Brevet FR2755804A1 — publié le 19980515

MISE EN VEILLE D'UN RÉGULATEUR LINEAIRE La présente invention concerne un régulateur de tension linéaire destiné à alimenter une charge en maintenant la tension aux bornes de la charge à une valeur prédéterminée. L'invention s'applique plus particulièrement à un régulateur de tension destiné à alimenter, au moyen d'une pile, un dispositif mobile. En particulier, la présente invention s'applique à un régulateur de tension destiné à alimenter un téléphone portable à partir d'une pile rechargeable. La figure 1 représente un exemple de schéma classique d'un régulateur linéaire de tension positive. Un tel régulateur comprend essentiellement un amplificateur 1 de commande d'un élément de puissance 2 destiné à alimenter une charge 3 sous une tension Vout prédéterminée. Une borne E d'entrée du régulateur est reliée à une pile rechargeable 4 destinée à fournir la puissance nécessaire à l'alimentation de la charge 3 connectée à une borne S de sortie du régulateur. L'élément de puissance 2 est généralement constitué d'un transistor MOS, par exemple à canal P, pour minimiser, par rapport à l'emploi d'un transistor bipolaire, la tension dite de déchet, c'est-à-dire la chute de tension entre les bornes E et S du régulateur. La source du transistor 2 est connectée à la borne E tandis que son drain constitue la borne S. Un condensateur de découplage C est généralement connecté entre la borne S et la masse. L'amplificateur 1 comporte une première entrée inverseuse reliée à une borne R du régulateur sur laquelle est appliquée une tension de référence Vref. Une deuxième entrée non-inverseuse de l'amplificateur 1 est reliée à la borne S. Une sortie de l'amplificateur 1 est reliée à la grille du transistor 2 pour modifier, en fonction de la tension d'erreur entre les bornes inverseuse et non-inverseuse, la tension grille-source du transistor 2 et maintenir ainsi la tension Vout à la valeur de référence Vref. Le cas échéant, un pont diviseur résistif (non représenté) est intercalé entre la borne S et l'entrée inverseuse de l'amplificateur 1 pour introduire un coefficient de proportionnalité constant entre les tensions Vref et Vout. Si le régulateur est destiné à alimenter un dispositif mobile à partir d'une pile rechargeable, il est souhaitable que le régulateur ait une consommation la plus faible possible pour améliorer la durée de tenue en charge de la pile. De plus, le régulateur doit alors présenter une tension de déchet la plus faible possible qui dépend, notamment, de la résistance drainsource à l'état passant du transistor. Un inconvénient d'un régulateur tel que représenté à la figure 1 est que la consommation d'énergie par le régulateur est sensiblement constante quel que soit le courant appelé par la charge 2. Par exemple, dans une application aux téléphones portables, où l'appel de courant pour le régulateur est de l'ordre d'une centaine de milliampères pendant une communication et d'environ 100 AA à quelques mA en attente de communication, la consommation d'un régulateur classique est de l'ordre de 200 SA. Pour réduire la consommation du régulateur lorsque l'alimentation de la charge ne requiert qu'un faible courant, on utilise généralement un amplificateur 1 autopolarisé dont le courant de polarisation s'adapte en fonction de la charge. Si une telle solution permet de rendre la consommation du régulateur variable en fonction de la charge, cette consommation reste élevée (par exemple, de l'ordre de 100 AA) pour un courant de sortie faible. En effet, si la consommation de l'amplificateur 1 diminue, la résistance de l'étage de sortie (généralement constitué d'un transistor MOS) de l'amplificateur 1 augmente, ce qui entraîne un abaissement de la fréquence de coupure liée à la capacité de grille du transistor MOS de puissance 2. En effet, le transistor 2 est généralement un transistor de taille importante, c'est-à-dire ayant un rapport W/L (largeur sur longueur de grille) important et présente donc une capacité de grille importante. Ainsi, si on cherche à trop diminuer la consommation de l'amplificateur par son autopolarisation, le circuit devient instable dans la mesure où le pôle lié à la capacité de grille du transistor 2 devient voisin de celui lié au condensateur de découplage C. Pour rendre la boucle stable, il faut que les différents pôles soient toujours éloignés les uns par rapport aux autres. Une solution consiste à multiplier le nombre d'étages, mais on augmente alors la consommation. Le problème de stabilité est particulièrement sensible dans un régulateur linéaire car, à la différence d'autres convertisseurs de puissance de type alimentation à découpage où la contre réaction d'asservissement de la tension de sortie est discontinue, la boucle de contre réaction est ici permanente. On est donc contraint d'effectuer un compromis entre la diminution de la consommation de l'amplificateur 1 pour un faible courant de sortie et la stabilité de ce régulateur. En reprenant l'exemple ci-dessus d'un téléphone portable, cela conduit, en pratique, à un appel de courant minimal de l'ordre de 100 AA pour le régulateur. Il serait souhaitable de diminuer encore cette consommation minimale pour améliorer la durée de tenue en charge de la pile 4. La présente invention vise à proposer un nouveau régulateur linéaire de consommation très faible pendant des périodes de faible appel de courant par la charge tout en préservant la stabilité du régulateur. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un régulateur linéaire d'une tension destinée à alimenter une charge, comportant des moyens de mise en veille partielle du régulateur en réponse à un signal de commande fourni par la charge. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le régulateur comporte un premier élément de conduction linéaire destiné à alimenter la charge hors de périodes de veille partielle, et au moins un deuxième élément de conduction linéaire destiné à alimenter la charge pendant des périodes de veille partielle, chaque élément de conduction étant associé à un moyen d'asservissement de la tension d'alimentation de la charge sur une tension de référence prédéterminée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque élément de conduction est constitué d'un transistor MOS, un premier transistor MOS de puissance associé à un mode de pleine charge présentant un rapport largeur/longueur de grille nettement supérieur au rapport largeur/longueur de grille d'un deuxième transistor. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens d'asservissement des éléments de conduction sont constitués d'un amplificateur différentiel comprenant, en cascade, un étage différentiel d'entrée recevant les tensions de référence et d'alimentation de la charge, une première branche de sortie dont une borne est reliée à une borne de commande du deuxième élément de conduction et une deuxième branche de sortie dont une borne est reliée, par l'intermédiaire d'un adaptateur d'impédance, à une borne de commande du premier élément de conduction. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le régulateur comporte des moyens de commutation, commandés par ledit signal de commande fourni par la charge, pour polariser la deuxième branche de l'amplificateur d'asservissement et l'adaptateur d'impédance associés au premier élément de conduction uniquement pendant les périodes de pleine charge. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le régulateur comporte en outre un moyen de commutation, associé à chaque élément de conduction et commandé par ledit signal de commande, pour bloquer un des deux éléments de conduction en fonction du mode de fonctionnement. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moyen d'asservissement du premier élément de conduction est constitué d'un amplificateur différentiel recevant les tensions de référence et d'alimentation de la charge et dont un premier étage de sortie est destiné au premier élément de conduction. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moyen d'asservissement du deuxième élément de conduction est constitué dudit amplificateur différentiel dont un deuxième étage de sortie est destiné au deuxième élément de conduction. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1 décrite précédemment est destinée à exposer l'état de la technique et le problème posé la figure 2 représente un mode de réalisation d'un régulateur linéaire selon la présente invention ; et la figure 3 est un graphique illustrant la consommation du régulateur linéaire de la présente invention en fonction du courant qu'il délivre. Les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments du régulateur qui sont nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés aux figures. Une caractéristique de la présente invention est de prévoir un régulateur ayant au moins deux modes de fonctionnement distincts pour s'adapter à une charge présentant elle-même au moins deux modes de fonctionnement qui se distinguent par des plages d'appel de courant différentes. Ainsi, la présente invention prévoit un régulateur fonctionnant dans un mode dit "de pleine charge" quand l'alimentation de la charge requiert un courant important et un mode de fonctionnement dit "de veille partielle" quand l'alimentation de la charge requiert un courant sensiblement plus faible. La figure 2 représente un mode de réalisation d'un régulateur linéaire selon la présente invention. Selon l'invention, le régulateur comporte au moins deux éléments distincts et asservis qui alimentent une charge (non représentée à la figure 2) sous une tension prédéterminée Vout. Un premier élément est constitué, par exemple, d'un transistor MOS de puissance à canal P MP1 connecté entre une borne E d'alimentation du régulateur et une borne S de sortie du régulateur. Un deuxième élément est constitué d'un transistor MOS à canal P MP2 de plus petite taille (W2/L2) que celle (W1/L1) du transistor MP1, également connecté entre les bornes E et S, et destiné à alimenter la charge pendant des périodes de veille partielle de cette dernière. Chaque transistor MP1, MP2 est commandé individuellement par sa grille par des moyens distincts. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 2, le régulateur comporte un amplificateur 10 d'asservissement de la tension de sortie Vout sur une tension de référence Vref appliquée, par une borne R d'entrée du régulateur, sur une entrée inverseuse de l'amplificateur 10. Une entrée non-inverseuse de l'amplificateur 10 est reliée à la borne S, donc aux drains des transistors MP1 et MP2. On notera que, de façon classique, la contre réaction sur l'entrée non-inverseuse de l'amplificateur 10 peut s'effectuer par l'intermédiaire d'un pont résistif (non représenté) pour introduire un coefficient de proportionnalité entre les tensions Vout et Vref. La tension Vref est, par exemple, fournie par une source de tension externe. On notera toutefois, que la tension Vref pourrait également être fournie par une cellule intégrée au régulateur. L'amplificateur 10 comporte deux sorties distinctes S1, S2 destinées aux transistors MP1, MP2. La sortie S1 est associée à un amplificateur suiveur 11 de gain unitaire ayant une fonction d'adaptation d'impédance (forte impédance d'entrée, faible impédance de sortie). A titre de variante de réalisation, l'amplificateur 10 peut être constitué de deux amplificateurs indépendants recevant chacun les tensions Vref et Vout et associés, chacun, à un des transistors MP1 et MP2. On préfère toutefois avoir recours à un amplificateur 10 unique dans la mesure où un seul étage d'entrée est alors nécessaire ce qui permet de diminuer le nombre de transistors du régulateur donc sa consommation. De même, si l'amplificateur 10 peut comporter deux étages de sortie indépendants, on préférera le réaliser avec un seul étage de sortie constitué d'au moins deux branches de transistors en cascade, la sortie S2 étant prélevée sur une première branche 12 et la sortie S1 sur une deuxième branche 13. Ainsi, on minimise encore le nombre de transistors, la première branche destinée à commander le transistor MP2 étant également utilisée pour préamplifier le signal d'erreur pour la deuxième branche destinée à commander le transistor MP1. Un avantage de prévoir un adaptateur d'impédance 11 indépendant de l'amplificateur 10 est que cela rend l'amplificateur 11 commandable indépendamment de l'amplificateur 10. Selon l'invention, le régulateur comporte également des moyens de commutation K1, K2, K3, K4 pour sélectionner le mode de fonctionnement. Le régulateur comporte une borne CTRL d'entrée d'un signal de commande logique délivré par la charge et indicateur de son mode de fonctionnement. Par exemple, dans le cas d'un téléphone portable, celui-ci comporte essentiellement deux modes de fonctionnement correspondant aux périodes de communication et d'attente d'une communication. En mode de veille partielle correspondant à l'attente d'une communication, les circuits du téléphone sont en veille, à l'exception d'un module de détection d'appel. La consommation de ce module est très faible (par exemple, de l'ordre de 100 yA à 2 mA). Lorsqu'il reçoit ou qu'il doit émettre un appel, le téléphone bascule en mode de com munication, correspondant au mode de pleine charge du régulateur qui doit alors fournir un courant susceptible de varier d'une centaine de tA à environ 100 mA. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 2, le régulateur comporte au moins deux commutateurs K1 et K2 commandés simultanément à partir du signal présent sur la borne CTRL. Un commutateur K1 est destiné à couper la polarisation de la sortie S1 de l'amplificateur 10, c'est-à-dire la polarisation de la deuxième branche 13 de transistors (non représentés) de l'amplificateur 10. Un commutateur K2 est destiné à commander la polarisation de l'amplificateur suiveur 11. L'étage d'entrée de l'amplificateur 10 ainsi que la première branche de sortie 12 destinée au transistor MP2 sont polarisés quel que soit le mode de fonctionnement. En pratique, les polarisations des amplificateurs 10 et 11 sont assurées par l'intermédiaire d'un circuit 14 de polarisation intégrant les commutateurs K1, K2, et recevant la tension de la pile 4 et le signal de commande CTRL. De préférence, deux commutateurs K3 et K4, également commandés par le signal CIRE, sont intercalés entre la borne E et les grilles respectives des transistors MP1 et MP2 pour assurer leur blocage, et ainsi permettre le choix du transistor en fonction du mode de fonctionnement. Les différents commutateurs K1 à K4 sont, par exemple, réalisés au moyen de transistors MOS. En mode de pleine charge, les commutateurs K1, K2 et K4 sont fermés et le commutateur K3 est ouvert. Ainsi, la boucle d'asservissement de la tension Vout sur la tension Vref est assurée par l'amplificateur 10 complet, l'amplificateur 11 et le transistor MOS de puissance MP1. Dans le mode de veille partielle, les commutateurs K1, K2 et K4 sont ouverts, et le commutateur K3 est fermé. La boucle d'asservissement de la tension Vout comporte ici uniquement la première branche 12 (ou le premier étage de sortie si les branches 12 et 13 sont remplacées par deux étages de sortie) de l'amplificateur 10 et le transistor MP2. Un avantage de la présente invention est que, dans le mode de veille partielle, on diminue considérablement la consommation du régulateur. Cet avantage est lié à l'emploi d'un transistor MOS MP2 distinct du transistor MOS de puissance MP1. En raison de la faible intensité prélevée par la charge en mode veille, le transistor MP2 est de dimension (W2/L2) réduite et présente donc une capacité de grille plus faible. Ainsi, la branche 12 de l'amplificateur d'asservissement 10 peut être plus simple que dans un régulateur classique, tout en étant stable. La figure 3 représente le courant Ireg consommée par le régulateur en fonction du courant Iout de la charge. Cette figure correspond à un exemple d'application de l'invention à un téléphone portable et présente, à titre comparatif, les courants consommés par les deux exemples de régulateur classiques décrits précédemment. Un régulateur classique tel que représenté à la figure 1 présente une consommation permanente de l'ordre de 200 SA (courbe en pointillés). Un régulateur classique dont l'amplificateur d'asservissement est autopolarisé présente un courant minimum de l'ordre de 100 yA (courbe en traits mixtes). Le régulateur selon l'invention (courbes en traits pleins) consomme, en mode veille, de l'ordre de 10 à 20 AA (par exemple, 15 AA). En mode de pleine charge, sa caractéristique est sensiblement similaire à celle d'un régulateur à amplificateur d'asservissement autopolarisé. On notera toutefois que la consommation minimale en mode de pleine charge est inférieure à celle d'un tel régulateur classique et est, par exemple, de l'ordre de 70 p(A. Cela est obtenu grâce à l'amplificateur suiveur 11 qui isole, en mode de pleine charge, la capacité de grille du transistor MP1 de la sortie S1 de l'amplificateur d'asservissement 10, ce qui permet d'utiliser un amplificateur 10 plus simple et un amplificateur 11 autopolarisé. En fonction des contraintes de consommation minimale souhaitées, on pourra augmenter la complexité (le nombre de branches ou d'étages) de l'amplificateur d'asservissement 10 et de l'amplificateur suiveur 11 pour minimiser le bruit de commutation lié à une éventuelle surtension de commutation lors du passage du mode de veille partielle vers le mode de pleine charge. Un avantage de la présente invention est qu'elle améliore considérablement la tenue en charge d'une pile destinée à alimenter une charge présentant deux modes de fonctionnement dans lesquels le courant prélevé par la charge est sensiblement différent. Cet avantage est particulièrement sensible dans le cas d'un téléphone portable qui est, généralement, plus de 80% du temps en mode de veille partielle, c'est-à-dire en attente de communication. Un autre avantage de la présente invention est qu'elle ne nuit pas au besoin d'une faible tension de déchet entre les bornes E et S du régulateur quel que soit son mode de fonctionnement. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, bien que l'on ait fait référence dans la description qui précède à un régulateur comportant deux modes de fonctionnement, respectivement de pleine charge et de veille partielle, on pourra prévoir plusieurs modes distincts de veille partielle en multipliant le nombre de transistors MP2 et en intercalant des branches ou étages de sortie intermédiaires dans l'amplificateur 10. Dans ce cas, la polarisation de chaque étage intermédiaire et de chaque transistor supplémentaire est commandée au moyen d'un commutateur. De plus, la réalisation pratique de l'amplificateur d'asservissement et de l'amplificateur suiveur selon la présente invention sont à la portée de l'homme de l'art à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. En outre, bien que l'exemple de réalisation décrit ci-dessus corresponde à un régulateur de tension positive, l'invention s'applique également à la réalisation d'un régulateur de tension négative et les modifications à apporter au régulateur pour obtenir une telle fonctionnalité sont à la portée de l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Régulateur linéaire d'une tension (Vout) destinée à alimenter une charge (2), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mise en veille partielle du régulateur en réponse à un signal de commande (CTRL) fourni par la charge. 2. Régulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un premier élément de conduction linéaire (MP1) destiné à alimenter la charge (2) hors de périodes de veille partielle et au moins un deuxième élément de conduction linéaire (MP2) destiné à alimenter la charge (2) pendant des périodes de veille partielle, chaque élément de conduction étant associé à un moyen (13, 11 ; 12) d'asservissement de la tension (Vout) d'alimentation de la charge (2) sur une tension (Vref) de référence prédéterminée. 3. Régulateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque élément de conduction est constitué d'un transistor MOS (MP1, MP2), un premier transistor MOS de puissance (MP1) associé à un mode de pleine charge présentant un rapport largeur/longueur de grille (W1/L1) nettement supérieur au rapport largeur/longueur de grille (W2/L2) d'un deuxième transistor (MP2). 4. Régulateur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens d'asservissement des éléments de conduction sont constitués d'un amplificateur différentiel (10) comprenant, en cascade, un étage différentiel d'entrée recevant les tensions de référence (Vref) et d'alimentation (Vout) de la charge (2), une première branche (12) de sortie dont une borne (S2) est reliée à une borne de commande du deuxième élément de conduction (MP2) et une deuxième branche (13) de sortie dont une borne (S1) est reliée, par l'intermédiaire d'un adaptateur d'impédance (11), à une borne de commande du premier élément de conduction (MP1). 5. Régulateur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commutation (K1, K2), commandés par ledit signal de commande (CTRL) fourni par la charge (2), pour polariser la deuxième branche (13) de l'amplificateur d'asservissement (10) et l'adaptateur d'impédance (11) associés au premier élément de conduction (MP1) uniquement pendant les périodes de pleine charge. 6. Régulateur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen de commutation (K3, K4), associé à chaque élément de conduction (MP1, MP2) et commandé par ledit signal de commande (CTRL), pour bloquer un des deux éléments de conduction (MP1, MP2) en fonction du mode de fonctionnement. 7. Régulateur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le moyen d'asservissement du premier élément de conduction (MP1) est constitué d'un amplificateur différentiel (10, 13) recevant les tensions de référence (Vref) et d'alimentation (Vout) de la charge (2) et dont un premier étage de sortie (S1) est destiné au premier élément de conduction. 8. Régulateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen d'asservissement du deuxième élément de conduction (MP2) est constitué dudit amplificateur différentiel (10) dont un deuxième étage de sortie (S2) est destiné au deuxième élément de conduction.