Brevet FR2536921A1 — publié le 19840601

d 2536921 REGULATEUR A FAIBLE TENSION DE DECHET. La présente invention concerne un régulateur de tension à faible tension de déchet associable à une source d'alimentation susceptible d'être momentanément interrompue. La présente invention trouve notamment ses applications dans le domaine de l'électronique automobile En effet, on tend actuellement de plus en plus à utiliser des microprocesseurs dans les automobiles pour la commande ou la fourniture d'informations. Ces microprocesseurs nécessitent une tension d'alimentation stable, par exemple 5 volts à 0,25 volt près Or, les batteries d'automobiles qui fournissent normalement une tension de l'ordre de 12 à 14 volts peuvent, dans certaines circonstances, par exemple lors de démarrages à froid, se trouver fortement déchargées et fournir des tensions faibles, par exemple seulement ,5 volts D'autre part, l'environnement électrique d'un moteur d'automobile est fortement parasité et l'on peut trouver dans les circuits des surtensions importantes allant jusqu'à 120 volts en valeur de crête positive et négative Quand il s'agit d'une valeur de crête négative, cela signifie en fait que l'alimentation est interrompue Heureusement, ces durées d'interruption sont brèves, tout au plus de l'ordre de quelques millisecondes. La figure 1 représente un exemple simple de régulateur à faible tension de déchet Ce régulateur qui reçoit une tension d'alimentation VA entre ses bornes d'entrée 1 et 2, par exemple en provenance d'une batterie, fournit une tension d'utilisation Vu entre ses bornes de sortie 3 et 2, par exemple pour un microprocesseur Il comprend essentiellement un transistor PNP 4 dont l'émetteur est relié à la borne d'entrée 1 et le collecteur à la borne de sortie 3 la base du transistor PNP 4 est alimentée par un circuit 5 de commande de régulation Ce circuit 5 comprend par exemple un amplificateur différentiel 6 recevant, d'une part, une tension de référence sur sa première borne d'entrée 7 et, d'autre part, sur sa deuxième borne d'entrée 8, un signal en pro- venance d'un pont diviseur 9, 10 traduisant la tension présente entre les bornes de sortie 3 et 2 Quand la tension d'utilisation doit par exemple être de 5 volts, la tension d'alimentation peut descendre à une valeur de 5 volts + VC Esat, V Cesat étant la chute de tension collecteur-émetteur à la saturation du transistor PNP et pouvant être de l'ordre de 0,4 à 0,5 volt si la tension de base est convenable Ainsi, la différence entre la tension d'utilisa- tion et la tension d'alimentation minimale, c'est-à-dire la ten-. sion de déchet du régulateur, est nettement inférieure à un volt, même en tenant compte des pertes dans les fils électriques. On va maintenant examiner comment on peut garder les avantages de faible chute de tension de ce régulateur à transistor PNP tout en permettant un maintien de la tension d'utilisation pendant de brèves chutes de la tension d'alimentation en-dessous de la valeur de seuil. Les figures 2 et 3 représentent, avec les mêmes références que celles utilisées en figure 1 pour des éléments ana- logues, des tentatives effectuées dans l'art antérieur pour atteindre ce but. Dans le cas de la figure 2, un condensateur réservoir 11 est placé entre les bornes d'alimentation 1 et 2 et une diode 12 empêche ce condensateur de se décharger vers l'alimentation. Ainsi, dès que la tension entre les bornes 1 et 2 chute momentanément, le condensateur prend le relais et alimente le cir- cuit Ce schéma fonctionne bien, avec des valeurs raisonnables de la capacité du condensateur 11, quand la source d'alimentation est normalement à niveau élevé et chute temporairement, par exemple pendant quelques millisecondes à des valeurs faibles Mais, cette configuration ne permet pas à la tension d'alimentation de rester pendant des durées relativement longues à des valeurs proches de la tension d'utilisation En effet, la chute de tension en fonc- tionnement normal entre les bornes 1 et 3 comprend, comme précédemment, la chute de tension collecteur-émetteur à la satura- tion du transistor PNP 4 (VC Esat), mais il faut ajouter à cette valeur la chute de tension dans la diode 12, couramment de l'ordre de 0,6 à 0,8 volt, ce qui donne un total supérieur à un volt. Pour'éviter cet inconvénient, on a proposé le schéma de la figure 3 dans lequel un condensateur réservoir 13 est placé entre les bornes d'utilisation Dans ce cas, le fonctionnement normal est satisfaisant puisque l'on retrouve alors comme différence de potentiel entre les bornes d'alimentation 1 et 3 la seule chute de tension collecteur- émetteur du transistor 4 Mais, le condensateur réservoir 13 est alimenté normalement sous la ten- sion d'utilisation Donc, nécessairement, dès que la tension d'alimentation est interrompue, la tension entre les bornes d'utilisation diminue On souhaite par exemple que cette tension ne puisse pas chuter de plus que de 0,25 volt Un calcul simple montre dans des cas pratiques que, pour ce faire, si les interrup- tions de tension doivent durer quelques millisecondes, on atteint des valeurs du condensateur prohibitives pour une consommation normale de circuit intégré, par exemple de l'ordre de 150 milliampères - Ainsi, l'art antérieur nous enseigne que les régulateurs à condensateur réservoir présentent l'un ou l'autre de deux inconvénients: ou bien la tension dé déchet (différence minimale entre la tension d'alimentation et la tension d'utilisation) est trop élevée, ce qui est le cas de la structure de la figure 2, ou bien il faut prévoir des condensateurs de valeur extrêmement élevée qui sont coûteux, encombrants et présentent de mauvaises caractéristiques de dérive thermique (cas de la figure 3). Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un circuit de régulateur à faible tension de déchet et à conden-_ sateur réservoir évitant les deux inconvénients précédents. Pour atteindre cet objet ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un régulateur de tension, associable à une source de tension d'alimentation susceptible d'atteindre des valeurs très proches de la tension visée et même d'être momentanément interrompu, dans lequel un transistor PNP est connecté par son émetteur à la source, fournit par son collecteur la tension souhaitée et reçoit sur sa base une tension de commande de régulation Ce régulateur comprend en outre un deuxième tran- sistor PNP dont le collecteur est relié à celui du premier, dont la base reçoit la tension de commande et dont l'émetteur est relié, d'une part, à la tension d'alimentation par l'intermédiaire d'un moyen de charge et éventuellement d'isolement, d'autre part, à la masse par 1 l'intermédiaire d'un condensateur réservoir Ce régulateur peut en outre comprendre des moyens pour fournir un signal d'inhibition quand le condensateur est insuffisamment chargé ou qu'un délai minimal ne s'est pas écoulé après l'application de la tension d'alimentation. Ces caractéristiques et avantages ainsi que d'autr'es de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles les figures 1 à 3 illustrent des régulateurs de l'art antérieur, les figures 4 à 6 illustrent divers modes de réalisation d'un régulateur selon la présente invention. Dans toutes ces figures, de mêmes références désignent des éléments similaires. Dans le circuit de la figure 4, qui illustre un mode de réalisation de la présente invention, on retrouve les éléments portant les références 1 à 10 déjà représentés en figure 1 Outre ces éléments, il est prévu un deuxième transistor PNP 20 semblable au transistor 4, c'est-à-dire nécessitant sensiblement la même commande de base et pouvant laisser passer le même courant d'utilisation; Ce transistor 20 est -relié par son collecteur au collecteur du transistor 4 et est alimenté par sa base de la même façon que le transistor 4 L'émetteur du transistor 20 est relié à une borne d'un condensateur réservoir 21, cette borne étant également reliée à la borne d'alimentation 1 par l'intermédiaire d'un moyen de charge, constitué par exemple d'une résistance 22. Si nécessaire, il es-t également prévu un moyen d'isolement constitué par exemple d'une diode 23, mais-généralement le conden- sateur réservoir n'aura pas le temps de se-décharger notablement au cours de brèves interruptions de tension. Le fonctionnement du circuit de la figure 4 est le suivant Si la tension d'alimentation à la borne 1 est suffisante, le circuit fonctionne comme celui de la figure 1 et le transistor n'est pas conducteur Pendant cette phase de fonctionnement normal, le condensateur réservoir 21 se charge Ensuite, si la tension d'alimentation chute et que la tension sur l'émetteur du transistor 20 devient supérieure à la tension à l'émetteur du transistor 4, c'est ce transistor 20 qui se met à conduire et qui décharge le condensateur réservoir 21 dans le circuit d'utilisation Ensuite, à chaque instant, c'est celui des tran- sistors 4 et 20 qui présente la tension d'émetteur la plus élevée qui sera à l'état conducteur. Cette disposition permet un fonctionnement durable avec des tensions d'alimentation très proches de la tension d'utilisation et permet d'utiliser un condensateur 21 de dimen- sions raisonnables dans le cas o, à partir d'une tension d'alimentation moyenne, par exemple 12 à 14 volts, de brèves interruptions de tension se produisent Par exemple, si la tension d'alimentation normale du condensateur 21 est de 13,5 volts, que la consommation du circuit d'utilisation est de 150 milliampères ( 0,15 A) et sa tension d'utilisation de 5 volts, en choisissant une valeur de 47 microfarads pour le condensateur 21, la durée pour que la tension chute de 14 volts à 5,5 volts, soit de 8,5 volts, est T C V/I = 47 10-6 8,5 /0,15 = 2,66 ms, c'est-à-dire que, si la tension de batterie était de 14 V, on peut supporter une interruption d'alimentation de près de 3 ms sans que la tension d'utilisation aux bornes du microprocesseur ne change. D'autre part, dans le cas ou le circuit d'utilisation est un microprocesseur, il est généralement utile d'inhiber son fonctionnement dans les quelques instants qui suivent la mise sous tension Pour cela, on peut se servir du condensateur 21 comme élément d'un circuit-de temporisation propre à fournir un signal d'inhibition tant que la charge aux bornes de ce condensateur est insuffisante Pour ce faire, on peut prévoir un comparateur 25 recevant sur une borne la tension aux bornes du condensateur 21, sur une autre borne une tension de référence et fournissant en sortie un signal d'inhibition. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention dans lesquels on détaille les éléments faisant partie d'un circuit intégré et ceux externes à-ce circuit intégré, sont illustrés dans les figures 5 et 6 Ces circuits sont quelquefois un peu plus complexes qu'il ne serait nécessaire dans le but de limiter le nombre des bornes de connexion En effet, dans un cir- cuit intégré, le coût de la prévision d'une borne supplémentaire est bien supérieur au coût de la prévision de quelques transistors supplémentaires Par contre, on tiendra compte du fait que les transistors PNP sont particulièrement coûteux à réaliser sous forme de circuit intégré avec les technologies usuelles Par exemple, un transistor PNP de 500 milliampères occupe une surface d'environ 2 mm 2 de silicium alors que le reste du circuit qui sera exposé ci-après en relation avec la figure 5 n'occupe qu'une sur- face d'approximativement 0,5 mi 2 Toutefois, il est souhaitable que le transistor PNP principal, désigna précédemment par la référence 4, soit réalisé sous forme de circuit intégre car les transistors PNP réalisés sous forme intégrée peuvent supporter des tensions négatives parasites plus importantes que les éléments discrets usuels. Ainsi, la figure 5 représente un mode de réalisation de la présenté invention remplissant notamment toutes les fonctions du circuit de la figure 4 plus quelques fonctions supplémentaires qui seront exposées ciaprès On retrouve bien dans le circuit de la figure 5 les bornes d'entrée et de sortie 1 à 3, le transistor PNP 4, l'ensemble 5 à 10 de régulation (on a en outre f iguré sous forme d'un cercle la source de tension de référence pour la régulation) On retrouve également le second transistor PNP 20, le condensateur réservoir 21, sa résistance de charge 22 et la diode d'isolement 23 Les autres éléments du circuit sont destinés à pouvoir le faire fonctionner selon différentes configurationsr - Si l'on utilise seulement les éléments figurés à l'intérieur du cadre en pointillés 30, ceci constitue un ensemble d'éléments intégrables correspondant à un régulateur à faible ten- sion de déchet et permettant de fournir un signal de remise à zéro Pour cette fonction, il est prévu une source de courant 31 et un comparateur 25 ainsi que deux diodes d'isolement 32 et 33. Si l'on n'utilise pas le deuxième transistor selon la présente invention, mais que l'on branche directement le condensateur 21 la borne d'accès-C du circuit intégré, au moment de l'application d'une tension à la borne 1, la source de courant charge à courant constant le condensateur 21, c'està-dire que l'on obtient à l'entrée du comparateur 25 une tension égale à la tension de référence seulement après un retard prédétermin 6 On obtient donc à la borne R de sortie du comparateur 25 un signal de -tem- porisation. On peut aussi brancher l'ensemble des éléments 20 à 23 illustrés pour retrouver un fonctionnement du type de celui décrit précédemment en relation avec la figure 4 Ainsi, le circuit de la figure 5 décrit un circuit intégré réalisable en pratique et per- mettant d'assurer diverses fonctions selon les voeux d'un utilisateur On notera que ce circuit intégré ne comprend que cinq bornes d'accès La figure '6 représente un autre mode de réalisation de la présente invention dans lequel les deux transistors PNP 4 et 20 sont réalisés dans le même circuit intégré Ceci est économiquement possible à l'heure actuelle quand on n'envisage pas des puissances trop importantes, les transistors PNP ayant alors des dimensions réduites, par exemple dans le cas des exemples pris préc&édemment o le circuit est destiné à alimenter un micropro- cesseur ne demandant pas plus de 150 milliampères de -courant d'alimentation. Le circuit de la figure 6 comprend les mêmes-cinq bornes d'accès que celui de la figure 5, à savoir les bornes d'entrée et sortie 1, 2, 3, la borne C destinée à etre-reliée au condensateur et la borne de fourniture de signal d'inhibition R On retrouve à l'intérieur du circuit intégrés, outre Ies deux transistors PNP 4 et 20, le comparateur 5 et le comparateur 25 avec leurs sources de tension de référence et les résistances 9 et 10 Il est également prévu une source de courant de faible valeur 31 connectée entre les bornes 1 et C, dont le rôle sera exposé ci-après. En fonctionnement normal, on connecte le condensateur réservoir 21, la résistance 22 et 23 comme exposé précedemment, et l'on obtient toutes les fonctions annoncées précédemment régulateur à faible tension de déchet, possibilité de maintien de la tension d'utilisation en cas de coupure de la tension d'alimentation, fourniture d'un signal de temporisation à la borne R. Si un utilisateur ne souhaite pas bénéficier de la possibilité de pallier à de brèves coupures de la tension d'alimentation en maintenant la possibilité de disposer d'un signal de temporisation, il pourra ne pas utiliser et connecter la résistance 22 et la diode 23 et utiliser seulement un condensateur 21 de faible valeur La temporisation a la mise en service est assurée par la charge du condensateur 21 par la source de courant 31 A titre d'exemple numérique, la source de courant peut être de 15 microampères et le condensateur 21 de 0,1 microfarad dans ce cas, alors que le condensateur réservoir doit avoir une valeur de 47 microfarads, par exemple, et donc être chargé par un courant 470 fois plus important pour assurer la même temporisation. D'autre part, dans le cas du circuit de la figure 6, si l'on veut augmenter la puissance disponible à la borne 3 et que l'on n'envisage pas le cas o la tension chute momentanément en- *dessous d'une valeur de seuil, la borne C peut être connectée à-la borne 1 Les deux transistors PNP 4 et 20 fonctionnent alors en parallèle et la puissance du circuit est doublée Bien entendu, dans ce cas, comme l'on n'a pas branché le condensateur 21, le signal disponible à la borne R n'a plus de signification. REVENDICATIONS. 1 Régulateur de tension associable à une source de ten- sion d'alimentation susceptible d'atteindre des valeurs très proches de la tension visée et même d'être momentanément interrompue, dans lequel un premier transistor PNP ( 4) est connecté par son émetteur à la source d'alimentation ( 1), fournit à son collecteur la tension souhaitée et reçoit sur sa base une tension de commande de régulation, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un deuxième transistor PNP ( 20) dont le collec- teur est relié à celui du premier, dont la base reçoit la tension de commande et dont l'émetteur est relié, d'une part, à l'émetteur du premier transistor par l'intermédiaire d'un moyen de charge tel qu'une résistance ( 22), d'autre part, à la masse par l'intermédiaire d'un condensateur réservoir ( 21). 2 Régulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un moyen d'isolement, tel qu'une diode d'isolement ( 23), est connecté en série avec le moyen de charge. 3 Régulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour fournir un signal d'inhibition quand le condensateur est insuffisamment chargé. 4 Régulateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens pour fournir un signal d'inhibition compren- nent un comparateur comparant la tension sur le condensateur ( 21) à une tension de référence. Régulateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens pour fournir un signal d'inhibition compren- nent en outre des moyens pour charger à courant constant le con- densateur ( 21). 6 Régulateur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend dans un même circuit intégré le transistor PNP ( 4), ses moyens d'alimentation de base ( 5 a 10), une source de courant ( 31) et un comparateur ( 25) fournissant un signal d'inhibition. 7 Régulateur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, dans le même circuit intégré, le deuxième transistor PNP ( 20).