdits composants (10-1 à 10-5) du groupe de n composants en série sont de faible puissance comparativement à l'éner- gie des surtensions à neutraliser et en ce que ces composants sont reliés à l'électrode de commande d'un composant de puissance (8) capable de dissiper l'énergie des surtensions à supprimer, le circuit principal de ce composant de puissance étant monté en parallèle sur lesdites bornes de connexion (2,3) du circuit à protéger (1) , ce circuit étant dépourvu ainsi de tout phénomène d'avalanche secondaire. 2. Circuit suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le composant de puissance (8) est un transistor. 3. Circuit suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les composants à fonction Zener sont des transistors (10-1 à 10-5) dont la base est reliée au circuit collecteur-émetteur. 4. Circuit suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un élément résistif (8;13) est relié en série avec le circuit principal du composant de puissance (8). 5. Circuit suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément résistif est une résistance (8) intégrée avec le circuit à protéger. 6. Circuit suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément résistif est une diode (13) intégrée avec le circuit à protéger et présentant dans le sens passant une résistance de valeur élevée. 7. Circuit suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans le cas où lesdites bornes (2,3) sont des bornes d'alimentation connectées à une batterie (16), caractérisé en ce qu'il est prévu au moins une connexion (18) destinée à être branchée à un circuit supplémentaire à protéger et en ce que cette connexion est reliée au circuit collecteur-émetteur dudit transistor de puissance (8) par l'intermédiaire d'un composant amplificateur (17) extérieur audit circuit intégré.