Brevet FR2725324A1 — publié le 19960405

REGULATEUR DE COURANT À DECOUPAGE La présente invention concerne un régulateur à décou- page permettant de fournir un courant constant à une charge, par exemple une batterie, avec un rendement élevé. La présente invention vise plus particulièrement un régulateur de courant à découpage dont la charge doit être isolée de la source d'alimen- tation du régulateur, souvent le réseau 220 volts. La figure 1 représente un exemple classique de régula- teur à découpage. Il s'agit ici d'un régulateur dit à accumula- tion ou "flyback". Pour isoler la charge RL de ce régulateur, on prévoit deux enroulements 11 et 12 couplés par un noyau magnétique 13, mais isolés galvaniquement. Le premier enrou- lement 11 est relié à une source de tension V1 par un inter- rupteur de puissance S. Bien que les enroulements 11 et 12 ne constituent pas un transformateur (des courants ne circulent pas simultanément dans les deux enroulements), on utilisera quand même les termes "primaire" et "secondaire" pour simplifier la description. L'enroulement secondaire 12 est relié à la charge RL par une diode D. Une capacité de filtrage C est connectée en parallèle sur la charge RL. La diode D est connectée de manière qu'aucun courant ne circule dans la charge lorsque 1 'enroulement primaire 11 est connecté à la tension Vl. Lorsque l'interrupteur S est fermé, le courant Il dans l'enroulement primaire 11 augmente à partir d'une valeur initiale, en fonction des valeurs de la tension V1 et de 1' inductance présentée par 1' enroulement 11. Pendant ce temps, le courant 12 dans l'enroulement secondaire 12 est nul et de l'énergie s'accumule dans le noyau 13. Lorsque l'interrupteur S est ouvert, le courant Il s'annule brusquement et l'énergie qui vient d'être accumulée dans le noyau 13 est transférée vers l'enroulement 12. Le courant I2 atteint brusquement une valeur crête égale au courant crête atteint par le courant Il, multiplié par le rapport du nombre de spires des enroulements 11 et 12. Le courant I2 se met à décroitre en fonction de l'inductanoe de l'enroulement 12 et de la tension aux bornes de la charge RL. L'interrupteur S est de nouveau fermé alors que le courant I2 a atteint une valeur finale généralement indétermi- née. Cette valeur finale, éventuellement nulle depuis un oertain temps, détermine la valeur initiale à partir de laquelle le courant Il se met à croitre. La quantité d'énergie transférée du primaire vers le secondaire est fonction du rapport cyclique de commutation de l'interrupteur S, c'est-àdire du rapport entre son temps de fermeture à chaque commutation et la période de commutation. Pour assurer une régulation du courant moyen dans la charge, une résistance Rs est disposée en série avec l'enrou- lement 12. La tension aux bornes de la résistance Rs est fournie à un circuit de régulation 15 qui commande 1 'interrupteur S. Ce circuit de régulation filtre la tension aux bornes de la résis- tance Rs pour en extraire la valeur moyenne qui est comparée à une valeur de consigne. Le rapport cyclique de l'interrupteur S est ajusté de manière que la tension moyenne aux bornes de la résistance Rs (donc le courant secondaire moyen) tende vers la consigne. Un inconvénient de tout régulateur à découpage à iso- lation galvanique entre primaire et secondaire, tel que celui de la figure 1, provient du fait que la grandeur à mesurer (cou- rant, tension) se trouve au secondaire alors que l'élément qui permet d'ajuster cette grandeur, l'interrupteur de puissance S, se trouve au primaire. Cormmne cela est illustré par des poin- tillés 16, il est nécessaire de prévoir une isolation galvanique dans le circuit de régulation 15, entre la partie mesurant la tension aux bornes de la résistance Rs et la partie qui cmnmande l'interrupteur S. Cette isolation est effectuée, par exemple, en utilisant un transformateur ou un opto-coupleur. L'utilisation d'un transformateur est coûteuse et encombrante tandis que l'utilisation d'un opto-coupleur est coûteuse et peu fiable dans le temps (un grand nombre de pannes dans des régulateurs actuels provient des opto-coupleurs). Bien entendu, on pourrait envisager de réguler le courant moyen dans l'enroulement primaire 11, mais cette solu- tion entraine une régulation de la puissance moyenne fournie à la charge RL et non de son courant moyen qui varie alors en fonction de la tension d'alimentation V1 et de la tension de sortie aux bornes de la charge. Un objet de la présente invention est de prévoir un régulateur de courant à découpage dont le circuit de régulation se trouve entièrement du côté de l'interrupteur de puissanoe, c'est-à-dire qu'il n'est pas relié au secondaire et ne nécessite donc pas d'élément d'isolement. Cet objet est atteint en utilisant un régulateur du type de la figure 1 dans un mode de fonctionnement particulier, dit auto-oscillant, o l'interrupteur de puissance est fermé dès que le courant au secondaire s'annule. Le courant dans 1 'enrou- lement primaire est mesuré et on ajuste sa valeur crête à une valeur de référence (oe qui est obtenu en ouvrant 1 'interrupteur de puissance lorsque le courant dans l'enroulement primaire atteint cette valeur de référenoe). Cette seule mesure ne suffit pas car le rapport cycli- que, et donc le courant moyen dans la charge au secondaire, dépend alors de la tension aux bornes de cette charge. Pour éviter cela, un aspect de l'invention est de faire varier la valeur de référence dans le sens du rapport cyclique. L'invention concerne plus particulièrement un régu- lateur de courant à découpage du type à accumulation, comprenant des premier et deuxième enroulements couplés, et des moyens pour connecter le premier enroulement à une source de tension dès que les enroulements sont démagnétisés. Le régulateur comprend en outre un capteur du courant circulant dans le premier enroule- ment; des moyens pour déconnecter le premier enroulement de la source de tension quand le courant dans le premier enroulnement atteint une valeur de référenoe; et des moyens pour faire varier la valeur de référence dans le sens du rapport cyclique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, un interrupteur de puissance connecte le premier enroulement à la source de tension avec le rapport cyclique. Une diode empêche un courant de circuler dans le deuxième enroulement lorsque le premier enroulement est connecté à la source de tension. Un détecteur de démagnétisation ferme l'interrupteur lorsque le courant dans le deuxième enroulement s'annule. L'interrupteur est ouvert lorsque le courant dans le premier enroulement atteint ladite valeur de référence. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la valeur de référence correspond à une tension de référence aux bornes d'une capacité polarisée par une source de courant de référence et déchargée à travers une résistance commutée en opposition de phase par rapport audit interrupteur de puissance. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le régulateur comprend un comparateur recevant la sortie du capteur de courant et la tension de référence, et une bascule dont une sortie directe commande l'interrupteur, dont une sortie complémentaire commande la commutation de la résistance, dont une entrée de mise à un est commandée par le détecteur de démagnétisation, et dont une entrée de mise à zéro est commandée par le comparateur. Ces objets, caractéristiques, avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particu- liers faite à titre non limitatif à l'aide des figures jointes parmi lesquelles: la figure 1, précédemment décrite, représente un exemple classique de régulateur à découpage dit à accumulation; la figure 2 représente un mode de réalisation selon la présente invention d'un circuit de commande d'interrupteur de puissanoe dans un régulateur de courant à découpage; la figure 3 représente des allures de signaux du circuit de la figure 2; la figure 4 représente un exemple classique de circuit de détection de démagnétisation que l'on utilise dans certains convertisseurs à accumulation; et la figure 5 représente un mode de réalisation facile- ment intégrable en technologie "Smart Power" du circuit de la figure 2. Dans la figure 2, un capteur de courant 20 détecte, selon l'invention, le courant dans l'enroulement primaire 11 d'un convertisseur du type de la figure 1. Ce capteur 20 est, par exemple, une simple résistance de faible valeur disposée, ccnoe cela est représenté, entre l'interrupteur de puissance S et la borne négative de la source de tension V1, ici la masse GND. L'information de courant, notée KI1, peut également être fournie de nombreuses autres manières. Par exemple, dans le cas o 1' interrupteur de puissance S est un transistor MDS vertical constitué d'un grand nombre de cellules en parallèle, l'infor- mation de courant pourra être obtenue à partir du oeurant circulant dans un petit nombre de cellules identiques à celles du transistor MOS de puissance. L'interrupteur S est commandé par la sortie non-inver- sée Q d'une bascule 22 de type RS dont l'entrée de mise à zéro "R" reçoit la sortie d'un comparateur 24 qui compare l'informa- tion de courant KI1 à une tension de référence Vr. L'entrée de mise à un "S" de la bascule 22 reçoit la sortie d'un circuit de détection de démagnétisation 26, dont un exemple est décrit ultérieurement en relation avec la figure 4. Ce circuit de détection sert à faire fonctionner le régulateur en mode "auto- oscillant", mode indispensable pour obtenir une régulation du courant moyen au secondaire à l'aide d'une mesure du courant au primaire. La figure 3 représente un exemple d'allure du signal de commande de l'interrupteur S, de la tension de référence Vr, de l'information de courant KI1, et du courant I2 dans l'enrou- lement secondaire 12. La tension de référence Vr a été représen- tée avec une légère variation dont l'origine sera décrite ultérieurement en relation avec des éléments non encore décrits de la figure 4. Quand l'interrupteur S est fermé, le courant Il, et donc 1 'information de courant KI1, croissent régulièrement essentiellement en fonction de la tension V1 et de l'inductance de l'enroulement 11. Pendant ce temps, le courant I2 est nul. Quand l'information KI1 atteint la valeur Vr, le comparateur 24 met la bascule 22 à zéro, ce qui ouvre l'inter- rupteur S. Le courant Il, qui vient d'atteindre sa valeur crête Ilp, s'annule brusquement tandis que le courant I2 atteint brusquement sa valeur crête I2p qui est égale au courant crête Ilp multiplié par le rapport n du nombre de spires des enrou- lements 11 et 12. Ainsi, la valeur crête Ilp est fixée à Vr/K et la valeur crête I2p à n Vr/K. Le courant I2 décroît régu- lièrement, essentiellement en fonction de la tension aux bornes de la charge RL et de 1 'inductance de 1 'enroulement 12. Quand le courant I2 s'annule, c'est-à-dire quand le noyau 13 des enroulements 11 et 12 est démagnétisé, le circuit de détection de démagnétisation 26 met la bascule 22 à un, ce qui ferme l'interrupteur S, et ainsi de suite. Ce mode de fornc- tionnement, o l'interrupteur S est refermé dès que le courant I2 au secondaire s'annule, est dit "auto-oscillant". Dans oe mode de fonctionnement auto-oscillant, et en supposant que la valeur de la tension aux bornes de la charge RL ne varie pas significativement pendant un cycle de ccmmuta- tion de l'interrupteur S (ce qui est le cas d'une batterie), la valeur moyenne du courant I2 s'exprime par I2m = I2p(1-r)/2 = nIlp(l-r)/2, (1) o r est le rapport cyclique de commutation de 1' interrupteur S. En supposant que les tensions V1 et Vr sont constan- tes, la valeur crête Ilp du courant Il est atteinte en une durée constante après chaque fermeture de 1 'interrupteur S. Le temps d'annulation du courant I2 varie dans le sens inverse de la tension aux bornes de la charge RL. Plus cette tension est faible, plus le temps de démagnétisation est long, et plus le rapport cyclique r de commutation de l'interrupteur S est faible. Alors, d'après la relation (1), la valeur moyenne I2m augmente avec la diminution de la tension aux bornes de la charge. On obtient un effet de régulation de puissance fournie à la charge RL et non de régulation du courant dans la charge RL. Pour obtenir une régulation du courant dans la charge RL, il est prévu, selon un aspect de l'invention, de faire varier la tension de référence Vr dans le même sens que le rapport cyclique r, par exemple proportionnellement à 1/(l-r). Pour cela, dans la figure 2, la tension de référence Vr est recueillie aux bornes d'une capacité Cr dont une borne est connectée à la masse GND et l'autre à une tension d'alimen- tation Vcc par une souroe de courant Ir. La tension Voc est une tension continue d'alimentation du circuit de régulation qui est obtenue à partir de la tension Vl. La tension Vr est également reliée à la masse GND par l'intermédiaire d'une résistance Rr disposée en série avec un interrupteur S1. Cet interrupteur Sl est commandé par une sortie inversée Q* de la bascule 22. Ainsi, l'interrupteur Sl est ccmmuté avec un rapport cyclique de 1-r. Quand l'interrupteur S est fermé, l'interrupteur S1 est ouvert. La source de courant Ir charge la capacité Cr et la tension Vr tend vers Vcc. Lorsque l'interrupteur S est ouvert, l'interrupteur Sl est fermé. Alors, la résistance Rr dérive une partie du courant de la source Ir et la tension Vr tend vers une valeur RrIr. En pratique, les constantes de temps de charge et de décharge de la capacité Cr sont choisies élevées par rapport à la période de commutation de 1' interrupteur S. Ainsi, la tension Vr est pratiquement constante, et elle s'établit à une valeur Vr = IrRr/(1-r). La valeur crête du courant Il est fixée à Ilp - Vr/K - IrRr/K(1-r). (2) En combinant les relations (1) et (2), on obtient: I2m- nRrIr/2K, qui est une valeur constante que l'on peut fixer en ajustant une quelconque des valeurs Ir, Rr ou K. La figure 4 représente un exemple de circuit de détec- tion de démagnétisation 26 que l'on peut utiliser dans le régu- lateur de la figure 2. Il comprend un transistor PNP Q1 dont l'émetteur est relié à la tension Vcc par une résistance Ri et dont le collecteur est relié à la masse GND. La base du tran- sistor Q1 est reliée au point de connexion entre l'interrupteur S et l'enroulement 11 par une capacité Cl. Une résistance R2 relie la base du transistor Q1 à la tension Vcc. Le signal de détection est prélevé sur 1 'émetteur du transistor Q1 et inversé (40) avant d'être fourni à la bascule 22. Pendant que 1 'interrupteur S est fermé, la capacité Cl est chargée positivement du côté de la base du transistor Q1 à la tension Vcc. Lorsque l'interrupteur S est ouvert, la tension aux bornes de l'enroulement 11 s'inverse et se met à charger négativement la capacité C1 par la résistance R2. Au moment o le courant I2 s'annule, la tension aux bornes de l'enroulement 11 s'annule également. Alors, la capacité C1 se décharge par la base du transistor Q1 et la résistance R1. Le transistor Q1, qui était jusque là bloqué, devient conducteur et tire la sortie du circuit de détection vers la masse. La figure 5 représente un mode de réalisation de convertisseur selon l'invention facilement intégrable dans des caissons logiques associés à des transistors MOS verticaux en technologie MOS "Smart Power". Les interrupteurs S et S1 sont des transistors MOS. L'enroulement 11, la résistance de mesure de courant 20, et la capacité Cr ne peuvent être intégrés et sont reliés au circuit de comanmande intégré par des broches respectives 51, 52 et 53. Le courant Ir est fourni par une source comprenant un transistor MOS M1 à canal N, une résistance R1, une source de tension Vref et un amplificateur opérationnel 55. La résistance Rl est reliée entre le drain du transistor M1 et la tension Vcc. Le courant Ir est prélevé sur la source du transistor M1. L'amplificateur 55 canommande la grille du transis- tor M1 et reçoit sur son entrée non-inverseuse la tension de drain du transistor M1. La souroe de tension Vref est reliée entre l'entrée inverseuse de l'amplificateur 55 et la tension Voc. Avec cette configuration, le courant Ir est égal à Vref/Rl. Les valeurs exactes des résistances R1 et Rr sont difficiles à déterminer, mais ce qui importe dans ce cas est le rapport des résistances R1 et Rr, qui peut être choisi avec précision, car les résistances intégrées sur une même puce sont appariées. REVENDICAT IONS 1. Régulateur de courant à découpage du type à accumu- lation comprenant: - des premier (11) et deuxième (12) enroulements cou- plés; - des moyens (S, 26) pour connecter le premier enrou- lement à une source de tension (Vi) dès que les enroulements sont démagnétisés; caractérisé en ce qu'il comanprend - un capteur (20) du courant (Il) circulant dans le premier enroulement; - des moyens (24, S) pour déconnecter le premier enroulement de la source de tension quand le courant dans le premier enroulement atteint une valeur de référence (Vr/K), d'o il résulte que le premier enroulement est commuté avec un rapport cyclique (r); et - des moyens (Ir, Cr, Sl, Rr) pour faire varier la valeur de référence dans le sens dudit rapport cyclique. 2. Régulateur de courant selon la revendication 1, caractérisé en oe qu'il comprend: - un interrupteur de puissance (S) connectant le premier enroulement (11) à la source de tension (V1) avec ledit rapport cyclique; - des moyens (D) pour empêcher un courant de circuler dans le deuxième enroulement (12) lorsque le premier enroulement est connecté à la source de tension; - un détecteur de démagnétisation (26) pour fermer l'interrupteur lorsque le courant dans le deuxième enroulement s'annule; et - des moyens (24) pour ouvrir 1' interrupteur lorsque le courant dans le premier enroulement atteint ladite valeur de référenoe. il 3. Régulateur de courant selon la revendication 2, caractérisé en oe que ladite valeur de référence correspond à une tension de référence (Vr) aux bornes d'une capacité (Cr) polarisée par une source de courant de référence (Ir) et 5 déchargée à travers une résistance (Rr) comanmutée en opposition de phase par rapport audit interrupteur de puissance. 4. Régulateur de courant selon la revendication 3, caractérisé en oe qu'il comprend: - un comparateur (24) recevant la sortie (KI1) du capteur de courant et la tension de référence (Vr); et - une bascule (22) dont une sortie directe (Q) commaande ledit interrupteur (S), dont une sortie complémentaire (Q*) commande la commutation de ladite résistance (Rr), dont une entrée de mise à un (S) est commnandée par le détecteur de déma- gnétisation, et dont une entrée de mise à zéro (R) est commeandée par le comparateur.