Brevet FR2686192A1 — publié le 19930716

La présente invention concerne un circuit en pont permettant d'exciter une charge, par exemple un moteur pas-à-pas dans les applications automobiles. En technologie bipolaire, on l'utilise fréquemment des ponts en H pour exciter des charges flottantes. Comme représenté sur la figure 1, quatre transistors de puissance npn QN1, QN2, QN3 et QN4 disposés sur un substrat commun ou une puce commune sont connectés suivant la configuration d'un pont en H, les paires de transistors QN3, QN1 et QN4, QN2 étant couplées entre un potentiel Vcc et le potentiel de la terre. Une charge L est couplée entre des bornes A, B qui sont disposées aux noeuds de jonction des transistors QN3, QN1 et QN4, QN2. Des tensions de commutation présentant des déphasages appropriés sont appliquées aux bases des transistors QN1 à QN4. Comme représenté sur la figure 2, dans le cas de charges inductives, on ajoute des diodes de roue libre D1, D2 pour permettre la circulation des courants transitoires et également fixer le niveau de la tension transitoire présente aux bornes de la charge lorsqu'on coupe son courant ou que celui-ci change de sens. La forme d'onde transitoire est représentée sur la figure 7. D'un point de vue matériel, on forme les diodes D1, D2 sur le même substrat ou la même puce que les transistors. Toutefois, il existe également des diodes parasites D3, D4 entre le substrat et les collecteurs des transistors QN1, QN2. Ceci est montré sur la figure 3, qui représente une vue en section droite du substrat, montrant le transistor QN2. Sur un substrat de type P, désigné par la référence 2, est formée une couche épitaxiale de collecteur de type N, désignée par la référence 4, dans laquelle une région de base 6 de type P et une région d'émetteur 8 de type N+ ont été formées par diffusion. Un anneau de garde isolant 10 de type P+ est formé autour du transistor vertical QN2, et, inévitablement, une diode parasite D4 est formée entre L'anneau de garde 10 et une région 12 de contact de collecteur. Lorsque la sortie subit un effet transitoire négatif, la diode D4 se poLarise en sens passant, de sorte qu'un courant est injecté du collecteur 4 dans le substrat. Ce courant est partiellement recueilli par les dispositifs situés alentour et peut provoquer des erreurs logiques dans une section de commande du circuit (non représentée), où le niveau du courant est beaucoup plus bas que dans les transistors de puissance. On sait comment introduire des transistors destinés à avoir une fonction de fixation de niveau, comme indiqué par exemple o dans IEEE Journal of Solid State Circuits, vol. 26, n 8, août 1991, Widlar, "Controlling Substrate Current in Junction-Isolated ICs", pages 1090-1096, figure 9 tout particulièrement. Toutefois, le montage décrit n'est pas entièrement efficace pour éliminer le courant du substrat. C'est un but de L'invention de produire un moyen perfectionné permettant de supprimer les fuites de courant du substrat dans un circuit d'excitation du type pont en H destiné a exciter une charge inductive. L'invention propose un circuit intégré d'excitation de charge inductive, qui comprend un premier transistor (QN1), un deuxième transistor (QN2), un troisième transistor (QN3) et un quatrisme transistor (QN4) formés sur un substrat, qui sont connectés suivant une configuration de pont en H de façon que les trajets de courant principaux des premier et troisième transistors se connectent en un premier noeud afin de former une connexion série entre une tension d'alimentation et un potentiel de référence, les trajets de courants principaux des deuxième et quatrième transistors se connectent en un deuxième noeud afin de former une connexion série entre la tension d'alimentation et le potentiel de référence, et les premier et deuxième noeuds constituent des bornes de sortie (A, B) destinées à être connectées à une charge inductive (L), caractérisé en ce que le trajet de courant principal d'un cinquième transistor (QP1) est couplé entre Le premier noeud et une électrode de commande du deuxième ou quatrième transistor, et le trajet du courant principal d'un sixième transistor (QP2) est coup lé entre le deuxième noeud et une électrode de commande du premier ou troisième transistor, si bien que, en fonctionnement, les cinquième et sixième transistors agissent de façon à rendre conducteurs des transistors sélectionnés parmi les quatre premiers transistors, afin de réduire Les fuites au substrat qui sont dues à l'existence de diodes parasites entre les transistors et Le substrat. La description suivante, conçue à titre d'illustration selon l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages ; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels : la figure 1 est le schéma de circuit d'un pont en H de type connu destiné à exciter une charge ; la figure 2 est le schéma de circuit d'un pont en H de type connu destiné à exciter une charge inductive et montre des diodes de roue Libre et des diodes parasites ; la figure 3 est une vue en section droite du circuit, présenté sous forme de circuit intégré, de la figure 2, qui montre le transistor QN2 et la diode D4 ; la figure 4 est le schéma de circuit d'un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 5 est le schéma de circuit d'un deuxième mode de réalisation de l'invention ; la figure 6 est une vue en section droite du circuit, présenté sous forme de circuit intégré, de la figure 4 ; et les figures 7, 8 et 9 sont des diagrammes de formes d'onde représentant respectivement des formes d'onde transitoires apparaissant dans les circuits des figures 2, 4 et 5, plus précisément la tension de sortie négative apparaissant dans ces circuits lorsqu'on applique une coupure de courant (Vcc=5V). On se reporte maintenant à la figure 4 des dessins, ou les parties identiques à celles présentées sur la figure 2 sont indiquées par les memes numéros de référence. Un premier transistor latéral pnp, désigné par La référence QPI, est connecté par son collecteur à la base du transistor npn vertical QN2, par son émetteur à l'émetteur du transistor npn vertical QN3, et par sa base à la source d'alimentation électrique Vcc. Un deuxième transistor latéral QP2 est connecté par son collecteur à la base du transistor npn vertical QN1, par son émetteur au collecteur du transistor npn vertical QN2, et par sa base à la source d'alimentation électrique Vcc. En fonctionnement, l'effet procuré par les diodes de roue libre supérieures de la figure 2 est produit par les transistors pnp latéraux QPI, QP2. Pendant un phénomène transitoire de commutation, comme représenté sur La figure 8, si la tension de la sortie B passe en dessous du potentiel de la terre, la tension de la sortie A passe au-dessus de Vcc et, par conséquent, polarise QP1 en sens passant. Le courant de charge circule dans QPl exactement comme dans une diode de roue libre, mais, cette fois, une partie de ce courant est envoyée à la base de QNZ. Puisque la tension de collecteur de QN2 est tirée en dessous du potentiel de la terre, ce transistor fonctionne comme un transistor npn en mode inverse et fournit du courant à la charge. En fait, ce transistor npn se sature et sa tension de saturation est très inférieure à celle nécessaire pour polariser en sens passant la diode collecteursubstrat D4, si bien qu'il n'y aura pas de courant de substrat. Ceci reste vrai tant que a * b > 1, où a est le gain de courant en base commune du transistor pnp, b est le gain de courant inverse du transistor npn. On se reporte maintenant à la figure 6, qui montre les transistors QP1 et QN2 en section droite. Le transistor QP1 comprend une région de base 60, un contact de base 62, un émetteur 64 et un collecteur 66. En utilisation, lorsque le transistor QP1 amène le transistor QN2 à conduire en mode inverse, le transistor QN2 court-circuite effectivement la diode D4 formée entre le collecteur 4 et la région isolante 10. Le circuit de la figure 4 peut être appliqué à des charges inductives telles que des solénoides ou des moteurs pas-àpas, où le courant de charge se comporte de ta même façon que pour une inductance simple, c'est-à-dire qu'il continue à circuler dans le même sens pendant les phénomènes transitoires de commutation. Pendant ce stade, une tension approximativement égale a VCC est maintenue aux bornes de la charge, ce qui assure un amortissement rapide du courant. On se reporte maitenant à la figure 5, où est représenté un circuit permettant d'exciter un moteur à courant continu. Les parties identiques à des parties de la figure 2 sont désignées par les mêmes numéros de référence. Dans ce circuit, sont prévus des transistors pnp latéraux, désignés par les références QP3 et QP4, qui sont chacun couplés par leur base à la source de tension Vcc tandis que leurs trajets émetteur-collecteur sont respectivement connectés entre la base de QN4 et l'émetteur de QN3 et entre la base de QN3 et l'émetteur de QN4. En fonctionnement, dans le cas d'un moteur à courant continu, le courant de charge change de sens pendant les phénomènes transitoires de commutation (voir les formes d'onde de tension relatives aux points A et B sur la figure 9), puisque le moteur se comporte alors comme un générateur. Si la tension présente sur la sortie B passe au-dessus de Vcc, le transistor QP4 se polarise en sens passant et envoie du courant à la base du transistor QN3, lequel se sature et empêche la tension présente sur la sortie A de s'abaisser en dessous du potentiel de la terre. Ainsi, pendant la commutation, les deux tensions de sortie sont proches de VccZ La même condition que ci-dessus indiqué est nécessaire pour les gains en courant. Le circuit de la figure 5 produit également une fonction intéressante qui est nécessaire dans de nombreuses applications des moteurs à courant continu : une action de freinage automatique. Lorsque le courant est soumi à une opération de coupure, un courtcircuit (constitué par QP4 et QN3, qui sont tous deux dans l'état de saturation dans L'exemple ci-dessus) est appliqué au moteur, ce qui assure un rapide amortissement du courant transitoire. Par conséquent, le moteur s'arrête rapidement, ce qui est utile dans les applications d'asservissement. Il a donc été décrit des circuits qui éliminent tous les courants de substrat en empêchant que les diodes collecteursubstrat ne se polarisent en sens passant. Un tel résultat ne peut pas être obtenu à L'aide d'autres techniques de protection, ou le courant injecté dans le substrat est recueilli dans la plus grande mesure possible par un dispositif de protection. Cette technique élimine la nécessité de dispositifs de protection tels que des anneaux de garde autour des transistors de puissance et permet d'économiser une partie considérable de la surface de la puce. Sa mise en oeuvre ne demande qu'une petite surface de puce, correspondant au remplacement des diodes de roue libre par des transistors pnp, dont les performances peuvent être tout à fait médiocres. Pour des moteurs à courant continu, cette technique offre en plus une action de freinage efficace. Le mécanisme de protection et l'action de freinage sont synchronisés avec la commutation et ne demandent pas l'action d'un courant d'alimentation supplémentaire. Ils utilisent le courant transitoire lui-même et disparaissent en même temps que le phénomène transitoire. Cette technique peut être utilisée dans n'importe quelle technologie bipolaire (à jonction ou à isolation par oxyde) où il existe une jonction entre le substrat et les collecteurs des transistors du pont. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du circuit dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement Limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de L'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit intégré permettant d'exciter une charge inductive, qui comprend un premier transistor (QN1), un deuxième transistor (QN2), un troisième transistor (QN3) et un quatrième transistor (QN4) formés sur un substrat et connectés suivant une configuration de pont en H de façon que les trajets de courant principaux des premier et troisième transistors se connectent en un premier noeud afin de former une connexion série entre une tension d'alimentation électrique et un potentiel de référence, les trajets de courant principaux des deuxième et quatrième transistors se connectent en un deuxième noeud afin de former une connexion série entre la tension d'alimentation et le potentiel de référence, et les premier et deuxième noeuds constituent des bornes de sortie (A, B) destinées à être connectées à une charge inductive (L), caractérisé en ce que trajet de courant principal d'un cinquième transistor (QP1 ou QP3) est connecté entre le premier noeud et une électrode de commande du deuxième ou du quatrième transistor, et le trajet de courant principal d'un sixième transistor (QP2 ou QP4) est connecté entre le deuxième noeud et une électrode de commande du premier ou du troisième transistor, si bien que, en fonctionnement, les cinquième et sixième transistors agissent de façon à rendre conducteurs des transistors sélectionnés parmi les quatre premiers transistors, afin de réduire les fuites au substrat qui sont dues à l'existence de diodes parasites entre les transistors et le substrat. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cinquième et sixième transistors sont connectés par leurs bases à une ligne portant la tension d'alimentation, si bien qu'ils se comportent comme des diodes de roue libre. 3. Circuit selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les quatre premiers transistors sont des transistors npn verticaux. 4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que les cinquième et sixième transistors sont des transistors pnp latéraux. 5. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que les bases des cinquième et sixième transistors (QP1, QP2) sont connectées à une ligne d'alimentation électrique, et leurs trajets de courant principaux sont respectivement connectés entre la base du deuxième transistor et le collecteur du premier transistor et entre la base du premier transistor et le collecteur du deuxième transistor, ce qui entraîne que les premier et deuxième transistors fonctionnent, pendant les phénomènes transitoires inductifs, dans le mode inverse, de façon à réduire l'effet des diodes parasites. 6. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que les bases des cinquième et sixième transistors (QP3, QP4) sont connectées à une ligne d'alimentation électrique, et leurs trajets de courant principaux sont respectivement connectées entre la base du troisième transistor et l'émetteur du quatrième transistor et entre la base du quatrième transistor et l'émetteur du troisième transistor, de façon à maintenir conducteurs les troisième et quatrième transistors afin d'empêcher que les premier et deuxième noeuds ne passent en dessous du potentiel de référence pendant des phénomènes transitoires inductifs.