Brevet FR2818761A1 — publié le 20020628

Dispositif et procédé de régulation de tension. La présente invention concerne le domaine de la régulation de tension destinée à fournir une tension d'alimentation constante à des organes consommateurs d'énergie électrique, à partir d'une tension susceptible de varier. Les régulateurs de tension sont utilisés de façon très large dans les circuits d'alimentation. Ils permettent de fournir des tensions d'alimentation avec des pertes de puissance faibles. Dans le cas o la source d'énergie est une batterie, il s'avère important que la consommation du ou des régulateurs de tension soit faible. Ceci est particulièrement important dans le cas de la téléphonie mobile o les batteries sont de faibles dimensions et ce, que le téléphone mobile soit en mode actif ou en mode veille. En général, les performances des régulateurs de tension, en terme de consommation de courant de sortie, sont garanties jusqu'à une tension de batterie minimum au-dessus de leur tension de sortie. La différence entre la tension minimale de la batterie et la tension de sortie des régulateurs est souvent appelée la tension de drop et notée Vdrop. Dans le cas d'une tension de batterie inférieure au seuil susmentionné, beaucoup de régulateurs sont arrêtés. Toutefois, dans le cas de la téléphonie mobile, les régulateurs de tension qui alimentent la partie d'horloge temps réel peuvent rester en fonctionnement actif avec des performances dégradées. Dans ce cas, la tension de sortie du régulateur est imposée par l'alimentation et ne peut donc plus atteindre la tension voulue. Il en découle que la boucle de contre-réaction du régulateur de tension ne peut plus suivre la consigne. Le régulateur se déséquilibre, ce qui crée une dépolarisation de certains transistors et une surconsommation dans l'étage de comparaison-amplification. L'invention propose une régulation adaptée à une faible tension de batterie, n'induisant pas de surconsommation et de réalisation économique, aisément intégrable. L'invention propose un régulateur de tension amélioré. L'invention propose un régulateur de tension à faible consommation quelque soit la tension d'entrée. Le dispositif de régulation de tension, selon un aspect de l'invention, comprend un moyen de comparaison d'une tension proportionnelle à une tension de sortie et d'une tension de référence fixe, la tension de référence fixe étant reçue sur une première entrée et la tension proportionnelle à une tension de sortie étant reçue sur une deuxième entrée, et un moyen formant résistance variable commandé par la sortie du moyen de comparaison et disposé de façon que la tension de sortie reste sensiblement constante. Le dispositif est alimenté par une tension d'entrée susceptible de varier. Le dispositif comprend un autre moyen de comparaison d'une tension proportionnelle à la tension d'entrée et de la tension de référence fixe. Le dispositif comprend un moyen de commutation commandé par la sortie de l'autre moyen de comparaison pour envoyer la tension de référence fixe sur la première entrée du moyen de comparaison si la tension de référence fixe est inférieure à la tension proportionnelle à la tension d'entrée et pour envoyer la tension proportionnelle à la tension d'entrée sur la première entrée du moyen de comparaison si la tension de référence fixe est supérieure à la tension proportionnelle à la tension d'entrée, de façon que la tension de sortie reste sensiblement constante si la tension d'entrée est supérieure à un seuil, et sensiblement égale à la tension d'entrée si la tension d'entrée est inférieure au seuil. Dans un mode de réalisation de l'invention, le moyen de comparaison comprend un amplificateur-comparateur et que le moyen formant résistance variable comprend un transistor MOS. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend deux résistances en série entre la sortie du moyen formant résistance variable et une masse, la tension proportionnelle à une tension de sortie étant prélevée au point commun auxdites deux résistances. De préférence, l'autre moyen de comparaison comprend un comparateur à hystérésis. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend deux résistances en série entre la tension d'entrée et une masse, la tension proportionnelle à une tension de d'entrée étant prélevée au point commun auxdites deux résistances. De préférence, le moyen de commutation comprend deux interrupteurs, chacun commandé par la sortie de l'autre moyen de comparaison, le premier apte à mettre la première entrée du moyen de comparaison à la tension de référence fixe Vref, le deuxième apte à mettre la première entrée du moyen de comparaison à la tension Vpve proportionnelle à la tension d'entrée Ve. Dans un mode de réalisation de l'invention, le premier interrupteur est passant et le deuxième interrupteur est bloqué si la tension de référence fixe est inférieure à la tension proportionnelle à la tension d'entrée et le premier interrupteur est bloqué et le deuxième interrupteur est passant si la tension de référence fixe est supérieure à la tension proportionnelle à la tension d'entrée. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif est associé à une batterie d'alimentation. L'invention concerne également un système portable du type téléphone mobile comprenant un dispositif tel que ci-dessus. L'invention propose également un procédé de régulation de tension, comprenant des étapes de comparaison d'une tension proportionnelle à une tension d'entrée susceptible de varier et d'une tension de référence fixe, de fixation d'une tension de comparaison égale à la tension de référence fixe si la tension de référence fixe est inférieure à la tension proportionnelle à la tension d'entrée et égale à la tension proportionnelle à la tension d'entrée si la tension de référence fixe est supérieure à la tension proportionnelle à la tension d'entrée, de comparaison de la tension de comparaison et d'une tension proportionnelle à une tension de sortie, et de variation de la valeur d'une résistance en fonction de la comparaison de façon que la tension de sortie reste sensiblement constante si la tension d'entrée est supérieure à un seuil, et sensiblement égale à la tension d'entrée si la tension d'entrée est inférieure au seuil. En d'autres termes, en fonctionnement normal, on compare la tension régulée avec une tension de référence fixe du circuit. A partir du moment o la tension d'entrée du régulateur est trop basse, la consigne ne peut plus être atteinte et la tension de sortie va descendre et déséquilibrer le système. L'invention permet de garder une seule polarisation en conservant l'équilibre du système. Pour cela, on détecte la valeur de l'alimentation minimale autorisée et on utilise à partir de cet instant non plus une référence fixe, mais une référence proportionnelle à l'alimentation. La référence proportionnelle diminuera avec l'alimentation et la régulation pourra donc être conservée et la surconsommation évitée. Pour réaliser la détection du mode de faible tension d'alimentation également appelée drop-out, on utilise un comparateur à hystérésis qui compare la référence fixe Vref avec une fraction de la tension d'alimentation Ve. Si Vref > k x Ve, alors on passe en mode drop- out, au contraire, si Vref apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 montre l'évolution des tensions du dispositif; - la figure 3 montre l'évolution du courant consommé par le dispositif; et - la figure 4 est une vue de détail de la figure 1. Comme on peut le voir sur la figure 1, le dispositif de régulation comprend un comparateur 1, un transistor MOS 2 formant un amplificateur de puissance dont la grille est reliée à la sortie de l'amplificateur 1, deux résistances 3 et 4 montées en série entre la source du transistor 2 et une masse du circuit. La tension de sortie Vs est prélevée au point commun entre la source du transistor 2 et la résistance 3. Les résistances 3 et 4 forment un diviseur de tension et une tension Vpvs, est prélevée au point commun entre les résistances 3 et 4. La tension Vpvs est proportionnelle à la tension de sortie Vs et déterminée par: Vpvs = Vs x R4/(R3 + R4), R3 et R4 étant les valeurs des résistances 3 et 4, respectivement. Une tension d'entrée Ve est fournie au dispositif, par exemple par une batterie, non représentée, ou encore par tout autre genre de dispositif d'alimentation. Le drain du transistor 2 est mis à la tension Ve. L'amplificateur 1 est également alimenté par la tension d'entrée Ve. Le point commun aux résistances 3 et 4 est relié à la borne inverseuse de l'amplificateur 1, de façon que celle-ci soit soumise à la tension Vpvs Le dispositif de régulation comprend un module de détection 5 du mode drop-out, en d'autres termes du mode de fonctionnement dégradé dû à une tension d'entrée Ve inférieure à un seuil prédéterminé, deux interrupteurs 6 et 7 commandés par le module de détection 5, et deux résistances 8 et 9 montées en série entre une entrée du dispositif de régulation soumise à la tension d'entrée Ve et une masse du dispositif. Le point commun aux résistances 8 et 9 se trouve à une tension Vpve proportionnelle à la tension d'entrée Ve avec Vpve = Ve x R9/(R8 + R9), avec R8 et R9 les valeurs des résistances 8 et 9, respectivement. La tension Vpve est fournie, d'une part au module de détection 5 et, d'autre part à une borne de l'interrupteur 6. Une tension de référence fixe Vref fournie par un autre circuit, non représenté, est envoyée d'une part à une entrée du module de détection 5 et, d'autre part à une borne de l'interrupteur 7. L'autre borne de l'interrupteur 6 est reliée à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur 1. L'autre borne de l'interrupteur 7 est également reliée à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur 1. Les interrupteurs 6 et 7 sont commandés de façon opposée, de façon que l'un soit un circuit fermé, tandis que l'autre est un circuit ouvert, et vice versa. Le fonctionnement du dispositif de régulation est le suivant. En mode normal, l'interrupteur 6 est un circuit ouvert, et l'interrupteur 7 est un circuit fermé. La tension Vpvs proportionnelle à la tension de sortie Vs est comparée à la tension de référence fixe Vref. En mode dégradé ou drop-out, l'interrupteur 6 est un circuit fermé et l'interrupteur 7 est un circuit ouvert. La borne non inverseuse de l'amplificateur 1 est alors soumise à la tension Vpve proportionnelle à la tension d'entrée Ve. On compare les tensions Vpvs, et Vpve. La tension Vpve forme une tension de référence proportionnelle à l'alimentation. La tension de sortie Vs évolue donc en fonction de la tension d'entrée Ve, mais tout en gardant le transistor 2 et l'amplificateur 1 convenablement polarisés, ce qui évite une surconsommation. Le module de détection 5 effectue une comparaison entre la tension Vpve proportionnelle à la tension d'entrée Ve et la tension de référence fixe Vref. Si la tension de référence fixe Vref est supérieure à la tension Vpve, alors on se trouve en mode dégradé et le module de détection rend l'interrupteur 6 passant et bloque l'interrupteur 7. Si la tension de référence fixe Vref est inférieure à la tension Vpve, alors la tension d'alimentation Ve est suffisamment élevée pour passer en fonctionnement normal. Le module de détection 5 bloque l'interrupteur 6 et rend l'interrupteur 7 passant. Le fonctionnement sera mieux compris à l'étude des courbes illustrées sur les figures 2 et 3, sur lesquelles le temps figure en abscisse et la tension ou le courant en ordonnée. Sur la figure 2, on a représenté l'évolution de la tension d'entrée Ve, de la tension de sortie ou tension régulée Vs et de la tension Vbni présente sur la borne non inverseuse de l'amplificateur 1 de la figure 1 et égale soit à Vref, soit à Vpve Sur la figure 3, est montré l'évolution du courant I consommé par le dispositif de régulation, avec la même échelle de temps que la figure 2. Dans une zone A, la tension d'entrée Ve est suffisante. Le dispositif fonctionne en mode normal avec une tension de sortie, par exemple égale à 3,3 volts. La tension de référence présente sur la borne non inverseuse est égale à la tension de référence fixe Vref, par exemple 1,4 volt. Puis, la tension d'entrée Ve commence à chuter, on passe alors à la phase B. A l'instant tl, le module de détection 5 s'aperçoit que la tension de référence Vref devient supérieure à la tension Vpve et fait commuter les interrupteurs 6 et 7. La tension Vbni de la borne non inverseuse de l'amplificateur 1 devient alors égale à la tension Vpve. Une diminution de la tension de sortie régulée Vs est autorisée. On a donc Vbni = Vpve = Vpvs et Vpvs = Vs x R4/(R3 + R4). On en déduit Vs = Vpve x (R3 + R4)/R4. On en déduit encore: Vs = Ve x R9 x (R3 + R4)/((R8 + R9) x R3)). Ainsi, la tension de sortie Vs évolue proportionnellement à la tension d'entrée Ve en mode dégradé, tel que montré en phase B de la figure 2. A l'instant t2, la tension Vpveredevient supérieure à la tension de référence fixe Vref. Le module de détection décide de repasser en mode normal et fait con-mmuter les interrupteurs 6 et 7. On a alors de nouveau Vbni = Vref = Vpvs, et donc Vs = Vref x (R3+R4)/R3. La consommation de courant, telle qu'illustrée sur la figure 3, reste faible et généralement inférieure en mode dégradé à la consommation en mode normal. Ceci est à comparer à la consommation d'un régulateur selon l'art antérieur, pour lequel le courant, en mode dégradé, était trois ou quatre fois supérieur au courant consommé en mode normal. Le dispositif de régulation peut aisément être réalisé en technologie intégrée et appartenir à un circuit intégré fournissant de multiples autres fonctions. Sur la figure 4, est illustrée plus en détail la structure du module de détection 5. En outre, il est prévu une résistance supplémentaire 10 montée entre les résistances 8 et 9, et un transistor MOS 1 1 formant interrupteur, monté entre la résistance 9 et la masse du circuit. Le module de détection 5 comprend un comparateur 12 alimenté par la tension d'alimentation Ve et également relié à la masse. La sortie du comparateur 12 est reliée à un inverseur 13. Le module de détection 5 comprend, en outre, un transistor MOS 14 formant interrupteur, monté parallèlement à la résistance 10 entre le point commun aux résistances 8 et 10 et le point 15 commun aux résistances 10 et 9. La grille du transistor MOS 14 est reliée à la sortie de l'inverseur 13. Le point 15 est également relié à une entrée inverseuse du comparateur 12, tandis qu'une entrée non inverseuse est soumise à la tension de référence Vref. La sortie du comparateur 12 est également reliée à la grille d'un transistor MOS 16 qui forme un interrupteur, dont le drain est relié au point 15 et dont la source est reliée à un point 18. La sortie de l'inverseur 13 est également reliée à la grille d'un transistor MOS 17 formant interrupteur, dont le drain est soumis à la tension de référence Vref et dont la source est également reliée au point 18, lequel voit la tension Vbni et peut être relié à l'entrée non inverseuse du comparateur 1 de la figure 1. En fonctionnement normal, la tension Vpve au point 15 est supérieure à la tension de référence Vref. La sortie du comparateur 12 est donc au niveau 0 et celle de l'inverseur 13 au niveau 1. Le transistor 16 est bloqué, tandis que le transistor 17 est passant. On a donc Vbni = Vref. La grille du transistor 14 est mise au niveau 1. Le transistor 14 est donc passant et la résistance 10 court-circuitée, ce qui tend à élever le niveau de la tension Vpve. On a Vpve = Ve x R9/(R8 + R9). En fonctionnement dégradé ou de drop-out, la tension Vref est supérieure à la tension Vpve. La sortie du comparateur 12 est au niveau 1 et la sortie de l'inverseur 13 est au niveau 0. Le transistor 16 est passant et le transistor 17 est bloqué. On a donc Vbni = Vpve. Le transistor 14 dont la grille est au niveau 0 est bloqué et le point 15 est donc soumis à la tension prélevée entre les résistances 9 et 10. On a donc Vpve = Ve X R9/(R8 + R9 + R10). Le transistor 14 permet de créer un effet d'hystérésis qui tend à stabiliser le fonctionnement du module de détection 5 et évite les changements d'état trop fréquents. Le transistor 1 1 est commandé de façon qu'il soit passant dès que le module de détection 5 est utilisé. L'interrupteur 1 1 est bloqué dans les autres cas, ce qui évite les pertes d'énergie passant dans les résistances 8, 9 et 10, et évite donc la circulation d'un courant égal à Ve/(R8 + R9 + R10) lorsque le module de détection 5 est inactif. On réduit ainsi la consommation de courant et on accroît l'autonomie d'un appareil alimenté sur batterie, par exemple un combiné de téléphonie mobile. REVENDICATIONS 1. Dispositif de régulation de tension comprenant un moyen de comparaison d'une tension Vpvs proportionnelle à une tension de sortie Vs et d'une tension de référence fixe Vref, la tension de référence fixe Vref étant reçue sur une première entrée et la tension Vpvs proportionnelle à une tension de sortie étant reçue sur une deuxième entrée, et un moyen formant résistance variable commandé par la sortie du moyen de comparaison et disposé de façon que la tension de sortie Vs reste sensiblement constante, le dispositif étant alimenté par une tension d'entrée Ve susceptible de varier, caractérisé par le fait qu'il comprend un autre moyen de comparaison (5) d'une tension Vpve proportionnelle à la tension d'entrée Ve et de la tension de référence fixe Vref et un moyen de commutation commandé par la sortie de l'autre moyen de comparaison pour envoyer la tension de référence fixe Vref sur la première entrée du moyen de comparaison si la tension de référence fixe Vref est inférieure à la tension Vpve proportionnelle à la tension d'entrée Ve et pour envoyer la tension Vpve proportionnelle à la tension d'entrée Ve sur la première entrée du moyen de comparaison si la tension de référence fixe Vref est supérieure à la tension Vpve proportionnelle à la tension d'entrée Ve, de façon que la tension de sortie Vs reste sensiblement constante si la tension d'entrée Ve est supérieure à un seuil Vmin, et sensiblement égale à la tension d'entrée Ve si la tension d'entrée Ve est inférieure au seuil Vmin. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen de comparaison comprend un amplificateur-comparateur (1) et que le moyen formant résistance variable comprend un transistor MOS (2). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend deux résistances (3, 4) en série entre la sortie du moyen formant résistance variable et une masse, la tension Vpvs proportionnelle à une tension de sortie Vs étant prélevée au point commun auxdites deux résistances. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'autre moyen de comparaison comprend un comparateur à hystérésis. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend deux résistances (8, 9) en série entre la tension d'entrée Ve et une masse, la tension Vpve proportionnelle à une tension de d'entrée Ve étant prélevée au point commun auxdites deux résistances. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le moyen de commutation comprend deux interrupteurs (6, 7), chacun commandé par la sortie de l'autre moyen de comparaison, le premier apte à mettre la première entrée du moyen de comparaison à la tension de référence fixe Vref, le deuxième apte à mettre la première entrée du moyen de comparaison à la tension Vpve proportionnelle à la tension d'entrée Ve. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le premier interrupteur est passant et le deuxième interrupteur est bloqué 1 5 si la tension de référence fixe Vref est inférieure à la tension Vpve proportionnelle à la tension d'entrée Ve et le premier interrupteur est bloqué et le deuxième interrupteur est passant si la tension de référence fixe Vref est supérieure à la tension Vpve proportionnelle à la tension d'entrée Ve. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est associé à une batterie d'alimentation. 9. Système portable du type téléphone mobile comprenant un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Procédé de régulation de tension, dans lequel: - on compare une tension Vpve proportionnelle à une tension d'entrée Ve susceptible de varier et une tension de référence fixe Vref, - on fixe une tension de comparaison Vc égale à la tension de référence fixe Vref si la tension de référence fixe Vref est inférieure à la tension Vpve proportionnelle à la tension d'entrée Ve et égale à la tension Vpve proportionnelle à la tension d'entrée V si la tension de référence fixe Vref est supérieure à la tension Vpve proportionnelle à la tension d'entrée Ve, - on compare la tension de comparaison Vc à une tension Vpvs proportionnelle à une tension de sortie Vs, Il - en fonction de la comparaison, on fait varier la valeur d'une résistance de façon que la tension de sortie Vs reste sensiblement constante si la tension d'entrée Ve est supérieure à un seuil Vmin, et sensiblement égale à la tension d'entrée Ve si la tension d'entrée Ve est inférieure au seuil Vmin.