Brevet FR2767235A1 — publié le 19990212

La présente invention concerne les alimentations électriques à découpage et, plus particulièrement, mais non exclusivement, des alimentations à découpage destinées à être utilisées avec des dispositifs électroniques portatifs. Les dispositifs électroniques tels que les téléphones mobiles et les appareils de messagerie ou de recherche de personnes utilisent typiquement une batterie électrique comme alimentation. La tension présente entre les bornes de la batterie peut être différente de la tension nécessitée par le dispositif, si bien qu'une alimentation électrique à découpage (SMPS) est généralement prévue entre la batterie et le dispositif. Dans le but de réduire la consommation électrique, de nombreux dispositifs électroniques portatifs possèdent un mode de fonctionnement dit d'attente (ou mode de veille) en plus du mode normal de fonctionnement. Dans le mode d'attente, est opérée une réduction de la fréquence d'horloge et les circuits périphériques qui ne sont pas nécessaires au maintien d'une fonctionnalité minimale restent non alimentés, de sorte que seule une petite fraction de la puissance nominale est consommée. Le problème qui se pose avec un dispositif possédant un SMPS et qui reste fréquemment dans un mode d'attente est que le SMPS lui-même est peu rentable du point de vue énergétique, et cela de deux manières. Tout d'abord, de l'énergie est perdue du fait de la présence de courants transitoires dans des transistors d'attaque complémentaires pendant la partie de chaque transition de tension (du niveau haut au niveau bas, ou du niveau bas au niveau haut) où les deux transistors conduisent. Ces pertes peuvent être réduites par le concepteur des circuits grâce à des procédés connus. En deuxième lieu, de l'énergie est perdue en raison de la nécessité qu'il y a de charger et décharger la grande capacité parasite inhérente au circuit pendant ces mêmes transitions de tension. Ceci s'ajoute de manière notable aux pertes énergétiques globales du SMPS, ce qui réduit le rendement général du système. Cette invention a pour but de produire un SMPS et un procédé qui atténuent les inconvénients ci-dessus mentionnés. Selon un premier aspect de l'invention, il est proposé une alimentation électrique à découpage destinée à être utilisée avec une charge, I'alimentation comprenant : un noeud de sortie servant à fournir un signal découpé qui est utilisé pour fournir de la puissance à la charge ; un premier circuit de commutation de puissance, couplé de façon à recevoir une tension d'alimentation et destiné à fournir un signal découpé au noeud de sortie ; un moyen de commande couplé au noeud de sortie et destiné à produire sélectivement un signal de commande en fonction d'une grandeur caractéristique détectée au noeud de sortie ; et un deuxième circuit de commutation de puissance couplé de façon à recevoir une tension d'alimentation et le signal de commande et destiné à fournir sélectivement un signal découpé au noeud de sortie en fonction du signal de commande, où la grandeur caractéristique détectée est indicative de la consommation de puissance par la charge, de sorte que, pendant les périodes de faible consommation de puissance, seul le premier circuit de commutation de puissance est utilisé, et, pendant les périodes de forte consommation de puissance, les premier et deuxième circuits de commutation de puissance sont tous deux utilisés. De préférence, le moyen de commande comprend un comparateur destiné à comparer la grandeur caractéristique détectée au noeud de sortie avec l'une, sélectionnée, de première et deuxième références caractéristiques. Le moyen de commande comprend en outre, de préférence, un commutateur destiné à sélectionner la première référence caractéristique, en vue de la comparaison, lorsque seul le premier circuit de commutation de puissance est en cours d'utilisation, et destiné à sélectionner la deuxième référence caractéristique, en vue de la comparaison, lorsque les premier et deuxième circuits de commutation de puissance sont en cours d'utilisation. De préférence, les première et deuxième références caractéristiques sont fournies par des dispositifs qui sont corrélés thermiquement et matériellement. Selon un deuxième aspect de l'invention, il est proposé un procédé de mise en oeuvre d'une alimentation électrique à découpage ayant pour but d'alimenter électriquement une charge, le procédé comprenant les opérations suivantes: prévoir un premier circuit de commutation de puissance afin de fournir un signal découpé sur un noeud de sortie pour alimenter électriquement une charge ; détecter une grandeur caractéristique du signal découpé présent sur le noeud de sortie ; prévoir sélectivement un deuxième circuit de commutation de puissance afin de fournir un signal découpé sur le noeud de sortie, en fonction de la grandeur caractéristique détectée au noeud de sortie, où la grandeur caractéristique détectée est indicative de la consommation de puissance de la charge, de sorte que, pendant les périodes de faible consommation de puissance, seul le premier circuit de commutation de puissance est utilisé, et, pendant les périodes de forte consommation de puissance, les premier et deuxième circuits de commutation de puissance sont tous deux utilisés. De préférence, la charge est formée des circuits d'un dispositif électronique. La grandeur caractéristique est de préférence une tension, ou bien selon une autre possibilité, un courant. De cette manière, dans le cas de conditions de charge légères, seul le premier circuit de commutation de puissance est utilisé, et, dans le cas de conditions de charge lourdes, les premier et deuxième circuits de commutation de puissance sont utilisés. Ainsi, pendant les conditions de charge légères, il y a diminution de la capacité parasite et des pertes de puissance qui lui sont associées. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages ; elle s'appuie sur la figure unique, qui montre une alimentation électrique à découpage selon un mode de réalisation préféré de la présente invention. Sur la figure unique, est représentée une alimentation électrique à découpage (SMPS) 10. Une borne d'entrée 15 de la SMPS 10 est couplée de façon à recevoir un signal d'attaque modulé en largeur d'impulsion de la part d'une batterie (non représentée). Un premier circuit d'alimentation électrique 20, comprenant un dispositif d'attaque complémentaire et un commutateur de puissance, est couplé de façon à recevoir le signal d'attaque venant de la borne d'entrée 15, afin de fournir un signal découpé à un noeud de sortie 40. Une porte ET 35 possède une première entrée couplée de façon à recevoir le signal d'attaque venant de la borne d'entrée 15 et une deuxième entrée couplée de façon à recevoir un signal de commande qui sera expliqué ci-après. Un deuxième circuit d'alimentation électrique 30 comprenant lui aussi un dispositif d'attaque complémentaire et un commutateur de puissance, est couplé de façon à recevoir un signal de sortie de la part de la porte ET 35, afin de fournir un signal découpé au noeud de sortie 40. Le noeud de sortie 40 fournit donc un signal découpé qui est la somme des signaux de sortie des premier et deuxième circuits d'alimentation électrique 20 et 30, respectivement. Le signal découpé obtenu par addition est fourni à des charges inductives et capacitives (non représentées) via une borne de sortie 50, afin de développer la puissance. Un circuit de commande 60 comprend un circuit logique de commande 65, un comparateur 70, un commutateur 75 et des première et deuxième références de tension 80 et 90. Le comparateur 70 possède une entrée de non-d'inversion couplée au noeud de sortie 40 afin de recevoir une tension de celui-ci, ainsi qu'une entrée d'inversion, décrite ultérieurement, et une sortie. Le commutateur 75 possède un premier noeud commuté qui est couplé à la première référence de tension 80, un deuxième noeud commuté qui est couplé à la deuxième référence de tension 90, un noeud de commande, décrit plus complètement ci-après, et un autre noeud qui est couplé à l'entrée d'inversion du comparateur 70. De cette manière, le commutateur 75 est conçu pour coupler sélectivement l'une des première et deuxième références de tension 80 et 90 respectives à l'entrée d'inversion du comparateur 70 en fonction de l'état du noeud de commande. Les première et deuxième références de tension 80 et 90 sont respectivement formées par des transistors disposés en sources de tension. Pour assurer une bonne corrélation avec les valeurs des références, les transistors sont des transistors fabriqués de la même manière, à l'aide des mêmes matériaux et des mêmes traitements. De préférence, ils peuvent être placées sur le même substrat. De cette manière, les première et deuxième tensions de référence 80 et 90 seront thermiquement et matériellement corrélées de façon respective, de manière à ainsi réduire les problème associés aux variations de la température et des conditions ambiantes. Le circuit logique 65 est couplé de façon à recevoir le signal de sortie du comparateur 70, et est conçu pour fournir un signal de commande au noeud de commande du commutateur 75 et à la deuxième entrée de la porte ET 35. Le circuit logique 65 est également couplé de façon à recevoir des signaux de positionnement temporel de la part d'une entrée de positionnement temporel 95. Le circuit logique de commande 65 est conçu de façon que, à chaque apparition d'un signal de positionnement temporel périodique 92, sur l'entrée de positionnement temporel 95, le signal de sortie du comparateur est soumis à un verrouillage, et la valeur (niveau logique 0 ou niveau logique 1) est utilisée pour déterminer le signal de commande. En fonctionnement, la borne d'entrée 15 reçoit le signal d'attaque modulé en largeur d'impulsion de la part de la batterie. Le premier circuit d'alimentation électrique 20 reçoit le signal d'attaque de la part de la borne d'entrée 15, et fournit le signal découpé au noeud de sortie 40. Une charge (non représentée) tire du courant de la borne de sortie 50, ce qui crée une tension sur le noeud de sortie 40. Le premier circuit d'alimentation électrique 20 possède un commutateur de puissance qui, lorsqu'il est activé (fermé), fait circuler un courant d'origine inductive, donnant naissance à une tension Vin sur le noeud de sortie 40 du fait de la valeur finie de la résistance d'état conducteur du premier circuit d'alimentation électrique 20. Lors de la désactivation du commutateur de puissance présent à l'intérieur du premier circuit d'alimentation électrique 20, le courant inductif crée une autre tension Vout. Le rapport de Vin à Vout est déterminé à partir du rapport du temps d'activation au temps de désactivation. Par conséquent, il y a une augmentation de tension sur le noeud de sortie 40 au cours de chaque cycle du commutateur de puissance disposé à l'intérieur du premier circuit d'alimentation électrique 20, et la tension est proportionnelle à la demande de puissance. L'entrée de non-inversion du comparateur 70 est couplée de façon à mesurer la tension présente sur le noeud de sortie 40. Si l'on considère le cas d'une condition de charge faible sur la borne de sortie (le courant extrait est de l'ordre des microampères), la tension présente sur le noeud de sortie 40 sera petite. Le commutateur 75 est réglé pour coupler le premier noeud commuté (et, par conséquent, la première tension de référence 80) à l'entrée d'inversion du comparateur 70. Une limite maximale existe à la puissance que peut fournir le premier amplificateur de puissance 20, et la première référence de tension 80 est choisie de façon à être égale à la tension présente sur le noeud de sortie 40 lorsque la charge a augmenté afin de demander plus de puissance que le premier amplificateur de puissance 20 n'est capable d'en foumir seul. Dans des conditions de charge faible, I'entrée d'inversion du comparateur 70 (la première référence de tension) sera à un niveau plus haut que l'entrée de non-inversion (la tension du noeud de sortie 40). Ainsi, le signal de sortie du comparateur 70 sera le niveau logique 0. Le circuit logique de commande 65, à chaque signal de positionnement temporel venant de l'entrée de positionnement temporel 95, verrouille le signal de sortie de niveau logique 0 du comparateur 70, et le signal de commande prend la valeur du niveau logique 0. Le commutateur 75 est conçu pour maintenir le couplage du premier noeud commuté (et, par conséquent, de la première référence de tension 80) avec l'entrée d'inversion du comparateur 70 lorsque le signal de commande possède la valeur logique 0, et pour faire commuter le couplage sur le deuxième noeud commuté (et, par conséquent, la deuxième référence de tension 90) lorsque le signal de commande possède la valeur logique 1. La porte ET 35 reçoit également le signal de commande qui possède la valeur logique 0, si bien que le signal de sortie de la porte ET 35 est également le niveau logique 0. De cette manière, le deuxième circuit d'alimentation électrique 30 ne fournit pas le signal découpé au noeud de sortie 40. Si la charge augmente, la tension va augmenter. Lorsque la tension présente sur le noeud de sortie 40 dépasse la valeur de la première référence de tension 80, I'entrée d'inversion du comparateur 70 est à un niveau plus bas que l'entrée de non-inversion (la tension du noeud de sortie 40), et le signal de sortie du comparateur est au niveau logique 1. Le circuit logique de commande 65, à l'apparition suivante du signal de positionnement temporelle périodique venant de l'entrée de positionnement temporel 95, verrouille le signal de sortie de niveau logique 1 du comparateur 70, et le signal de commande prend la valeur logique 1. Le commutateur 75 fait alors commuter le couplage sur le deuxième noeud commuté (et, par conséquent, la deuxième référence de tension 90). La porte ET 35 reçoit également le signal de commande de valeur logique 1, et, par conséquent, le signal de sortie de la porte ET 35 est également au niveau logique 1. Le deuxième circuit d'alimentation électrique 30 devient actif et fournit le signal découpé au noeud de sortie 40. Le noeud de sortie 40 reçoit maintenant un signal découpé qui est la somme des signaux de sortie des premier et deuxième circuits d'alimentation électrique 20 et 30, respectivement. La valeur de la deuxième référence de tension 90 est choisie égale à la tension présente sur le noeud de sortie 40, lorsque la charge diminue de façon à ne pas demander plus de puissance que le premier amplificateur de puissance 20 n'est capable d'en fournir seul. De cette manière, lorsque la charge se trouvant sur la borne de sortie 50 chute si bien que seul le premier amplificateur de puissance 20 est nécessaire, I'entrée d'inversion du comparateur 70 (la deuxième référence de tension) sera à un niveau plus haut que l'entrée de non-inversion (la tension du noeud de sortie 40). Ainsi, le signal de sortie du comparateur 70 sera au niveau logique 0, et, à l'apparition suivante d'un signal de positionnement temporel, le circuit logique de commande 65 mettra le deuxième circuit d'alimentation électrique 30 dans l'état désactivé. Comme la puissance consommée par la charge et la décharge de la capacité est gouvernée par des principes fondamentaux, I'approche ci-dessus réduit la grandeur de la capacité parasite non nécessaire qui est associée à un grand dispositif de commutation de puissance qui ne possède qu'un seul commutateur. La capacité parasite est directement liée à la taille d'un dispositif de commutation de puissance. Dans des conditions de charge légères, par exemple pour le mode d'attente d'un téléphone cellulaire portatif, seul le premier circuit d'alimentation électrique 20 est utilisé, ce qui a pour effet de réduire la capacité parasite et les pertes de puissance qui lui sont associées. Dans des conditions de charge plus lourdes, comme le mode normal d'un téléphone cellulaire portatif, les première et deuxième alimentations électriques 20 et 30 sont respectivement toutes deux utilisées, ce qui augmente les pertes de puissance jusqu'à celles d'une unique alimentation électrique plus grande, mais seulement pendant la durée des conditions de charge plus fortes. En même temps qu'une réduction de la capacité, on obtient une réduction de taille des transistors d'attaque complémentaires et de leurs pertes par courants transitoires associées. On aura compris que d'autres modes de réalisation que celui décrit cidessus sont possibles. Par exemple, les première et deuxième références de tension 80 et 90 pourraient respectivement être remplacées par des sources de courant, et la tension détectée pourrait être remplacée par un courant global détecté, dans le noeud de sortie 40. En outre, le montage du circuit de commande 60 et le signal de commande pourraient être remplacés par un autre montage qui effectue une fonction logique analogue, comme un amplificateur différentiel de courant et ses circuits associés. REVENDICATIONS 1. Alimentation électrique à découpage destinée à être utilisée avec une charge, l'alimentation étant caractérisée en ce qu'elle comprend un noeud de sortie (40) servant à produire un signal découpé qui est utilisé pour fournir de la puissance à la charge; un premier circuit de commutation de puissance (20) couplé de façon à recevoir une tension d'alimentation et conçu pour fournir un signal découpé au noeud de sortie; un moyen de commande (60) couplé au noeud de sortie et conçu pour fournir sélectivement un signal de commande en fonction d'une grandeur caractéristique détectée au noeud de sortie; et un deuxième circuit de commutation de puissance (30) couplé de façon à recevoir une tension d'alimentation et le signal de commande et conçu pour fournir sélectivement un signal découpé au noeud de sortie en fonction du signal de commande, où la grandeur caractéristique détectée est indicative de la consommation de puissance de la charge, si bien que, pendant les périodes de faible consommation de puissance, seul le premier circuit de commutation de puissance est utilisé, et, pendant les périodes de forte consommation de puissance, les premier et deuxième circuits de commutation de puissance sont tous deux utilisés. 2. Alimentation électrique à découpage selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen de commande (60) comprend un comparateur (70) conçu pour comparer la grandeur caractéristique détectée au noeud de sortie avec l'une, sélectionnée, de première et deuxième références caractéristiques (80, 90). 3. Alimentation électrique à découpage selon la revendication 2, caractérisée en ce que le moyen de commande (60) comprend en outre un commutateur (75) conçu pour sélectionner la première référence caractéristique (80) en vue de la comparaison lorsque seul le premier commutateur de puissance (20) est en train d'être utilisé, et conçu pour sélectionner la deuxième référence caractéristique (90) en vue de la comparaison lorsque les premier et deuxième commutateurs de puissance (20, 30) sont tous deux en train d'être utilisés. 4. Alimentation électrique à découpage selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que les première et deuxième références caractéristiques (80, 90) sont fournies par des dispositifs qui sont thermiquement et matériellement corrélés. 5. Alimentation électrique à découpage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la charge est formée des circuits d'un dispositif électronique. 6. Alimentation électrique à découpage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la grandeur caractéristique est une tension. 7. Alimentation électrique à découpage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la grandeur caractéristique est le courant. 8. Procédé de mise en oeuvre d'une alimentation électrique à découpage destinée à alimenter une charge, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: prévoir un premier circuit de commutation de puissance (20) pour fournir un signal découpé sur un noeud de sortie (40) afin d'alimenter la charge; détecter une grandeur caractéristique du signal découpé sur le noeud de sortie; prévoir sélectivement un deuxième circuit de commutation de puissance (30) pour fournir un signal découpé sur le noeud de sortie, en fonction de la grandeur caractéristique détectée au noeud de sortie; et où la grandeur caractéristique détectée est indicative de la consommation de puissance de la charge, si bien que, pendant les périodes de faible consommation de puissance, seul le premier circuit de commutation de puissance est utilisé, et, pendant les périodes de forte consommation de puissance, les premier et deuxième circuits de commutation de puissance sont tous deux utilisés. 9. Procédé selon la communication 8, caractérisé en ce que la charge est formée des circuits d'un dispositif électronique. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la grandeur caractéristique est une tension. 11. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la grandeur caractéristique est un courant.