Brevet FR2830091A1 — publié le 20030328

REGUILATEUR DE TENSION INCORPORANT UNE RESISTANCE DE STABILISATION ET UN CIRCUIT DE LIMITATION DU COURANT DE SORTIE La présente invention concerne des dispositifs électriques appelés réqulateurs de tension. Elle concerne plus particulièrement des régulateurs de tension équipés d!un dispositif de limitation du courant de sortie. Un réqulateur de tension est un dispositif électrique quadripolaire interposé entre une source de puissance électrique et un circuit électrique, dit circuit de charge, alimenté par la source de puissance électrique. o La source de puissance électrique peut être de nature très variée, par exemple une plie chimique, non-rechargeable, ou une batterie, rechargeable. Les sources de puissance envisagées par l'invention ne délivrent pas nécessairement une tension de sortie constante. Cette tension de sortie peut par exemple dépendre de l'état d'épuisement de la source de puissance, notamment dans le cas d'une pile chimique, ou de son état de charge, dans le cas d'une batterie. Le circuit de charge peut être un circuit électronique prévu pour une application quelconque. Ce peut être par exemple une partie des circuits électroniques internes d'un terminal mobile de radiocommunication alimentés par la batterie de ce terminal. Un réqulateur de tension est utilisé lorsque le circuit de charge nécessite pour son fonctionnement une tension d'alimentation constante, alors que la source de puissance délivre une tension variable au fur et à mesure de sa durée d'utilisation. La fonction du réqulateur est de recevoir une tension d'entrée a priori variable, et de délivrer une tension d'alimentation sensiblement constante. Le régulateur est de type LDO ("Low-Drop-Out") s'il fonctionne même quand l'écart de tension entre la source de puissance et la tension d'aimentation nominale devient très réduit. En général un condensateur de stabilisation est placé en parallèle au circuit de charge à la sortie du réqulateur de tension. Lors de la mise sous - 2 tension du circuit de charge, il se produit alors un régime transitoire pendant lequel le courant délivré par le régulateur présente momentanément une intensité très élevée susceptible d'endommager notamment la source de puissance. Il est alors nécessaire de prévoir une limitation de l'intensité électrique délivrée par le régulateur. Cette limitation prévient aussi des dommages qui pourraient résulter d'un court- circuit accidentel intervenant dans le circuit de charge, ou d'un courant de fuite élevé de la capacité de stabilisation. Des dispositifs de limitation du courant délivré par un réqulateur de 0 tension existent, et notamment des dispositifs incorporés au réqulateur lui- même. Ces dispositifs sont aussi appelés circuits de protection de courtcircuit. Dans le cas particulier de réqulateurs LDO qui délivrent une puissance électrique contrôlée par un transistor de puissance contenu dans ces régulateurs, une méthode de protection de court-circuit consiste à reproduire dans une branche de circuit ajoutée au régulateur l'intensité électrique délivrée au circuit de charge. Cette intensité reproduite est obtenue en utilisant un transistor additionnel qui recopie, à un facteur d'échelle près, I'intensité délivrée par le transistor de puissance au circuit de charge. La protection de court- circuit est réalisée par une limitation de l'intensité délivrée par le transistor de puissance lorsque l'intensité recopiée dans la branche de circuit ajoutée devient supérieure à un seuil préalablement fixé. Ce seuil est choisi de façon à prévenir d'éventuels dommages que provoquerait une intensité trop élevée délivrée au circuit de charge. La figure 1 est le schéma électrique d'un régulateur de tension linéaire 1 selon l'art antérieur. La puissance électrique délivrée au circuit de charge 20 est contrôlée par un transistor de puissance 2, par exemple un transistor de type métal-oxyde-semiconducteur à canal p (P-MOS). Le régulateur de tension 1 reçoit une tension d'alimentation de la part d'une source de puissance électrique 10, dont la borne positive E est reliée à la source du transistor de puissance 2. Le drain de ce transistor 2 est relié à l'une des deux bornes de sortie S du réqulateur 1, I'autre borne de sortie étant connectée à la masse commune à la source de puissance 10 et au circuit de - 3 charge 20. Le transistor 2 est commandé au niveau de sa grille par la sortie d'un amplificateur opérationnel 11, ci-après appelé amplificateur d'erreur. Cet amplificateur 11 est asservi par une rétroaction partant d'un n_ud intermédiaire d'un pont diviseur de tension 12, relié à l'entrée non- inverseuse de l'amplificateur d'erreur 11. L'entrée inverseuse de l'amplificateur d'erreur 11 reçoit une tension de référence fixe Uref par rapport à la masse, produite par exemple par une source de tension, non représentée, exploitant la bande interdite d'un matériau semi-conducteur. Le diviseur de tension 12 est disposé en parallèle au circuit de charge à l'intérieur du réqulateur 1. Il est par exemple o composé de deux résistances en série, I'une 12a connectée entre la borne S et le n_ud de rétroaction, et l'autre 12b entre ce n_ud et la masse. Les valeurs respectives Ra, Rb de ces deux résistances 12a, 12b sont choisies en fonction de la tension de référence Uref et de la tension d'alimentation désirée U. sachant que U = Uref.[(Ra+Rb)/Rb] Un condensateur de stabilisation 21 est placé en parallèle au circuit de charge, à son entrée. La capacité de ce condensateur est par exemple de 1 microFarad. Le circuit de protection de court-circuit 100 du réqulateur selon la figure 1 comporte un transistor de recopie 13, aussi de type P-MOS, fonctionnant dans des conditions analogues à celles du transistor de puissance 2. Les grilles respectives de ces deux transistors 2, 13 sont reliées entre elles, de même que leurs sources connectées à la borne positive E de la source de puissance électrique 10. Dans ces conditions, I'intensité cIrculant dans le transistor 13 recopie celle circulant dans le transistor de puissance 2. Cette intensité recopiée est comparée au moyen d'un transistor 14 à une intensité de référence fixe If, produite par un générateur de courant 15 placé entre le drain du transistor de recopie 13 et la masse. Le transistor 14 est par exem ple de type métal-oxyde-sem icond ucteu r à can al n (N-M OS), avec sa grille connectée entre le drain du transistor de recopie 13 et le générateur de courant 15, sa source à la masse et son drain relié à la borne positive de la source 10 par l'intermédiaire d'une résistance 17. Un autre transistor 16 de type P-MOS a sa grille reliée au drain du transistor N-MOS 14 et son canal connecté entre la borne positive E de la source 10 et la sortie de - 4 I'amplificateur 11. Ce transistor 16 fait remonter la tension entre la masse et la grille du transistor de puissance 2 lorsque l'intensité du courant recopié par le transistor 13 devient supérieure à l'intensité de référence If. Ainsi l'intensité délivrée au circuit de charge et contrôlée par le transistor de puissance 2 est limitée. Un inconyénient de ce montage réside dans le fait que la puissance électrique correspondant à l'intensité recopiée est dissipée à l'intérieur du régulateur lui-même (dans le générateur de courant 15). Elle correspond donc à une puissance électrique délivrée par la source 10, et perdue vis-à-vis de 0 I'alimentation du circuit de charge 20. Dans le cas d'une batterie, d'un réqulateur de tension et d'un circuit de charge intégrés à un dispositif électrique autonome, tel qu'un terminal mobile de radiocommunication par exemple, cette puissance électrique perdue diminue l'autonomie du dispositif. Cette diminution de l'autonomie représente un inconvénient important de l'utilisation de ce type de réqulateurs à protection de court-cIrcuit. Une solution partielle consiste à utiliser pour recopier le courant un transistor 13 tel que le facteur d'échelle de la recopie de l'intensité circulant dans le transistor de puissance 2 soit faible, voire très faible. Mais une telle solution, intervenant au niveau du choix des dimensions physiques des transistors 2 et 13, est une contrainte difficile à concilier avec la sélection d'un type de transistor 13 qui puisse être correctement apparié avec le transistor de puissance 2 pour recopier l'intensité contrôlée par ce dernier. Un but de la présente invention est de proposer un réqulateur de tension qui présente une limitation efficace du courant de sortie avec un faible impact sur la consommation électrique. La présente invention concerne de façon avantageuse les réqulateurs de tension qui possèdent une résistance de sortie pour la stabilisation du fonctionnement du régulateur. En effet, de façon connue, les réqulateurs de tension peuvent présenter des caractéristiques électriques conduisant à des régimes instables, ces régimes instables pouvant être supprimés par l'addition d'une résistance en sortie du réqulateur. Une telle résistance, dite résistance - 5 de stabilisation, possède une valeur faible, de l'ordre de quelques dizièmes d'Ohm. La présente invention propose donc un réqulateur de tension comprenant: - un transistor de puissance ayant une entrée de commande, une première électrode reliée à une première borne d'alimentation en tension, et une seconde électrode reliée à une sortie du régulateur par l'intermédiaire d'une résistance de stabilisation; - un amplificateur d'erreur ayant une première entrée recevant une tension de référence par rapport à une seconde borne d'alimentation en tension, une seconde entrée recevant une tension de rétroaction représentative de la tension sur la seconde électrode du transistor de puissance par rapport à la seconde borne d'alimentation, et une sortie reliée à l'entrée de commande du transistor de puissance; et - un circuit de protection relié à l'entrce de commande du transistor de puissance et aux bornes d'alimentation en tension de fac,on à limiter le courant délivré à la sortie du réqulateur, caractérisé en ce que le circuit de protection comprend des moyens d'ajustement de tension agissant sur l'entrée de commande du transistor de puissance en fonction de la tension aux bornes de la résistance de stabilisation. Un réqulateur de tension selon l'invention ne comporte donc pas de branche de circuit rajoutée pour la recopie de l'intensité circulant dans le transistor de puissance. Ainsi la puissance dissipée à l'intérieur du régulateur correspondant à cette intensité de recopie est évitée. Par ailleurs, la protection de courtcircuit de l'invention ne nécessite pas de résistance supplémentaire par rapport à la résistance de stabilisation placée en sortie du régulateur, ce qui contribue encore à la réduction de la puissance électrique dissipée à l'intérieur du réqulateur de tension. Dans une réalisation particulière du circuit de protection, celui-ci comprend des moyens pour délivrer une tension de référence fixe par rapport à la sortie du régulateur, et les moyens d'ajustement de tension comprennent un - 6 comparateur qui compare la tension aux bornes de la résistance de stabilisation à ladite tension fixe. Les moyens d'ajustement de tension comprennent en outre un transistor d'ajustement ayant une première électrode reliée à la première borne d'alimentation en tension, une seconde électrode reliée à l'entrée de commande du transistor puissance, et une entrée de commande relice à une sortie du comparateur. Le transistor d'ajustement agit sur l'entrée de commande du transistor de puissance en fonction de l'état de la sortie du comparateur. Ce comparateur est connecté au niveau de ses entrées de sorte telle que lorsque la tension aux o bornes de la résistance de stabilisation est supérieure à la tension de référence fixe, le transistor d'ajustement adopte un état passant qui provoque la régulation de la valeur de l'intensité du courant délivré au circuit de charge. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'un exemple de réalisation non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1, déjà commentée, est le schéma électrique d'un réqulateur de tension linéaire équipé d'un dispositif de protection de court circuit selon l'art antérieur; - la figure 2 est le schéma électrique d'une réalisation préférée d'un régulateur de tension selon l'invention. Hormis le circuit 100 de protection contre les courts-circuits, le répulateur LDO 1 représenté sur la figure 2 a une structure similaire à celui décrit précédemment en référence à la figure 1. Il comprend en outre la résistance de stabilisation 4 disposée entre le drain du transistor2 et la borne de sortie S. Cette résistance 4 présente par exemple une valeur de 0,3 Ohm, mais la valeur adoptée pour cette résistance correspond en fait à la valeur minimale suffisante pour assurer la stabilité du fonctionnement du régulateur de tension 1. A titre d'exemple, la tension positive délivrée par la source de puissance est comprise entre 3 V et 5 V, la tension de référence Uref étant de 1,4 V. - 7 En constituant le pont diviseur 12 comme représenté, avec deux résistances 12a, 12b de même valeur ohmique (par exemple 500 kQ), on obtient une tension de sortie du réqulateur de 2,8 V. Le circuit de protection comprend, pour effectuer l'ajustement de tension de la grille du transistor de puissance 2, un générateur de tension 5 et un comparateur 6 Le générateur de tension 5 impose une tension fixe Uf entre un n_ud de référence du régulateur, noté R sur la figure 2, et la borne de sortie S. Ce générateur de tension 5 est formé par exemple par le générateur de courant 50 disposé entre la borne E de la source de tension et le n_ud R. La borne négative de ce générateur de courant 50 est reliée à la borne E. Le n_ud R est par ailleurs relié à la borne de sortie S du régulateur par l'intermédiaire d'une résistance51. La tension fixeUf est alors la tension aux bornes de cette résistance 51. Par exemple, le courant imposé par le générateur50 est de 1,uA et la résistance 51 de 150 kQ La tension Uf est alors égale à 0,15 V, correspondant à la tension entre le n_ud R et la borne de sortie S du réqulateur. Le comparateur 6 compare à cette tension fixe Uf la tension aux bornes de la résistance 4. Ces deux tensions sont toutes deux en référence à la borne de sortie S. Le comparateur 6 a ses deux entrées connectées respectivement au n_ud R et au drain du transistor de puissance 2. Dans un mode de réalisation particulier du comparateur 6, celui-ci est constitué d'un amplificateur d'erreur à faible consommation. Cette consommation correspond par exemple à un courant de quelques microAmpère délivré par la source d'alimentation en tension. L'entrée inverseuse de cet amplificateur d'erreur est connectée au drain du transistor de puissance 2, son entrée non-inverseuse est connectée au n_ud R. Le circuit de protection comprend enfin, pour effectuer l'ajustement de tension de la grille du transistor de puissance 2, le transistor d'ajustement 7. Ce transistor 7 est par exemple du type P-MOS. Il reçoit sur sa grille la sortie du comparateur 6. Sa source est connectée à la borne d'alimentation E et son drain est connecté à la grille du transistor 2. - 8 Ainsi, lorsque le courant délivré au circuit de charge par le régulateur devient trop élevé, la tension aux bornes de la résistance 4 dépasse la tension fixe Uf. L'intensité Is de sortie du réqulateur correspondant à ce seuil vaut approximativement: Is=RR t-If, o If désigne l'intensité imposée par le générateur de courant 50, R5 désigne la valeur de la résistance 51, R4 désigne la valeur de la résistance 4. Pour les valeurs numériques particulières citées plus haut pour chaque composant, on obtient: Is = 0,5 A. Lorsque ce seuil est atteint, la tension de sortie du comparateur bascule vers 0 V. Le transistor 7 devient passant et provoque alors la remontée de la tension de la grille du 0 transistor de puissance2 par rapport à la masse. Ceci limite le courant circulant entre la source et le drain de ce transistor 2, et donc limite aussi le courant délivré par le régulateur de tension au circuit de charge. Dans des réalisations alternatives du montage de la figure2, les transistors de type P-MOS peuvent être remplacés par des transistors homologues de type N-MOS. Ils peuvent aussi être remplacés par des transistors de technologie bipolaire, sans que la fonction et le fonctionnement général du montage soient changés. Dans d'autres réalisations alternatives du montage de la figure2, le diviseur de tension 12 est remplacé par un simple montage suiveur. Dans un tel montage suiveur, le drain du transistor 2 est simplement connecté à l'entrée non-inverseuse de l'amplificateur 11. R E V E N D I C A T I O N S 1. Régulateur de tension (1) comprenant: - un transistor de puissance (2) ayant une entrée de commande, une première électrode reliée à une première borne (E) d'alimentation en tension, et 'une seconde électrode reliée à une sortie (S) du régulateur par l'intermédiaire d'une résistance de stabilisation (4); - un amplificateur d'erreur (11) ayant une première entrée recevant une tension de référence (Uref) par rapport à une seconde borne d'alimentation en tension, une seconde entrée recevant une tension de rétroaction représentative de la tension sur la seconde électrode du transistor de puissance par rapport à la seconde borne d'alimentation, et une sortie reliée à l'entrée de commande du transistor de puissance; et un circuit de protection relié à l'entrée de commande du transistor de puissance et aux bornes d'alimentation en tension de façon à limiter le courant délivré à la sortie du réqulateur, caractérisé en ce que le circuit de protection comprend des moyens d'ajustement de tension agissant sur l'entrée de commande du transistor de puissance (2) en fonction de la tension aux bornes de la résistance de stabilisation (4). 2. Régulateur de tension selon la revendication 1, dans lequel le circuit de protection comprend des moyens (5) pour délivrer une tension de référence fixe (Uf) par rapport à la sortie (S) du régulateur, et les moyens d'ajustement de tension comprennent un comparateur (6) pour comparer la tension aux bornes de la résistance de stabilisation (4) à ladite tension fixe (Uf). 3. Régulateur de tension selon la revendication 2, dans lequel les moyens d'ajustement de tension comprennent un transistor d'ajustement (7) ayant une première électrode reliée à la première borne-(E) d'alimentation en tension, une seconde électrode reliée à l'entrée de commande du transistor de puissance (2), et une entrée de commande reliée à une sortie du comparateur (6) - 10 4. Régulateur de tension selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un diviseur de tension dispose entre la seconds électrode du transistor de puissance et la seconde borne d'alimentation, et avant un n_ud intermédiaire relié à la seconds entrée de l'amplificateur d'erreur.