Brevet FR2629284A1 — publié le 19890929

La présente invention est relative a un circuit intégré de puissance "intelligent" et, plus particulière- ment, à un tel circuit équipé d'un dispositif de protection contre l'inversion de ses connexions à une source d'alimentation électrique. On réunit SOUS le nom de circuits intégrés de puissance "intelligents" (de l'expression anglo-saxonne "smart power integrated circuits), des circuits intégrés rassemblant sur une meme puce des fonctions logiques réalisées en technologie MOS ou bipolaires, par exemple, et au moins un composant de puissance DMOS ou bipolaire, par exemple. Diverses technologies de réalisation de tels circuits intégrés ont été développées, et celles-ci ont conduit à des produits tels que les circuits SMARTMOS de la société des Etats-Unis d'Amérique MOTOROLA, les produits en technologie S2P2 ou VIP de la société italienne SGS MICROELECTTRONICA ou les SMART SIPMOS de la société SIEMENS AG de la République Fedérale d'Allemagne. De tels circuits intégrés de puissance "intelligents" s'avèrent particulièrement bien adaptés à la résolution de problèmes qui se posent en électronique automobile. En effet, des fonctions telles que l'allumage, la commande du temps d'injection, la modulation de la pression dans les circuits de freinage font appel & des charges inductives dont l'alimentation doit être commandée par des transistors de puissance. Ces transistors de puissance sont eux-memes contrôlés par des circuits logiques a courants faibles que l'on peut intégrer, grace à ces nouveaux circuits de puissance "intelligents", sur la meme puce que le transistor de puissance qui commande l'alimentation de la charge inductive.Comme exemple de telles charges inductives, on peut citer le bobinage d'un injecteur ou celui d'une électrovanne modulatrice d'une pression d'un liquide de freinage dans un dispositif d'antiblocage des roues. On peut citer encore la bobine d'un circuit primaire d'allumage inductif. En électronique automobile, la source d'alimentation en énergie électrique des dispositifs électroniques de commande embarqués dans un véhicule est ordinairement constitué par la batterie de ce véhicule. I1 faut alors prévoir des moyens de protection de ces dispositifs contre une malencontreuse inversion éventuelle des bornes de cette batterie lorsqu'on connecte ou qu'on reconnecte les dispositifs électroniques de commande à cette source d'alimentation. En effet, la plupart des circuits électroniques comprennent une ou plusieurs diodes "intrinsèques" normalement polarisées en sens inverse entre la broche d'alimentation du circuit qui doit être connectée à la borne positive de la batterie et la masse. Dans un circuit intégré classique on trouve par exemple une telle diode entre un substrat de type P, à la masse et un caisson épitaxié de type N constituant par exemple le collecteur d'un transistor bipolaire NPN. Dans un circuit de puissance "intelligent", on trouve aussi une telle diode entre une "baignoire" d'isolation de type P, isolant un circuit classique à courant faible, et un caisson épitazié de type N intérieur à cette baignoire.Une autre diode intrinsèque est aussi établie entre le substrat supplémentaire de type N+ typique d'un tel circuit de puissance, connecté & la borne positive de la source d'alimentation et une baignoire d'isolation de type P connectée à la masse. Pour simplifier, on peut considérer que de tels ensembles de diodes placées en parallèle, sont équivalents à une diode unique intrinsèquement contenue dans le circuit. Lors d'une inversion des connexions de la batterie au circuit, cette diode intrinsèque est alors polarisée dans le sens direct et autorise alors la batterie å débiter un courant dans le circuit, de sens inverse de celui qui est admis lorsque la connexion est correcte. Dans un circuit de puissance "intelligent", l'admission d'un tel courant inverse dans la partie "courant faible" du circuit peut provoquer la destruction de celui-ci, si la chute de tension directe de cette diode est très inférieure (couramment de l'ordre de 0,6 volt) à la tension appliquée par la batterie (couramment 12 volts).Cette situation se retrouve également lorsque le circuit est soumis & de fortes surtensions négatives induites dans les conducteurs du circuit (qui peuvent aller jusqu'à 90 volts en électronique automobile) ou résultant de la décharge de charges inductives commandées par le circuit (bobinages d'injecteurs ou d'électrovannes, par exemple). Pour éviter une telle destruction, une solution classique de la technique antérieure consiste à placer, entre la borne positive de la batterie et la broche d'alimentation +V du circuit, un composant de protection qui peut être une résistance, une diode ou un transistor, par exemple. La figure 1 du dessein annexée illustre cette solution connue pour un circuit de puissance "intelligent" 1 comprenant un sous-circuit "courant faible" et un souscircuit de puissance (schématisé en trait fort) dans lequel un commutateur électronique schématisé en 2 et commandé par le sous-circuit "courant faible", déclenche l'alimentation d'une charge 3, inductive par exemple, placée en série avec un composant de protection 4 et le commutateur 2, entre les bornes d'une source d'alimentation 5 constituée par exemple par la batterie d'un vehicule.Plus précisément, la charge 3 est connectée entre une broche "de puissance" 6 du circuit 1, et la borne négative ou "masse" de la batterie 5. La batterie alimente aussi le circuit 1 entre une broche d'alimentation positive +V et la "masse" 7 du circuit, cette dernière étant ainsi connectée en 8 à la borne négative de la batterie par une liaison qui voit passer un courant i relativement faible par rapport au courant I fourni par la batterie. La diode 9 schématise se la diode "intrinseque" dont il est question plus haut, normalement polarisée en inverse entre les broches d'alimentation +V et 7 du circuit. Cette solution n'est pas sans inconvénient. En effet, en électronique automobile, il est souvent necessaire de placer le commutateur électronique 2 (un transis tor de puissance DMOS "vertical" par exemple) au point "chaud", du côté de la borne positive de la batterie, le retour s'effectuant par le bati du véhicule. Le composant de protection 4 voit alors passer tout le courant consommé par la charge 3. Ce courant fort provoque une forte dissipation thermique dans le composant 4 qui doit alors présenter des dimensions importantes empechant son intégration. La présente invention a donc pour but de réaliser un circuit intégré de puissance "intelligent" qui ne présente pas cet inconvénient. La présente invention a aussi pour but de réaliser un tel circuit équipé d'un composant de protection qui ne présente qu'une très faible résistance lorsque le circuit est alimenté normalement, pour éviter de perturber des signaux référencés & la masse et traités par le circuit. La présente invention a encore pour but de réaliser un tel circuit comprenant un composant de protection présentant une résistance élevée lors d'une inversion des connexions de la source d'alimentation et du circuit pour limiter alors la dissipation thermique dans le circuit. On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparattront dans la suite de la présente description avec un circuit intégré de puissance "intelligent" & dispositif de protection contre l'inversion des connexions des bornes positive et négative d'une source d'alimentation électrique continue aux broches d'alimentation positive +V et "masse" de ce circuit, respectivement, le circuit comprenant un sous-circuit de commande alimenté en courants faibles entre les deux broches d'alimentation du circuit pour élaborer un signal de commande d'un commutateur électronique de puissance formant partie d'un souscircuit de puissance intégré au circuit et connecté la broche +V pour commuter l'alimentation d'une charge extérieure à partir d'une broche de puissance du circuit, circuit caractérisé en ce que le dispositif de protection est constitué par un organe semi-conducteur connecté en série avec la masse du circuit intégré et la borne négative de la source d'alimentation, et commandé par un signal de meme polarité que la tension établie par la source entre la broche d'alimentation +V et la broche de masse du circuit, pour autoriser ou bloquer le passage d'un courant dans le sous-circuit de commande entre la masse du circuit intégré et la borne négative de la source d'alimentation, suivant que cette polarité est positive ou négative, respectivement. Suivant un premier mode de réalisation de l'invention, l'organe semi-conducteur est un transistor MOS canal N à montage inversé dont le circuit source-drain commande le passage d'un courant entre la masse du circuit et la borne négative de la source d'alimentation, la grille etant connectée à un point du circuit dont le potentiel est de meme signe que celui de la broche d'alimentation positive +V du circuit. Suivant un deuxième mode de réalisation de l'invention, l'organe semi-conducteur est un transistor bipolaire du type NPN dont le circuit émetteur-collecteur commande le passage d'un courant entre la masse du circuit et la borne négative de la source d'alimentation, la base du transistor étant connectée à un point du circuit dont le potentiel est de même signe que celui appliqué à la broche +V du circuit. Au dessin annexé, donné seulement à titre d'exemple - La figure 1 est un schéma du circuit décrit dans le préambule de la présente demande pour illustrer un type connu de protection d'un circuit de puissance "intelligent", et - la figure 2 est un schéma d'un mode de réalisation préféré d'un circuit intégré de puissance "intelligent" équipé d'un dispositif de protection suivant l'invention. On se réfère à la figure 2 du dessin ou des éléments ou organes identiques ou similaires à ceux de la figure 1 sont repérés par le même nombre. Une caractéristique essentielle du circuit suivant l'invention représenté à cette figure tient en ce qu'il comprend un dispositif de protection contre l'inversion des connexions de la source 5 au circuit, organe semi-conducteur 10 constitué par un transistor MOS canal N monté de manière non classique en "inverse", dans la branche du circuit limitée par la broche de "masse" (fictive) 7 du circuit intégré 1 et la borne négative de la source d'alimentation 5, une batterie en électronique automobile. Le montage est dit "inverse" car la source S du transistor est alors portée à un potentiel supérieur à celui du drain D, qui est connecté à la masse, représentée par la borne négative de la source d'alimentation électrique 5.A l'intérieur du circuit intégré 1 on trouve, entre les broches d'alimentation +V et 7 de ce circuit une résistance ll et une diode de Zener 12 dont le point commun 13 est stabilisé à un potentiel de référence égal à celui de la broche +V et diminué de la chute de tension dans R, ce potentiel étant ainsi adapté à la tension admissible par la grille G du transistor 10 MOS canal N pour commander, suivant la présente invention, la conduction de celui-ci en fonction de la polarité du potentiel de la broche +V du circuit, qui dépend du sens suivant lequel la batterie 5 est connectée au circuit. On remarquera que le courant i qui circule normalement dans le circuit drain-source du transistor 10 est relativement faible par comparaison avec celui circulant dans le circuit de la charge 3. On remarquera aussi que le substrat du transistor 10 étant connecté à la source S, le circuit source-drain du transistor comprend une diode "intrinsèque" 14 passante de la source vers le drain. Cette diode intrinsèque est due la jonction entre le substrat de type P, classiquement connecté å la source, et la diffusion de type N constituant le drain dans un transistor MOS canal N. Le fonctionnement du circuit suivant l'invention s'établit alors comme suit. Quand la batterie 5 est correctement connectée au circuit 1, ses bornes positive et négative étant respectivement reliées aux broches +V et 7 du circuit, la grille G du transistor 10 est portée a une tension positive et le transistor 10 est alors conducteur. On observe qu'alors la diode "intrinsèque 14 est court-circuitée et il en résulte que le transistor 10 n'introduit sur la connexion de la broche 7 de "masse" du circuit qu'une très faible résistance (de l'ordre de quelques ohms seulement).La référence de tension du circuit 1 n'est alors pratiquement pas perturbée ce qui permet au circuit de fonctionner normalement pour commander l'alimentation de la charge 3 en appliquant au commutateur électronique de puissance 2 des signaux élaborés dans le sous-circuit de commande, a courants faibles, connecté entre les bornes +V et 7. Si maintenant, accidentellement, les connexions des bornes de la batterie 5 sont inversées, c'est-à-dire que la borne positive de la batterie est reliée & la broche 7 alors que sa borne négative est reliée & la broche +V, la grille du transistor 10 est polarisée a la tension la plus négative du circuit. La tension grille-source du transistor 10 est alors négative ou nulle et le transistor est alors "ouvert". Il présente ainsi une impédance très élevée équivalente celle de la diode intrinsèque 14, polarisée en inverse.Il ne passe alors aucun courant dans le sous-circuit de commande du circuit-intégré de puissance "intelligent" 1 qui se trouve alors protégé des dégats qui pourraient résulter du passage dans la diode intrinsèque 9 d'un courant que celle-ci ne pourrait pas supporter. La tenue en tension inverse de la diode intrinsèque 14 détermine la tension inverse maximum que peut supporter le circuit. Cette tenue dépend des dopages du substrat du type P du transistor 10 et de la- diffusion de type N qui constitue le drain de ce transistor. Ces dopages pourront être adpatés & la tension développée par la batterie 5. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu' & titre d'exemple. Un transistor bipolaire du type NPN pourrait entre substitué au transistor 14 MOS canal N. Le collecteur de ce transistor NPN est alors relié à la broche 7 de masse du circuit intégré alors que l'émetteur est connecté à la borne négative de la batterie. La base du transistor est reliée par exemple au point commun & la résistance ll et & la diode 13 pour commander la conduction du transistor en fonction de la polarité de la tension appliquée entre la broche +V et la masse du circuit. De même, l'invention n'est pas limitée & un circuit dont le dispositif de protection est constitué par un transistor 14 discret connecté extérieurement au circuit intégré, entre la broche de masse 7 du circuit et la borne négative de la batterie. Ce transistor pourrait être intégré au circuit lui-meme et être alors monté entre la diode 9 et la broche 7 de "masse" du circuit. REVENDICATIONS 1. Circuit intégré de puissance "intelligent" & dispositif de protection contre l'inversion des connexions des bornes positive et négative d'une source d'alimentation électrique (5) continue aux broches d'alimentation positive +V et "masse" de ce circuit, respectivement, le circuit comprenant un sous-circuit de commande alimenté en courants faibles entre les deux broches d'alimentation du circuit pour élaborer un signal de commande d'un commutateur électronique de puissance (2) formant partie d'un sous-circuit de puissance intégré au circuit et connecté à la broche +V pour commuter l'alimentation d'une charge extérieure & partir d'une broche de puissance du circuit, circuit caractérisé en ce que le dispositif de protection est constitué par un organe semi-conducteur (10) connecté en série avec la masse (7) du circuit intégré et la borne négative de la source d'alimentation, et commandé par un signal de même polarité que la tension établie par la source entre la broche d'alimentation +V et la broche de masse du circuit, pour autoriser ou bloquer le passage d'un courant dans le sous-circuit de commande entre la masse du circuit intégré et la borne négative de la source d'alimentation, suivant que cette polarité est positive ou négative, respectivement. 2. Circuit conforme & la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe semi-conducteur est un transistor MOS canal N & montage inversé dont le circuit source-drain commande le passage d'un courant entre la masse du circuit et la borne négative de la source d'alimentation, la grille étant connectée à un point du circuit dont le potentiel est de meme signe que celui de la broche d'alimentation positive +V du circuit. 3. Circuit conforme a la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe semi-conducteur est un transistor bipolaire du type NPN dont le circuit émetteur-collecteur commande le passage d'un courant entre la masse du circuit et la borne négative de la source d'alimentation, la base du transistor étant connectée à un point du circuit dont le potentiel est de meme signe que celui appliqué à la broche +V du circuit. 4. Circuit conforme à l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ledit point de potentiel est le point commun à une résistance et une diode de Zener placée en série entre les broches d'alimentation du circuit. 5. Circuit conforme à l'une quelconque des revendications l à 4, caractérisé en ce que l'organe semi-conducteur est intégré au circuit. 6. Circuit conforme à l'une quelconque des revendications l a 4, caractérisé en ce que l'organe semiconducteur est un composant discret installé entre la masse du circuit et la borne négative de la source d'alimentation. 7. Circuit conforme & la revendication 4, caractérisé en ce que la résistance et la diode de Zener placées en série sont en parallèle sur une diode intrinsèque du circuit normalement polarisée en sens inverse entre la broche +V et la masse du circuit. 8. Circuit conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que le transistor MOS canal N comprend une diode intrinsèque entre drain et source qui est polarisée en sens inverse lors d'une inversion des connexions de la source d'alimentation au circuit, caractérisé en ce que la tension inverse continue maximale admissible par cette diode est supérieure à la tension appliquée par la source d'alimentation lors d'une inversion de ses connexions au circuit. 9. Circuit conforme & l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le sous-circuit de puissance commande l'alimentation d'une charge inductive.