Brevet FR2829319A1 — publié le 20030307

CIRCUIT DE COMMUTATION DE PUISSANCE PERMETTANT LE MONTAGE D'UNE CHARGE COMMUTEE DU COTE DE LA MASSE L'invention concerne la commutation de puissance, par exemple pour la commutation de charges embarquées en véhicule telles que des actionneurs de lève vitres, des climatiseurs, des servomécanismes et autres commodités ou organes fonctionnels. Il est maintenant courant dans ce type d'application d'utiliser des commutateurs auto-protégés en technologie MOS, qui remplacent avantageusement le couple relais et fusible classique dans les boîtes d'interconnexion. Ces commutateurs auto-protégés, connus par le terme anglo-saxon de"smart MOS", sont généralement constitués d'un transistor de puissance du type MOS dont le canal source-drain est connecté en série avec la charge. La grille du transistor est reliée à une entrée de signal de commutation via un ou plusieurs circuits de commande et de protection intégrés dans le boîtier du commutateur. Ces circuits servent à bloquer le transistor à l'état ouvert en cas de détection de surtension, de température anormale ou de tout autre paramètre sous contrôle. On distingue deux types de commutateurs MOS auto-protégés selon qu'ils sont destinés à s'interposer entre la charge et la ligne de tension d'alimentation (généralement positive) ou entre la charge et la masse. La figure 1 illustre de manière schématique et simplifiée le montage classique d'un commutateur MOS autoprotégé 2 du type destiné à s'interposer entre la charge à commuter 4 et la ligne de tension d'alimentation (soit la"haute"tension relativement à la masse), ici reliée à la borne positive d'une batterie 6 de 12V pour véhicule. En raison de son positionnement prévu du côté de la haute tension vis-à-vis de la charge 4, ce type de commutateur sera désigné ci-après"commutateur autoprotégé côté haut". Le commutateur 2 comprend un transistor MOS de puissance QI de type N, dont le drain d est relié à la tension d'alimentation et dont la source s est reliée au terminal positif"+"de la charge 4. Le terminal négatif"-"de la charge est reliée à la masse 8, elle-même raccordée à la borne négative de la batterie 6. La grille g du transistor Ql est pilotée par un ensemble de circuits de commande et de protection 10 qui fait partie intégrante du commutateur MOS autoprotégé 2. Cet ensemble 10 présente une entrée de commutation Ecom compatible avec les signaux logiques évoluant entre 0 et 5 volts. En fonctionnement normale, l'ensemble 10 assure que la grille g est polarisée de manière à mettre le transistor QI à l'état conducteur en présence d'un signal logique au niveau haut (par exemple 5 volts) sur l'entrée Ecom, et à mettre le transistor à l'état bloqué lorsque le signal logique est au niveau bas (par exemple 0 volt). Cet ensemble 10 agit également pour forcer le transistor Ql à l'état bloqué lorsqu'il se produit une anomalie de fonctionnement : surchauffe du transistor QI (le retour en mode de fonctionnement normale étant alors automatique après refroidissement en dessous d'un seuil d'hystérésis), surcharge au niveau de la charge 4 (avec limitation de courant d'alimentation), ou surtension ou soustension de l'alimentation. Un terminal Stat de l'ensemble 10 permet de signaler une intervention lors d'une anomalie détectée. On note que l'ensemble 10 est alimenté directement à partir de la source de tension, soit la batterie 6, via une entrée Ev prévue à cet effet. Un exemple d'un tel type de commutateur MOS autoprotégé du type côté haut 2 (aussi connu par l'appellation anglo-saxonne"high side") est commercialisé par la société Philips Semiconductors sous la désignation produit BUK204-50X. Les commutateurs autoprotégés"côté haut"ont l'avantage de permettre de connecter la charge 4 directement et en permanence à la masse 8. Cependant, ils ont l'inconvénient d'être relativement onéreux. La figure 2 illustre de manière schématique et simplifiée le montage classique d'un commutateur MOS autoprotégé 12, également doté d'un transistor de puissance QI du type N, destiné à s'interposer entre la charge à commuter 4 et la masse 8. En raison de son positionnement prévu du côté de la masse vis-à-vis de la charge 4, ce type de commutateur sera désigné ci-après"commutateur autoprotégé côté bas". Outre cette inversion de montage, le commutateur autoprotégé côté bas 12 diffère de celui de la figure 1 par le fait qu'il ne présente que trois terminaux, qui constituent des liaisons directes respectivement avec le drain d, la source s et la grille g de son transistor de puissance QI. Le terminal relié à la grille g constitue l'entrée de commande Ecom, analogue à celle de la figure 1. Ce commutateur MOS autoprotégé 12 comporte des circuits de protection formés par : - un dispositif de protection contre les surtensions 14 du type"clamp", interposé entre le drain d et la grille g, et - un bloc de logique et de protection 16 qui commande la mise à la masse de la grille g (et donc le blocage du transistor QI) en cas d'incident. Ce blocage est réalisé par une sortie de commande Cb qui agit sur la grille d'un transistor MOS Q2 connecté entre la grille g du transistor Ql et la masse. L'alimentation électrique du bloc logique et de protection 16 est réalisée en interne par connexion respectivement au terminal relié à la source s (pour la masse) et au noeud qui relie la grille g du transistor QI et le dispositif de protection contre les surtensions 14. Une diode Zener 18 est connectée en parallèle avec ces connexions internes d'alimentation pour stabiliser la tension d'entrée. En condition normale, le transistor QI est rendu conducteur par application d'une tension de l'ordre de + 5 volts sur la grille g, la source s étant référencée à la masse 8, soit à 0 volt. Un exemple d'un tel type de commutateur MOS autoprotégé côté bas 12 (aussi connu par l'appellation"low side"), est commercialisé par la société Philips Semiconductors sous la désignation produit BUKII 0-50GL. Les commutateurs autoprotégés côté bas sont plus simples et moins chers que ceux du type côté haut, mais ne sont pas adaptés aux applications qui nécessitent que la charge 4 soit reliée directement et en permanence à la masse 8. En effet, on constate aisément que lorsque le transistor QI est bloqué, soit par commande d'arrêt sur l'entrée Ecom, soit par intervention du bloc de logique et protection 16, le terminal négatif de la charge 4 est isolé de la masse 8. Or, certaines charges 4 n'acceptent pas un tel isolement pour des raisons fonctionnelles ou liées à la sécurité ou à la fiabilité. Au vu de ce qui précède, l'invention a pour objet de prévoir l'utilisation d'un commutateur autoprotégé du type côté bas, mais dans un montage où il se trouve, au contraire d'un montage classique, entre la charge commutée et la tension d'alimentation. Plus particulièrement, un premier objet de l'invention est de prévoir un circuit de commutation pour une charge alimentée par une différence de potentiel entre un point de connexion de masse et un point de connexion de tension d'alimentation, caractérisé en ce qu'il comprend : - un commutateur autoprotégé du type "côté bas" interposé entre le point de connexion de tension d'alimentation de la charge et une source de tension d'alimentation, le commutateur étant commandé par un signal de commutation, et - des moyens de commande pour produire sélectivement le signal de commutation au commutateur autoprotégé du type "côté bas". On comprendra que le terme tension d'alimentation désigne le potentiel qui établit la différence de potentiel vis-à-vis de la masse, la masse étant définie comme le point de potentiel zéro à partir duquel sont établies les différences de potentiel du circuit. La tension d'alimentation est généralement positive, notamment dans les applications automobiles où la tension d'alimentation provient de la borne positive d'une batterie dont la borne négative est reliée à la masse. Cependant, la tension d'alimentation peut aussi être négative, par exemple dans le cas d'une connexion à la masse par la borne positive de la batterie. Avantageusement, le point de connexion de masse de la charge est relié à la masse par une liaison permanente indépendante de l'état de commutation du commutateur autoprotégé du type" côté bas". Dans le mode de réalisation préféré, le commutateur comprend un transistor MOS dont le canal source-drain est connecté en série avec la charge, et dont la grille reçoit le signal de commutation. Ce transistor MOS peut être de type N, le drain étant connecté à la source de tension d'alimentation, la source étant connectée au point de connexion d'alimentation de la charge, le canal source-drain étant mis à l'état conducteur par une tension de polarisation positive par rapport au potentiel audit point de connexion d'alimentation. Les moyens de commande comprennent de préférence un convertisseur de niveaux logiques permettant de commander le commutateur auto protégé du type "côté bas"à partir d'un signal logique de niveau inférieur au seuil de commutation, et compatible avec des circuits logiques de signalisation basse tension. Dans le mode de réalisation préféré, les moyens de commande délivrent le signal de commutation à une tension dont la grandeur est supérieure à celle de la source de tension d'alimentation. Le circuit peut comprendre en outre une alimentation pour fournir aux moyens de commande une tension d'alimentation lui permettant de produire le signal de commutation au niveau requis. Les moyens de commande et/ou l'alimentation peuvent être réalisés sous forme de circuit intégré en réseau prédiffusé du type"ASIC". Un second objet de l'invention concerne l'utilisation d'un circuit tel que défini supra dans un boîtier d'interconnexion pour réaliser les fonctions de commutation et de protection de charges dans un véhicule. L'invention et les avantages qui en découlent apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation préféré, donné purement à titre d'exemple non-limitatif par référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1, déjà décrite, représente un montage classique d'un commutateur MOS autoprotégé du type côté haut, installé entre la charge à commuter et la tension haute d'alimentation ; - la figure 2, déjà décrite, représente un montage classique d'un commutateur MOS autoprotégé du type côté bas, installé entre la charge à commuter et la masse ; et - la figure 3 est un schéma bloc du commutateur MOS autoprotégé du type côté bas de la figure 2, dans un montage permettant son installation entre la charge à commuter et la tension haute d'alimentation, conformément à l'invention. Un exemple de mode de réalisation préféré de l'invention sera décrit par référence à la figure 3. Les éléments de cette figure qui sont communs avec ceux déjà décrits dans le cadre de la figure 2, notamment en ce qui concerne la configuration interne du commutateur MOS autoprotégé du type côté bas 12, la charge 4 et la batterie 6, sont désignés par les mêmes références et ne seront pas décrits à nouveau pour souci de concision. Dans cet exemple, le commutateur du type côté bas 12 et la charge 4 sont connectés en série entre la masse 8 et une tension d'alimentation positive. Plus particulièrement, la charge 4 présente un premier point de connexion (désigné"-") relié à la masse 8 et un second point de connexion (désigné"+") relié à la source s du transistor QI du commutateur du type côté bas 12, le drain d de ce transistor étant relié à la tension d'alimentation, en l'occurrence la borne positive de la batterie 6 12V pour véhicule. Comme dans le cas précédent des figures 1 et 2, la borne négative de la batterie 6 est reliée à la masse 8. Le positionnement mutuel de la charge 4 et du commutateur du type côté bas 12 vis-à-vis de l'alimentation est donc inversé relativement au montage classique de la figure 2. En conséquence, la source s du transistor QI, lorsque celui-ci est conducteur, se trouve à un niveau de potentiel voisin de la tension d'alimentation, soit de 12 volts dans l'exemple, du fait que la résistance de la charge 4 est sensiblement plus élevée que celle du canal source-drain du transistor Ql en mode conducteur. La tension de commutation Scom à appliquer au terminal Ecom du commutateur 12-et donc à la grille g-pour rendre le transistor QI conducteur doit donc être plus élevée d'environ 5 volts par rapport à la source s, soit de l'ordre de + 17 volts par rapport à la masse dans les conditions d'une commutation vers l'état conducteur sur une polarisation grille-source Vgs de + 5 volts. Cette tension de commutation à + 17 volts est fournie par une sortie haute tension OH d'un convertisseur de niveaux logiques 20, reliée à l'entrée Ecom du commutateur autoprotégé du type côté bas 12. Ainsi, la tension de commutation Scom reproduit les états d'un signal logique SL présenté sur une entrée basse tension IL du convertisseur 20, avec élévation de tension comme suit : SL = 0 volt o Scom = 0 volt ; SL = + 5 volts- Scom = + 20 volts. La commutation du transistor QI à l'état conducteur, permettant d'alimenter la charge 4, s'effectue alors en appliquant sur l'entrée IL du convertisseur 20 un signal logique SL à l'état 1 égal à 5 volts. A l'inverse, la commutation du transistor QI à l'état bloqué, permettant d'interrompre l'alimentation de la charge, s'effectue en appliquant ce signal logique SL à l'état logique 0 égal à 0 volt sur l'entrée IL. On note que la tension Scom de + 20 volts appliquée à l'entrée Ecom pour la commutation (et le maintien) du transistor QI à l'état conducteur est supérieure à la valeur de + 17 volts, et donc largement suffisant pour garantir un état de saturation du canal source-drain. Le convertisseur 20 permet ainsi de commuter le transistor Ql à partir de signaux logiques basse tension SL compatibles avec les circuits logiques de signalisation intégrés CMOS, par exemple. Il est donc possible de commander la commutation directement à partir de sorties de microcontrôleurs, de logiques câblées, ou analogues sur l'entrée IL. La conception du convertisseur de niveaux logiques 20 est connue en ellemême, s'agissant par exemple d'un circuit dit"translateur". Le fonctionnement d'un tel convertisseur requiert une tension de fonctionnement Vconv égale (ou légèrement supérieure) au maximum de la tension présentée à la sortie OH, soit + 20 volts dans l'exemple. Cette tension Vconv est fournie par une alimentation auxiliaire 22 du type convertisseur continu-continu à élévation de tension. L'alimentation présente deux entrées 22a, 22b reliées respectivement à la borne positive de + 12 volts de la batterie 6 et à la masse 8, servant à alimenter ses circuits internes, et une sortie 22c qui présente la tension Vconv, reliée à l'entrée de tension d'alimentation du convertisseur 20. L'alimentation auxiliaire 22 est de conception classique, s'agissant par exemple d'une alimentation à découpage ou analogue. Grâce à l'invention, il est possible de bénéficier des avantages du faible coût d'un commutateur autoprotégé MOS du type côté bas 12, tout permettant d'effectuer un branchement de la charge 4 à la masse 8. Cette disposition autorise ainsi l'utilisation de commutateurs"côté bas"pour commander un très grand nombre de charges à commuter, par exemple : - en automobile : lampes (phares, avertisseurs), commodités (moteurs de lèvevitres, de condamnation de portières, de réglage de rétroviseurs, de siège), actionneurs de freins, de direction assistée), notamment pour les boîtes d'interconnexion du type (BSI, BSM, UPC, UCH,...) etc. ; - en contrôle de systèmes : commande de servomécanismes, pilotage d'automatismes, - en informatique : périphériques (imprimantes, lecteurs, etc.). On note que de nombreuses charges, notamment dans le domaine de l'automobile, ont un corps ou un carter destiné à être relié de manière directe et permanente à la masse 8 (généralement en commun avec la borne négative de la batterie 6). La mise en oeuvre du convertisseur de niveaux logiques 20 et de l'alimentation auxiliaire 22 est aisée et n'ajoute que peu de frais, si bien que le montage basé sur le commutateur MOS autoprotégé du type côté bas 12, même en tenant compte de ces éléments supplémentaires 20 et 22, demeure très avantageux de point de vu économique par rapport à l'utilisation d'un commutateur MOS autoprotégé du type côté haut 2 tel que décrit par référence à la figure 1. Pour une plus grande économie et simplicité de mise en oeuvre, le convertisseur de niveaux logiques 20 et/ou l'alimentation auxiliaire 22 peut/peuvent être réalisé (s) sous forme de circuit intégré spécifique à partir d'un réseau prédiffusé (connu également par le terme anglo-saxon de ASIC ("application specific integrated circuit"). Le circuit intégré spécifique peut également incorporer d'autres éléments fonctionnels, par exemple la logique de commande produisant les signaux de commutation à l'entrée IL, Par ailleurs, une même alimentation auxiliaire 22 peut servir à alimenter plusieurs convertisseurs 20. De même, un convertisseur de niveaux logiques 20 peut être utilisé pour commander plusieurs commutateurs autoprotégés du type "côté bas" 12, selon les applications envisagées. Bien entendu, on peut se dispenser de l'alimentation auxiliaire 22 spécifique si une source de tension adéquate (soit + 20 volts dans l'exemple) est disponible à partir d'une source existante pour faire fonctionner le convertisseur 20. De nombreuses variantes peuvent être envisagées dans le cadre de l'invention, notamment en prévoyant une résistance entre la sortie OH du convertisseur 20 et l'entrée Ecom du commutateur 12, et/ou entre la masse 8 et la charge 4. Enfin, on comprendra que par simple inversion de moyens, les enseignements de l'invention peuvent s'appliquer également à des circuits à masse positive. REVENDICATIONS 1. Circuit de commutation pour une charge (4) alimentée par une différence de potentiel entre un point de connexion de masse (-) et un point de connexion de tension d'alimentation (+), caractérisé en ce qu'il comprend : - un commutateur autoprotégé du type"côté bas" (12) interposé entre le point de connexion de tension d'alimentation (+) de la charge (4) et une source de tension d'alimentation (6), le commutateur étant commandé par un signal de commutation (Scom), et - des moyens de commande (20) pour produire sélectivement ledit signal de commutation (Scom) audit commutateur autoprotégé du type "côté bas" (12). 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le point de connexion de masse (-) de la charge (4) est relié à la masse (8) par une liaison permanente indépendante de l'état de commutation du commutateur autoprotégé du type"côté bas" (12). 3. Circuit selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le commutateur comprend un transistor MOS (QI) dont le canal source-drain est connecté en série avec la charge (4), et dont la grille g reçoit le signal de commutation (Scom). 4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que le transistor MOS est de type N, le drain (d) étant connecté à la source de tension d'alimentation (6), la source (s) étant connectée au point de connexion de tension d'alimentation (+) de la charge (4), le canal source-drain étant mis à l'état conducteur par une tension de polarisation positive par rapport au potentiel audit point d'alimentation. 5. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de commande comprennent un convertisseur de niveaux logiques (20) permettant de commander le commutateur autoprotégé du type "côté bas" (12) à partir d'un signal logique (SL) de niveau inférieur au seuil de commutation, et compatible avec des circuits logiques de signalisation basse tension. 6. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de commande (20) délivrent le signal de commutation (Scom) à une tension dont la grandeur est supérieure à celle de la source de tension d'alimentation (6). 7. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une alimentation (22) pour fournir aux moyens de commande (20) une tension d'alimentation lui permettant de produire le signal de commutation (Scom) au niveau requis. 8. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de commande (20) sont réalisés sous forme de circuit intégré en réseau prédiffusé du type"ASIC". 9. Circuit selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que l'alimentation (22) est réalisée sous forme de circuit intégré en réseau prédiffusé du type"ASIC". 10. Utilisation d'un circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 dans un boîtier d'interconnexion pour réaliser les fonctions de commutation et de protection de charges (4) dans un véhicule.