Brevet FR2670340A1 — publié le 19920612

I CIRCUIT DE PROTECTION À FAIBLE CAPACITE La présente invention concerne le domanine des circuits de protection contre des surtensions de lignes telles que des lignes téléphoniques. Parmi les circuits connus de protection contre des surtensions, on adopte actuellement fréquemment des schémas du type de celui illustré en figure 1 A dans lesquels la protection est assurée par deux composants bidirectionnels Pi, P 2 connectés entre chacune des lignes et la masse, chacun des composants ayant la caractéristique électrique indiquée en figure l B Lorsqu'une surtension apparaît sur l'une des lignes, le composant de protec- tion passe d'un état bloqué (forte impédance) à un état passant (faible I't Pédane) mettant ainsi en court-circuit la ligne avec la masse Cependant, en état de veille (forte impédance) chacun des deux composants supporte la tension ligne/masse Les valeurs usuelles de tension sont de -48 V pour une ligne et d'environ O V pour l'autre Cette dissymétrie de tension génère (comme cela sera expliqué ultérieurement) une dissymétrie dans la capacité des composants Cette dissymétrie admissible pour les réseaux usuels s'avère un handicap majeur pour certaines lignes à réseau numérique. D'autres circuits de protection ont été proposés et entre autres celui de la figure 2 dans lequel trois ensembles de protection unidirectionnelle 1, 2 et 3 sont oennectes entre un point oeanun C et une première ligne A, une deuxième ligne B et une terre G Chacun des éléments de protection comprend en anti- parallèle un cuxaposant de protection unidirectionnelle T et une diode D, respectivement Tl, Dl; T 2, D 2; T 3, D 3 Dans le schéma de la figure 2, les cathodes des diodes Dl, D 2, D 3 sont reliées les unes aux autres et les anodes des composants de protection Tl, T 2, T 3 sont reliées les unes aux autres. Une telle structure est par exemple décrite dans le brevet américain 4 282 555. Les coeposants de protection Tl, T 2, T 3 sont par exemple des thyristors sans gâchette qui deviennent conducteurs de leur anode vers leur cathode quahal la tension à leurs bornes dépasse une valeur de seuil déternirée par fabrication On pourra néanmoins choisir d'autres composants de protection connus, par exemple des cxmposants du type diode à avalanche ou des thyris- tors dont la gâchette reçoit un signal de polarisation insuffi- sant pour les rendre conducteurs mais suffisant pour ajuster leur seuil de tension de déclerrhatent entre bornes prircipales. Un avantage de cette structure, quand les composants de protection Tl sont des thyristors sans gâchette, est qu'elle est facilement intégrable en deux ou même une puce. La présente invention cmcerne plus particulièxement le comportement capacitif des circuits du type de ceux des figures 1 et 2. Les composants de type thyristor ou plus généralement les autres composants de protection unidirectionnels présentent genralement une capacité notable entre leurs électrodes princi- pales Cette capacité est bien supérieure à celle de diodes classiques telles que des diodes Dl, D 2 et D 3 Ces diodes étant en parallèle sur les composants de protection, on pourra nrgliger l'influence de leur capacité propre. Ainsi, la présence des cangpoants de protection modifie la capacité entre chacune des lignes A et B et la terre G Ceci est sans grande importarx quand les lignes sont amernées à véhi- culer du courant électrique ou des signaux téléphoniques à faible frequenoe mais devient un inoovenient notable quand les lignes sont amenées à transporter des signaux numériques correspoxndant à des transitions binaires entre deux états, transitions qui doi- vent être aussi raides que possible Dans ce cas, la présence de capacités parasites relativement élevées et surtout d'une dissymétrie de capacité entre les lignes s'avère être un obstacle majeur Ces capacités déforment les signaux et peuvent même éven- tuellement les rendre indiscernables. En effet, bien que le circuit de la figure 2 soit symé- trique en ce qui cone rne la suppression des surtensions sur l'une ou l'autre des lignes A et B, il est dissymétrique en oe qui cornrne son oomporteent capacitif Cette dissymétrie a été plus particulièrement notée dans le cadre de l'application indi- quée comme préférentielle dans le brevet susmentionné, à savoir la protection de lignes téléphoniques. Pour éviter oe problème, on a été amené dans l'art antérieur à utiliser des structures de protection symétriques à la fois en ce qui conoerne la fonction de protection et en ce qui conxerne le comportement capacitif Un exemple d'une telle struc- ture apparaît en figure 3 Dans oette structure, trois diodes Dl U, D 12, D 13 sont reliées par leurs cathodes à une première borne d'un omprosant de protection à conduction bidirectionnelle déclenché par surtension T 10, oes trois diodes étant reliées par leurs cathodes respectivement à la ligne A, à la ligne B et à la terre G Trois autres diodes D 14, D 15, D 16 sont reliées par leurs anodes à la deuxième borne du composant TO 10 et par leurs cathodes respectivement à la ligne A, à la ligne B et à la terre Avec cette structure, quelle que soit la polarisation des lignes A et B par rapport à la terre, le composant T 10 présente la même capacité et de plus une valeur de capacité réduite car il se trouve à un état polarisé L'inconvénient de cette structure réside d'une part dans la difficulté de fabrication d'un cmnpo- sant à décleneent bidirectionnel par surtension réellement symétrique et d'autre part dans la difficulté d'intégration de l'ensemble de la structure sous forme d'un composant mono- lithique. Malgré cet inconvénient, on utilise le type de struc- ture de la figure 3 quand les lignes A et B sont amenées à trans- mettre des signaux numériques. La présente invention vise à permettre l'utilisation d'une structure du type de oelle de la figure 2 dans le cas de lignes à protéger à polarisation dissymétrique tout en gardant l'avantage de l'obtention d'une faible capacité entre chacune des lignes et la terre, les valeurs des capacités entre chacune des lignes et la terre étant relativement proches. Pour atteindre oet objet, la demanderesse se base sur une analyse des causes pour lesquelles on obtient des valeurs capacitives élevées et dissymétriques dans le cas de montages du type de celui de la figure 3 Il faut noter que cette analyse n'apparaît pas dans l'exposé de l'art antérieur Jusqu'à présent, l'homme de l'art se contentait de constater que, dans le cas de la configuration de la figure 2 utilisée en téléphonie, une dissymétrie capacitive importante apparaissait et proposait pour résoudre le problème de passer au schéma de la figure 3. Selon l'invention, il est proposé de modifier seulement légèrement le circuit de la figure 2 pour obtenir une réduction et un équilibrage des valeurs capacitives. Plus particulièremnent, la présente invention prévoit un circuit de protection contre les surtensions, disposé entre une première ligne, une deuxième ligne et la terre comprenant trois éléments de protection connectés par leur première borne à un point commun et par leur deuxième borne respectivement à la première ligne, à la deuxième ligne et à la terre, chaque élément de protection comprenant l' association en anti-parallèle d'un compeosant de protection à conduction unidirectionnelle déclen- chable par une surtension et d'une diode, le point commun étant relié à une borne de même polarité de chacun des composants de protection Dans le cas o l'une des lignes présente à l'état normal, un écart de polarisation par rapport à la terre plus important que l'autre, les cathodes des ompoesants de protection sont connectées au point commun si la ligne la plus polarisée est polarisée négativement par rapport à la terre, et les anodes des composants de protection sont connectées au point commun si la ligne la plus polarisée est polarisée positivement par rapport à la terre. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chacun des cxomposants de protection est un thyristor sans gâchette. L'invention s'applique notamment à la protection de lignes téléphoniques dans lesquelles l'une des lignes est pola- risée négativement et l'autre ligne est polarisée sensiblement au potentiel de la terre. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures l A et l B représentent un circuit de protec- tion connu et la courbe caractéristique tension courant d'un composant utilisé dans oe circuit; la figure 2 représente un circuit de protection connu; la figure 3 représente un circuit de protection classi- quement utilisé pour réduire les problèmes capacitifs; la figure 4 est une courbe de valeur de capacité en fonction de la tension de polarisation pour un composant de pro- tection destinée à expliquer le comportement capacitif du circuit de la figure 2 et du circuit selon la présente invention; la figure 5 représente un schéma de circuit de protec- tion selon la présente invention; et la figure 6 représente un mode d'intégration mono- lithique du circuit de la figure 5. Avant d'exposer la présente invention, on va analyser le comportement capacitif du circuit de la figure 2 dans son application prévue à la protection d'une ligne téléphonique. Comme le montre la figure 4, la capacité d'un composant de protection dépend largement de sa polarisation Elle décroît quand cette polarisation augmente Ainsi, la capacité d'un oompo- sant T aura une valeur CO pour une polarisation nulle et une valeur plus fahible Cl pour une polarisation V 1 Pour la simpli- cité de l'exposé, on supposera que Cl = CO/4. Dans le cas des lignes téléphoniques, les normes actuelles imposent que l'une des lignes, par exemple la ligne A, soit polarisée à une tension négative -Vl alors que la ligne B est sensiblement au potentiel de la terre (il faut alors consi- dérer que la ligne B est reliée à la terre par une impédance de très forte valeur) En oe cas, en raison de la polarisation de la diode D 2, le point commun C sera sensiblement au même potentiel que la ligne B (la terre) En co Enquerne, le omeposant de protection T 1 est polarisé par une tension VI tandis que les composants de protection T 2 et T 3 ne sont pas polarisés En reprenant l'exemple numérique precédent, la capacité équivalente entre la ligne A et la masse, CAG, vaudra sensiblement Co/5 alors que la capacité équivalente CBG entre la ligne B et la masse vaudra seulement environ CO/2. Ainsi, on trouve dans ce cas une capacité non négli- geable entre la ligne B et la terre et un très net déséquilibre entre les capacités relatives par rapport à la terre des deux lignes. La figure 5 représente un composant de protection selon la présente invention adapté à fonctionner dans le cas o l'une des lignes, par exemple la ligne A est à un potentiel négatif par rapport à la masse (Vi = -48 volts dans le cas des lignes télé- phoniques classiques), et o l'autre ligne est sensiblement au potentiel de la terre (sans être reliée à la terre mais en étant considérée co Eme connectée à oelle-ci par une impédanoe de très forte valeur). Des éléments de protection 21, 22, 23, comprenant chacun un comxosant de protection T et une diode D en anti- parallèle sont connectes avec une inversion de polarité par rapport au cas de la figure 2, à savoir que ce sont les cathodes des éléments de protection T 21, T 22, T 23 qui sont reliées au point commun C au lieu des anodes. Avec ce montage, en raison de la polarisation des diodes D 21 et D 22, le point C est au potentiel de -48 volts et non de O volt comme dans le cas de la figure 2 En conséquence, le composant de protection T 23 est polarisé sous la tension la plus élevée, 48 volts, et présentera une capacité réduite qui se trouvera dans tous les cas en série avec la capacité du comxxposant T 21 ou du oemposant T 22 On est donc sûr que la valeur de capa- cité entre ligne et terre sera inférieure à la capacité du compo- sant T 23 polarisé sous la plus haute tension du circuit Dans le cadre d'un exemple pris en relation avec la figure 2, on obtien- dra pour les valeurs équivalentes des capacités entre lignes et terre: CAG = CO/5, et CBG = CO/8, au lieu de CAG=Co/5 et CBG=CO/2 dans le cas de la figure 2. Dans un cas pratique, on a constaté que la capacité d'un cxomposant de protection du type thyristor sans gâchette était, en l'absenoe de polarisation, de l'ordre de 350 picofarads et sous une polarisation de 48 volts de l'ordre de 100 p F On obtient alors une capacité CAG de 77 p F et une capacité CBG de 50 p F alors que, dans le cas du montage de la figure 2, on aurait obtenu des valeurs respectives de 77 et 175 p F. Il convient de souligner à nouveau que le cas parti- culier considéré pour la description des figures 2 et 5, correspond au cas qui se présente le plus oeuramment dans la pratique o l'on veut protéger des lignes téléphoniques suscep- tibles de transporter des signaux numériques et que, dans l'art antérieur, on proposait pour cela le schéma de la figure 2. Malgré la faible différence apparente entre les schémas des figures 2 et 5, l'amélioration des valeurs capacitives est consi- dérable. La figure 6 représente à titre d'exnemple une réali- sation sous forme de circuit intégré monolithique du circuit de la figure 5 Un ensemble des composants 21, 22, 23 est formé dans une tranche de silicium de type P 30 Un cmnposant de protection T comprend des régions successives de type P+ 31, N 32, P 30 et N 34 La diode corresponxante est formée par la même région N 32, la même région de substrat P 30, et une région surdopée de type P 35. Selon un aspect de la présente invention, on notera qu'il n'est pas prévu de diffusion d'isolnement entre les compo- sants 21, 22 et 23 En effet, oes diffusions qui sont classique- ment utilisées, par exemple dans la structure illustrée en figure 7 du brevet américain 4 282 555 susmentionné sont inutiles La prévision de telles diffusions latérales est en pratique un réflexe pour le concepteur de circuits La motivation est de forcer le courant à circuler par l'électrode de face arrière et de limiter les courants transversaux dans le substrat Ces cou- rants transversaux pouvant être dangereux s'ils créent des points chauds et une moirndre résistance du comnposant Ce préjugé s'avère être sans fondement: le courant électrique faible ou fort niveau circule naturellement par le chemin le moins résistif (et non par le plus court) et de ce fait s'écoule naturellement par 1 'élec- trode de face arrière qu'une diffusion latérale existe ou non. La présente invention est susoeptible de diverses modi- fications qui apparaîtront à l'homme de l'art Notamment, les composants de protection T 1, T 2, T 3 qui ont été décrits coamme étant des thyristors sans gâchette peuvent être d'autres compo- sants assurant une fonction de protection équivalente De plus la présente invention concerne de façon générale la façon de connecter un circuit de protection tout en réduisant les capa- cités parasites Par exemple, le circuit de la figure 2 convien-5 dra pour protéger deux lignes dont l'une est sensiblement au potentiel de la terre et dont l'autre est à un potentiel positif (ce qui n'est pas le cas des lignes téléphoniques normalisées). REVENDICATIONS 1 Circuit de protection contre les surtensions, dispo- sé entre une première ligne (A), une deuxième ligne (B) et la terre (G) comprenant trois éléments de protection ( 21, 22, 23) onnectés par leur première borne à un point oemun (C) et par leur deuxième borne respectivement à la première ligne, à la deu- xième ligne et à la terre, chaque élément de protection compre- nant l'association en anti-parallèle d'un composant de protection (Tl, T 2, T 3) à oenduction unidirectionnelle déclenciable par une surtension et d'une diode (Dl, D 2, D 3), le point c Emmnun étant relié à une borne de mnme polarité de chacun des composants de protection, caractérisé en ce que, dans le cas o l'une des lignes présente à l'état normal, un écart de polarisation par rapport à la terre plus important que l'autre, les cathodes des composants de protection sont connec- tées au point o muu Ln si la ligne la plus polarisée est polarisée négativement par rapport à la terre, et les anodes des composants de protection sont conectées au point conun si la ligne la plus polarisée est polarisée posi- tivement par rapport à la terre. 2 Circuit de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des omposants de protection est un thyristor sans gâchette. 3 Circuit de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est appliqué à la protection de lignes télépboniques dans lesquelles l'une des lignes est polarisée négativement et l'autre ligne est polarisée sensiblement au potentiel de la terre.