Brevet FR2707060A1 — publié le 19941230

] " Etage final de puissance intégré monolithiquement " Etat de la technique: L'invention concerne un étage final de puissance intégré monolithiquement, avec des moyens pour détecter le courant sous charge par un transistor final, avec un cou- rant logique présentant un transistor de sortie pour commu- ter le transistor de sortie quand est atteint un seuil prédéterminé de courant sous charge, le transistor de sor- tie étant intégré dans une cuvette X isolée. Des étages de sortie de puissance de ce type avec un circuit logique intégré pour détecter un seuil de cou- rant sous charge sont connus de différentes façons et ser- vent par exemple à régler l'angle de came dans le cas de dispositifs électroniques d'allumage pour véhicules à mo- teur. D'autres types de régulations du courant pour les ap- pareils consommateurs peuvent également être réalisés avec des étages finaux de puissance de ce type, dans le cas des- quels l'obtention du seuil établi de courant sous charge est indiqué par la mise en circuit d'un transistor de sor- ) tie Dans ce cas, il est également connu de disposer ce transistor de sortie dans une cuvette X isolée. Cette dis- position prise isolément ou en liaison avec une résistance de raccordement ne donne pas toutefois l'assurance d'avoir un fonctionnement sûr du transistor de sortie, car en cas de courant inverse limité, il peut se produire un courant 2 2707060 parasite maximal possible, qui ne garantit plus le maintien de l'état bloqué du transistor de sortie. Avantages de l'invention: L'étage final de puissance selon l'invention est caractérisé par le fait que la cuvette X du transistor de sortie est constituée sous la forme d'une cuvette X sépa- rée, qui contient encore une diode reliant le raccord de masse à la zone X de cette cuvette s. L'étage final avec ces particularités a l'avantage que grâce à la diode, le potentiel maximal soit limité à une tension d'écoulement au-dessus de O volt (masse) et empêche de cette façon un dysfonctionnement ou un débranchement en fonctionnement normal. Les courants baladeurs ou courants de déplacement sont déviés vers la masse avec une faible impédance par un couplage capacitif dans le cas d'une montée de la tension du collecteur principal. Des configurations et des développements avanta- geux de l'étage final de puissance intégré monolithiquement selon l'invention sont obtenus grâce au fait que: l'émet- teur du transistor de sortie est relié à la masse et son collecteur à une sortie logique; pour bloquer le passage tn de la cuvette X du transistor de sortie en fonctionne- ment inverse du collecteur principal du transistor de l'étage final, on monte un transistor additionnel, abais- sant le potentiel de cette cuvette X entre cette cuvette X et le collecteur principal; le transistor additionnel est disposé dans cette cuvette X séparée; la base du transis- tor additionnel est reliée par une résistance à la masse, le collecteur à la cuvette X du transistor de sortie et l'émetteur au collecteur principal; la résistance est for- mée par la zone X du transistor additionnel; le transistor est constitué sous la forme d'un transistor n-nu; l'émet- teur du transistor de sortie est constitué sous la forme d'une zone n+, la base sous la forme de la zone p entourant la zone n+ et le collecteur sous la forme de la zone u en- tourant la zone p; la diode est constituée en fonction du transistor de sortie, la zone p reliée à la zone u formant l'anode, reliée à la zone a, de cette diode; plusieurs sorties logiques du circuit logique sont prévues. L'émetteur du transistor de sortie se trouve de façon appropriée à la masse et son collecteur est relié à une sortie logique sur laquelle l'obtention du seuil de courant sous charge est indiqué par un changement de si- gnal. Pour bloquer le passage nn- de la cuvette X du transistor de sortie en fonctionnement inverse du collec- teur principal du transistor final, on branche de manière avantageuse un transistor additionnel, abaissant le poten- tiel de la cuvette a, entre cette cuvette X et le collec- teur principal. On a en effet le risque que la sortie logique ne conserve pas son état bloqué quand la tension du collecteur en fonctionnement avec une charge inductive (par exemple bobine d'allumage ou transformateur d'allumage) tombe en dessous de 0 volt, de telle sorte que l'on a un fonctionnement inverse du transistor final. Dans le cas de ce fonctionnement inverse du collecteur principal le cou- rant passe par la diode d'inversion qui shunte le circuit de commutation du transistor final et laisse descendre le potentiel sur le collecteur principal à environ - 1,1 volt (en fonction de l'intensité d'inversion Ic). De cette fa- çon, les passages p-n ou nn- ne sont plus bloqués de façon sûre et déclenchent à la sortie du circuit logique un dys- fonctionnement en inversant les signaux. En ajoutant le transistor additionnel constitué en particulier sous la forme d'un transistor n-nu on peut pendant cette inversion des signaux reporter la cuvette x dont le potentiel sans cela serait flottant à un potentiel d'environ - 0,9 volt, donc à un potentiel légèrement plus positif que celui du collecteur principal. De cette façon, on bloque de façon sûre le passage p-n (passage zn-) de la cuvette X du tran- sistor de sortie et on empêche de façon sûre un dysfonc- tionnement de se produire quand le collecteur principal fonctionne en sens inverse. Ce transistor additionnel peut être intégré dans le cas d'un procédé pour semi-conducteurs de puissance bipolaires avec un faible encombrement. Le fonctionnement est dans ce cas largement indépendant des fluctuations des paramètres du procédé. On peut également transférer la solution proposée à plusieurs sorties logi- ques sans problème. Le transistor additionnel est disposé de façon appropriée dans une cuvette n séparée. Dans ce cas, la base de ce transistor additionnel est reliée par une résistance à la masse, le collecteur est relié à la cuvette X du tran- sistor de sortie et l'émetteur est relié au collecteur principal. La résistance peut être dans ce cas constituée en particulier par la zone X du transistor additionnel. On réalise une configuration avantageuse du tran- sistor de sortie en constituant son émetteur sous la forme d'une zone n+, la base sous la forme de la zone p qui en- toure la zone n+ et le collecteur sous la forme de la zone u qui entoure la zone p. La diode est de préférence constituée en fonction du transistor de sortie, la zone p reliée à la zone u for- mant l'anode de la diode reliée à la zone X. !5) Dessins: On a représenté deux exemples de réalisation de l'invention sur les dessins et on va les expliquer plus en détail dans la description qui va suivre: - la figure 1 montre un schéma de circuit d'un étage final de puissance intégré monolithiquement selon le premier exemple de réalisation. - la figure 2 montre un schéma de circuit d'un étage final de puissance intégré monolithiquement avec un transistor additionnel comme deuxième exemple de réalisa- tion. - la figure 3 montre un schéma de circuit, com- plété par des transistors parasitaires du deuxième exemple de réalisation dans une vue partielle et, - la figure 4 montre la représentation des zones de diffusion de l'exemple de réalisation représenté à la figure 2. - Description de l'exemple de réalisation: L'étage final de puissance intégré monolithique- ment représenté à la figure 1 comme premier exemple de réa- lisation consiste essentiellement en un transistor final 10 à. trois étages, dont le collecteur est relié à un raccord extérieur de collecteur C, dont l'émetteur est relié à un raccord extérieur de base E et dont la base est reliée à un raccord extérieur de base B de l'étage final de puissance. Le transistor final peut par exemple être constitué aussi à deux étages. Un détecteur de courant 11, qui est constitué par exemple sous la forme d'une cellule détectrice du der- nier étage du transistor final, détecte le courant sous charge à travers le transistor final et est relié à un cir- cuit logique non représenté plus en détail. Le circuit con- tient essentiellement un étage à valeur de seuil et le circuit logique 12 produit un signal de commande du côté de la sortie pour un transistor de sortie 13, quand un seuil réglé ou pouvant être réglé de courant sous charge est dé- passé par le courant sous charge I. Pour expliquer, on mentionnera d'abord qu'une zone n correspond à une zone p faiblement dopée et une zone u correspond à une zone n faiblement dopée. Le transistor de sortie 13 est intégré dans une cuvette séparée K, l'émetteur étant constitué par une zone n+, la base par une zone p entourant cette zone n+ et le collecteur est consti- tué par une zone u entourant à son tour cette zone p, comme cela est représenté à la figure 4. Le collecteur est relié à une sortie logique extérieure S de l'étage final de puis- sance et l'émetteur se trouve sur le raccord émetteur E de cet étage de puissance. En outre, une diode 14 est intégrée dans cette zone X séparée, dont la cathode est reliée à l'émetteur du transistor de sortie 13 et dont l'anode est reliée à la zone z. Selon la figure 4, cette diode 14 est construite en fonction du transistor de sortie 13, la zone p constituant la base étant reliée à la zone u formant le collecteur par l'intermédiaire d'une zone de contact n+. En outre, il y a une liaison avec une zone de contact p (ou plusieurs) dans la cuvette A, pour veiller à avoir à cet endroit un bon raccordement ohmique. L'étage final de puissance possède en outre une diode d'inversion 15 shuntant le circuit de commutation du transistor final 10. Le collecteur du premier étage du transistor final 10 est relié au raccord extérieur C de collecteur ou par une résistance de collecteur 16 à un au- tre raccord extérieur K. Ce raccord K et la résistance de collecteur 16 sont omis, cela va de soi, quand le collec- teur du premier étage du transistor final 10 est relié au raccord extérieur du collecteur C. Les deux possibilités alternatives de circuit sont représentées par des lignes en tirets. A la figure 1, on a mis l'utilisation de l'étage final de puissance à la commande ou la régulation d'un transformateur d'allumage 17 d'un système d'allumage par ailleurs non représenté plus en détail pour un moteur à combustion interne. L'enroulement primaire de ce transfor- mateur d'allumage 17 est branché entre le raccord extérieur de collecteur C et le raccord positif d'une source de ten- sion d'alimentation 18. L'enroulement secondaire du trans- formateur d'allumage 17 produit d'une manière connue en soi, mais toutefois non représentée des impulsions d'allu- mage pour les bougies d'allumage. Si le raccord extérieur K et la résistance de collecteur 16 sont prévus et sont reliés au collecteur du premier étage du transistor final 10, ce raccord extérieur K est relié en plus encore au raccord positif de la source de tension d'alimentation 18. En dessous du seuil de courant sous charge le transistor de sortie 13 doit être bloqué. La diode 14 li- mite le potentiel maximal de la cuvette X à une tension d'écoulement audessus de O volt (masse) et empêche de cette façon un dysfonctionnement en fonctionnement normal. Elle dévie les courants de déplacement à la masse par un couplage capacitif, lors de la montée de la tension du col- lecteur principal, à faible impédance. Avec la disposition représentée, on peut par exemple réaliser un réglage de l'angle de came dans le cas d'un système d'allumage. Le deuxième exemple de réalisation représenté aux figures 2 à 4 correspond largement au premier exemple de réalisation. Les composants identiques ou qui agissent de la même façcon sont pourvus des mêmes références et ne sont pas à nouveau décrits. En plus dans le cas du deuxième exemple de réalisation, la cuvette X qui contient le tran- sistor de sortie 13 et la diode 14 est reliée par l'inter- médiaire du trajet collecteur-émetteur d'un autre transistor 19 au raccord extérieur du collecteur C. La base de cet autre transistor 19 est reliée par une résistance 20 au raccord extérieur d'émetteur E. Selon la figure 4, cet autre transistor 19 est intégré dans une autre cuvette séparée A, le collecteur étant réalisé par une zone u, la base par la zone 7 et l'émetteur par la zone n- pour l'ensemble de l'étage final de puissance. La liaison ohmique du collecteur à la zone X du transistor 13 a lieu au moyen de diffusions n+ ou p et d'une liaison électrique entre celles-ci. La résistance 20 est réalisée par le trajet de résistance dans la zone X de l'autre transistor 19 jusqu'à une diffusion p, qui est re- liée au raccord extérieur d'émetteur E. A la figure 4, on a représenté en outre le der- nier étage du transistor final à trois étages 10, qui est également logé dans une cuvette séparée x. La zone X cons- tituant la base est reliée par une diffusion p à un raccord de base 21, tandis que la zone u constituant l'émetteur est reliée par une diffusion n+ au raccord extérieur d'émetteur E. Dans le cas du transistor de sortie 13 décrit en partie en liaison avec le premier exemple de réalisation, la zone p formant la base est reliée à un raccord de base 22. En outre, la zone u formant le collecteur est raccordée par deux diffusions n+ à un raccord de collecteur 23. Les zones restantes, par exemple le circuit logi- que 12 ne sont pas représentées à la figure 4 pour simpli- fier, mais sont également intégrées de façon monolithique à cet endroit. A la figure 3, on a représenté, pour expliciter les problèmes qui surviennent, encore une fois une partie du circuit selon la figure 2, le transistor de sortie 13 étant représenté avec les transistors additionnels se for- mant lors de la diffusion selon la figure 4. Le transistor voulu pour le circuit est le transistor 13' se constituant entre la zone n+, la zone p et la zone U. En outre, il se forme cependant un autre transistor 13" entre la zone p-, la zone u et la zone x. Finalement il se forme encore un transistor 13"' entre la zone u, la zone X et la zone n-. Quand le collecteur principal du transistor final en fonctionnement inverse le courant passe par la diode d'inversion conductrice 15 et fait baisser le potentiel sur O30 le collecteur principal C à environ - 1,1 volt. Ceci dépend du courant inverse. De cette façon les passages nn- ne sont plus bloqués de façon sûre et déclenche de cette façon un courant Ia à travers le transistor 13"' A la sortie S, on déclenche de cette façon, une inversion de signaux et de cette façon un dysfonctionnement. Grâce au transistor 19, 9 2707060 on peut pendant un tel dérangement faire passer la cuvette à, dont le potentiel serait autrement flottant, à un poten- tiel environ de - 0,9 volt, c'est-à-dire le rendre plus né- gatif. De cette façon, le passage zn- de la cuvette X du transistor de sortie 13 est bloqué de façon sure et on em- pêche un dysfonctionnement du transistor de sortie 13 quand le collecteur principal est en fonctionnement inverse. R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Etage final de puissance intégré monolithi- quement, avec des moyens pour détecter le courant sous charge par un transistor final, avec un circuit logique présentant un transistor de sortie pour commuter le tran- sistor de sortie quand est atteint un seuil prédéterminé de courant sous charge, le transistor de sortie étant intégré dans une cuvette 7 isolée, étage final caractérisé en ce que la cuvette X du transistor de sortie (13) est constitué sous la forme d'une cuvette X séparée, qui contient encore une diode (14) reliant le raccord de masse à la zone X de cette cuvette x. 2 ) Etage final de puissance selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que l'émetteur du transistor de sortie (13) est relié à la masse et son collecteur a une sortie logique (S). 3 ) Etage final de puissance selon la revendica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce que pour bloquer le passage tn- de la cuvette X du transistor de sortie (13) en fonc- tionnement inverse du collecteur principal du transistor de l'étage final (10) on monte un transistor (19) additionnel, abaissant le potentiel de cette cuvette K, entre cette cu- vette X et le collecteur principal (C). 4 ) Etage final de puissance selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce que le transistor additionnel (19) est disposé dans une cuvette X séparée. ) Etage final de puissance selon la revendica- tion 3 ou 4, caractérisé en ce que la base du transistor additionnel (19) est reliée par une résistance (20) à la masse, le collecteur de la cuvette X du transistor de sor- tie (13) et l'émetteur au collecteur principal (C). 6 ) Etage final de puissance selon la revendica- tion 5, caractérisé en ce que la résistance (20) est formé par la zone X du transistor additionnel (19). il 7 ) Etage final de puissance selon l'une des re- vendications 3 à 6, caractérisé en ce que le transistor ad- ditionnel est constitué sous la forme d'un transistor n-ir. 8 ) Etage final de puissance selon l'une des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que l'émetteur du transistor de sortie (13) est constitué sous la forme d'une zone n+, la base sous la forme de la zone p entourant la zone n+ et le collecteur sous la forme de la zone u en- tourant la zone p. 9 ) Etage final selon la revendication 8, carac- térisé en ce que la diode (14) est constituée en fonction du transistor de sortie (13), la zone p reliée à la zone u formant l'anode, reliée à la zone K, de cette diode (14). ) Etage final selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que plusieurs sorties logi- ques du circuit logique sont prévues.