Brevet FR2862448A1 — publié le 20050520

Générateur de rampe de tension avec un asservissement de pente Domaine technique de l'invention La présente invention concerne le domaine de circuits électroniques et plus particulièrement un générateur de rampe de tension comportant doté d'un 10 asservissement sur la pente. Etat de la technique Les circuits générateurs de rampe constituent des éléments de base dans de multiples circuits électroniques et notamment dans les circuits d'alimentation à découpage et les hacheurs. La figure 1 rappelle le principe de fonctionnement d'un convertisseur continu-continu (DC-DC) quelquefois également désignée sous la dénomination d'alimentation à découpage ou Switched Mode Power Supply dans la littérature anglo-saxonne. En raison de leur rendement élevé, ces convertisseurs sont devenus très populaires et on les rencontre à présent très fréquemment dans toute l'électronique portable, alimentée par batterie. La tension Vsense qui est délivrée au bornes d'une résistance de charge 3 résulte d'un courant, commandé par deux transistors 5 et 6, et filtré par un réseau L-C (1, 4). Une diode de roue libre 4 écoule l'énergie emmagasinée dans l'inductance 1 lorsque les transistors 5 et 6 sont bloqués. D'une manière générale, on assure la commande des transistors au moyen d'un comparateur (non représenté) recevant sur une première entrée un potentiel de référence et sur une seconde entrée une tension de rampe telle que représentée dans la figure 2. En faisant varier la tension de référence Vref, on peut faire varier le rapport cyclique (ou duty cycle en anglais) entre le temps de ST 03-GRI-219 2862448 -2 conduction et le temps de blocage du transistor 5 et, ainsi, faire varier la tension Vsense au bornes de la résistance 3. Les circuits d'alimentation des dispositifs électroniques modernes doivent être capable de fournir des courants susceptibles de varier dans une large gamme de valeurs. II suffit pour s'en convaincre de songer au cas des téléphones mobiles, dont les courants d'alimentation peuvent varier de plusieurs centaines de milliampères (lorsque l'appareil est en fonctionnement) et tomber à quelques micro-ampères seulement (en veille). De telles plages de variations imposent des conditions de fonctionnement rigoureuses pour les circuits d'alimentation et en particulier, le générateur de rampe doit permettre le fonctionnement de la régulation sur toute la plage de la rampe, y compris aux deux extrémités qui correspondent aux valeurs extrêmes évoquées précédemment. Or avec les générateurs de rampe connus, il est très difficile de pouvoir les faire fonctionner dans toute la plage de fonctionnement envisagée du fait de la dispersion des caractéristiques des composants, laquelle se traduit par une dispersion au niveau de la pente comme cela est représentée dans la figure 3 et rend ainsi difficile une commande précise du courant d'alimentation lorsque l'on se trouve dans les extrémités. Il n'est pas rare d'observer, avec les circuits connus, des dispersions de l'ordre de 30 pour cents dans la pente du générateur de rampe. Il est donc souhaitable de pouvoir disposer d'un générateur de rampe offrant une pente parfaitement calibrée qui ne dépend que très peu des dispersions des caractéristiques des composants. On pourra ainsi assurer une commande précise du courant d'alimentation entre une gamme de quelques microampères jusqu'à plusieurs centaines de milliampères et, plus généralement, si l'on dispose d'une pente parfaitement calibrée, on pourra relâcher les contraintes sur les autres composants du circuit électronique. ST 03-GR1-219 Exposé de l'invention La présente invention a pour objet un générateur de rampe, très simple à 5 réaliser, et qui fournit une rampe parfaitement calibrée et peu sensible aux dispersions de caractéristiques des composants qui le constituent. Un autre but de la présente invention consiste à proposer un circuit générateur d'une rampe adaptée à la réalisation d'un convertisseur de tension 10 DCIDC. L'invention réalise ces buts au moyen d'un générateur de rampe doté d'un circuit d'asservissement comportant un amplificateur différentiel ayant une entrée inverseuse mis à un potentiel de référence et une sortie connectée à la grille d'un premier transistor présentant une source connectée à un potentiel de référence (Vbat) et un drain connectée à l'entrée non inverseuse dudit amplificateur. Le drain est chargé par une charge résistive variable commandée par un potentiel de commande (Vgate_n) . Un second transistor est monté en miroir de courant sur le premier transistor afin de générer un courant de recopie qui sert de charge à un condensateur qui est périodiquement déchargé par un circuit de décharge. Dans un mode de réalisation préféré, la charge résistive variable est constituée d'un diviseur de courant comportant une première et une seconde branche, ladite première branche comportant une première résistance et la dite seconde branche comportant une seconde résistance en série avec un troisième transistor commandé par le dit potentiel de commande. On réalise ainsi, de manière très simple, un générateur de rampe dont le courant de charge peut être commandé par le potentiel de commande Vgate_n lequel peut être généré, dans un mode de réalisation préféré, par une boucle d'asservissement comportant, en cascade, un comparateur, un filtre passe-bas et d'un intégrateur. De préférence, la boucle d'asservissement comporte, en cascade: ST 03-GR1219 - un bloc comparateur recevant en entrée le signal de rampe généré aux bornes dudit condensateur et générant en sortie un signal de comparaison (Vcomp) ; - un bloc de filtrage recevant en entrée ledit signal de comparaison (Vcomp) et produisant en sortie un signal Vf, après filtrage passe-bas; - un bloc intégrateur recevant en entrée ledit signal Vf, et produisant en sortie une valeur intégrée dudit signal Vf, qui est transmise à l'électrode de commande de ladite charge résistive variable. lo Dans un mode de réalisation particulier, les résistances seront réalisées en silicium polycristallin non silicuiré (même matériau) et en le condensateur sera implémenté au moyen d'un transistor MOS. Description des dessins D'autres caractéristiques, but et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description et des dessins ci-après, donnés uniquement à titre 20 d'exemples non limitatifs. Sur les dessins annexés: La figure 1 illustre le schéma de principe d'un classique convertisseur de tension DCDC basé sur un générateur de tension. La figure 2 représente des chronogrammes représentatifs de la rampe de tension générée et du rapport cyclique en résultant. La figure 3 illustre l'effet d'une dispersion de caractéristiques de composants affectant la pente du générateur de rampe. La figure 4 illustre un mode de réalisation d'un générateur de rampe conformément à la présente invention. ST 03-GR1-219 La figure 5 illustre la boucle d'asservissement du générateur de rampe de la figure 4. Les figures 6 à 8 sont des chronogrammes illustratifs du fonctionnement du 5 générateur des figures 4 et 5, pour une tension Vbat = 4.8 Volts, A = 0.75 et B = 2, A et B étant définis en page 9. Description d'un mode de réalisation préféré La figure 4 illustre un mode de réalisation préféré d'un générateur de rampe - désigné par la référence 500 - conformément à la présente invention. Le schéma illustre une réalisation basée sur un jeu de tensions d'alimentation positives Vbat et 1s la masse mais il est clair que l'homme du métier pourra adapter le schéma à d'autres valeurs de tensions, notamment négatives. Le générateur 500 comporte un amplificateur différentiel 41 comportant une entrée inverseuse connectée au point milieu d'un pont de résistances 44 et 45 (resp. de valeurs RI et R2), lui-même connecté entre la tension positive Vbat et un potentiel de masse. L'amplificateur 41 comporte une sortie connectée à la grille d'un transistor PMOS 42, ayant une source connectée à Vbat et un drain connecté à une entrée non-inverseuse de l'amplificateur 41 ainsi qu'à une première électrode d'une résistance 46 et à une première électrode d'une résistance 47. La résistance 46 comporte une seconde électrode qui est connectée à la masse tandis que la résistance 47 comporte une seconde électrode qui est connectée au drain d'un transistor MOS 49, de type NMOS, dont la source est connectée à la masse. La grille du transistor NMOS 49 reçoit un potentiel de commande Vgate_n. On notera que, sur un plan pratique, les résistances 46 et 47 pourront être 30 des résistances en silicium polycristallin non silicuiré (même matériau) bien connues d'un homme du métier. La grille du transistor PMOS 42 est également connectée à la grille d'un transistor PMOS 43, lequel fait office de miroir de courant. A cet effet, le transistor ST 03-GR1-219 2862448 -6- PMOS 43 comporte une source connectée à Vbat et un drain connecté à une première électrode d'un condensateur 51 dont une seconde électrode est connectée à Vbat. Dans un mode de réalisation préféré, on implémente le condensateur 51 au moyen de la capacité d'un transistor de type MOS. Une telle disposition est bien connue d'un homme du métier et ne sera par conséquent pas décrite plus avant. Le drain du transistor PMOS 43 est également au drain d'un transistor 48 de type NMOS dont la source est connectée à la masse et dont la grille reçoit un signal 10 d'horloge CK destiné à la décharge périodique du condensateur 51. Le schéma de la figure 4 peut être adapté à volonté en fonction des contraintes particulières de conception. En particulier, on pourra adjoindre des transistors supplémentaires offrant des fonctions spécifiques, et notamment une fonction d'extinction du circuit, laquelle pourra être réalisée au moyen d'un transistor supplémentaire, de type PMOS, connecté entre la sortie de l'amplificateur différentiel 41 et la tension d'alimentation Vbat. Comme on le voit sur la figure, le générateur de rampe comporte deux branches montées en diviseur de courant, la première comportant la résistance 46 et la seconde comportant, en série, la résistance 47 et le transistor 49. Les deux résistances 46 et 47 peuvent être choisies de valeurs égales, bien que cela ne soit pas obligatoire. On constate que lorsque le transistor 49 est non conducteur, l'ensemble des deux branches se comporte globalement comme une résistance de valeur R tandis que, au contraire, lorsque le transistor 49 est conducteur, l'ensemble des deux branches se comporte est l'équivalent d'une résistance de valeur R/2. L'ensemble des deux branches se comporte par conséquent comme une charge résistive variable, qui est commandée par la tension de grille Vgate_n. Cette charge variable voit circuler un courant qui traverse le transistor 42 et qui est également recopié dans le transistor PMOS 43. Ce courant de recopie ST 03-GR1-219 charge le condensateur 51, lequel peut être déchargé au rythme du signal d'horloge par le transistor 48. La figure 5 montre l'intégration du générateur de rampe 500 de la figure 4 dans une boucle d'asservissement complète. La boucle d'asservissement comporte, branchée en sortie du générateur, un bloc comparateur 510, un bloc de filtrage 520 et un bloc intégrateur 530. Le bloc comparateur 510 comporte un amplificateur 511 tel qu'un amplificateur opérationnel par exemple, monté en comparateur et recevant sur son entrée non inverseuse la tension Vout en sortie du générateur de rampe 500. L'entrée inverseuse du comparateur reçoit un potentiel de référence Vref c définie par le point milieu d'un pont de résistances 512 (R3) et 513 (R4) montées en série. En sortie, le bloc comparateur 510 délivre un potentiel Vcomp. Le bloc de filtrage 520 comporte, dans un mode de réalisation préféré, un filtre passe-bas du second ordre constitué de deux réseaux RC montés en cascade, respectivement constitué par les résistances 521 et 523 et les condensateurs 522 et 524. En sortie de filtrage, le bloc 520 génère un potentiel Vf;, . Le bloc intégrateur 530 comporte un amplificateur différentiel 531 comportant une entrée inverseuse, une entrée non inverseuse et une sortie générant le potentiel de sortie Vaut. L'entrée inverseuse de l'amplificateur est connectée à une première électrode d'une résistance 532 dont un second potentiel reçoit le potentiel Vf;, en sortie du bloc de filtrage 520. Un condensateur 533 est connectée entre l'entrée inverseuse et la sortie de l'amplificateur 531. Ce dernier comporte en outre une entrée inverseuse recevant un potentiel de référence Vrefi qui est défini par le point milieu d'un pont de deux résistances 534 (R5) et 535 (R6) , le pont étant connecté entre les deux potentiels Vbat et la masse. La sortie Vaut du bloc intégrateur 530 peut être utilisée pour générer le potentiel de commande de la grille du transistor 49 (bloc 500), ce qui est réalisé au moyen d'un bouclage de contre-réaction. ST 03-GR1-219 On va décrire à présent le fonctionnement de l'asservissement réalisé par le circuit de la figure 5. Au départ, le transistor MOS 49 est dans un état bloqué. De ce fait, la résistance vue par le transistor 42 présente une valeur maximale et, corrélativement, le courant de charge du condensateur 51 est minimal. La pente de la rampe générée en sortie du générateur 500 est elle-même minimale et il en résulte un signal Vcomp dont la valeur moyenne est plus faible que celle escomptée. Cette valeur est filtrée, puis intégrée via l'intégrateur (qui est aussi un inverseur) et il en résulte alors une tension Vgate_n sensiblement plus élevé. Cette valeur élevée du potentiel Vgate_n tend à faire conduire le transistor NMOS 49, ce qui permet alors au courant de circuler dans la seconde branche du diviseur de courant formé par les deux résistances 46 et 47. Il en résulte alors un accroissement du courant global circulant dans le 15 transistor 42 et, par suite, un accroissement de la pente du générateur de rampe 500, laquelle va tendre vers son point d'équilibre. La régulation fonctionne également dans l'autre sens. En supposant que, pour une raison ou une autre, la pente du générateur de rampe 500 dépasse son point d'équilibre, cela aura pour effet de faire basculer plus vite le comparateur 511, ce qui générera une tension Vcomp présentant une valeur moyenne plus élevée. Après filtrage par le bloc de filtrage 520 et intégration par le bloc intégrateur 530, le signal de sortie de ce dernier, à savoir Vgate_n aura pour effet de décroître venant ainsi limiter la conduction du transistor 49. La résistance de charge vue par le transistor 42 augmentant, il en résulte alors une réduction correspondante de l'intensité du courant de charge du condensateur 51 et, par conséquent, une baisse de la valeur de la pente de la rampe. Ainsi, on constate qu'à la fin d'un régime transitoire, dont on notera qu'il est particulièrement court - quelques nanosecondes comme cela est illustré dans le chronogramme de la figure 6 la pente du générateur se stabilise à une valeur qui est définie par un ratio de résistances et devient indépendante de la dispersion des composants actifs ainsi que de la température. Cela est tout particulièrement illustré dans la figure 9 où l'on voit des valeurs d'équilibres distinctes pour le potentiel ST 03GR1-219 Vgate_n (montrant l'efficacité de la régulation) alors que la rampe générée qui correspond à ces valeurs reste sensiblement identique et bien indépendante de la dispersion des caractéristiques ainsi que de la température. Pour cela, les résistances R3, R4, R5 et R6 seront choisies de même nature. Pour une valeur de Vbat donnée, on constate que la pente ne dépend que d'un ratio NB défini par les valeurs des résistances R3, R4, R5 et R6 venant fixer les deux potentiels de référence du comparateur 511 et de l'amplificateur 531 monté en intégrateur, suivant les relations: Vout max = A X Vbat R4/(R3+R4)=A/B R6/(R5 + R6) = (B-1)/B Les chronogrammes des figures 6 et 9 illustrent successivement les potentiels Vout, Vcomp, Vfit, Vgate_n, ... montrant une simulation pour une valeur Vbat = 4.8 Volts et des valeurs A=0.75 et B= 2... La figure 6 illustre plus particulièrement le fonctionnement du générateur selon l'invention pendant la phase de stabilisation. La figure 7 illustre le fonctionnement du générateur après la phase de 25 stabilisation. La figure 8 illustre le fonctionnement du générateur avant la phase de stabilisation. Avant la stabilisation, on constate que le comportement du générateur est celui d'un générateur de rampe classique. Les courbes montrent une température typique de 27 degrés C, mais également deux températures extrèmes, à savoir -25 C et 125 C. ST 03-GR1-219 La figure 9 illustre le fonctionnement du générateur selon l'invention après la stabilisation, et ce pour les trois valeurs de température mentionnées précédemment. Le temps très court que requiert le générateur de rampe pour établir une rampe définitive est particulièrement avantageux. En effet, il permet d'insérer le générateur de rampe dans une boucle de régulation plus large présentant une constante de temps plus grande sans se préoccuper de l'interférence entre les deux asservissements. On évitera ainsi les problèmes d'instabilité due à la coexistence de deux boucles de régulation. Plus généralement, la constante de temps très courte du générateur de rampe conditionne la qualité de la seconde boucle de régulation qui sera mise en oeuvre dans le convertisseur DC-DC, par exemple. C'est là un avantage considérable de l'invention que de permettre 15 l'établissement d'un régime permanent régulé en un temps très court. ST 03-GR1-219 Revendications 1. Générateur de rampe comportant un circuit d'asservissement de la pente de la rampe, caractérisé en ce qu'il comporte: - un amplificateur (41) comportant une entrée inverseuse, une entrée non inverseuse et une sortie, ladite entrée inverseuse recevant un potentiel de lo référence; - un premier transistor comportant une électrode de grille, de source et de drain, l'électrode de grille étant connectée à la sortie dudit amplificateur (41), l'électrode de source étant connectée à un potentiel de référence (Vbat) et l'électrode de drain étant connectée à l'entrée non inverseuse dudit amplificateur (41) ; ]s - une charge résistive variable (46, 47, 49) comportant un circuit résistif et une électrode de commande (Vgate_n), ledit circuit résistif étant connecté entre un potentiel de référence (masse) et le drain dudit premier transistor; - un second transistor (43) monté en miroir de courant sur ledit premier transistor (42) et connecté à un condensateur (51) de charge de manière à générer un 20 courant de recopie venant charger ledit condensateur; - un circuit de décharge (48, 50) dudit condensateur. 2. Générateur de rampe selon la revendication 1 caractérisé en ce que la dite charge résistive variable est constituée d'un diviseur de courant comportant une première et une seconde branche, ladite première branche comportant une première résistance (46) et la dite seconde branche comportant une seconde résistance (47) en série avec un troisième transistor (49). 3. Générateur de rampe selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte 30 une boucle d'asservissement comportant, en série: - un bloc comparateur (510) recevant en entrée le signal de rampe généré aux bornes dudit condensateur et générant en sortie un signal de comparaison (Vcomp) ; - un bloc de filtrage (520) recevant en entrée ledit signal de comparaison (Vcomp) et produisant en sortie un signal Vfil après filtrage passe-bas; ST 03-GR1-219 - 12 - - un bloc intégrateur (530) recevant en entrée ledit signal Vf, et produisant en sortie une valeur intégrée dudit signal Vf, qui est transmise à l'électrode de commande de ladite charge résistive variable. 4. Générateur de rampe selon la revendication 3 caractérisé en ce que le bloc comparateur (510) comporte: - un amplificateur monté en comparateur disposant d'une entrée inverseuse, d'une entrée non inverseuse et d'une sortie; l'entrée non inverseuse recevant le signal de rampe généré par ledit générateur et l'entrée inverseuse recevant un second potentiel de référence Vref o généré par un pont diviseur de tension (512, 513) et la sortie générant ledit signal de comparaison Vcomp. 5. Générateur de rampe selon la revendication 3 caractérisé en ce que le bloc de filtrage (520) comporte deux filtres passe-bas RC du premier ordre montés en 15 cascade. 6. Générateur de rampe selon la revendication 3 caractérisé en ce que le bloc intégrateur (530) comporte: - un amplificateur différentiel (531) ayant une entrée inverseuse, une entrée non 20 inverseuse et une sortie, une troisième résistance (532) ayant une première électrode recevant le signal Vf, d'entrée dudit bloc intégrateur et ayant une seconde électrode connectée à l'entrée inverseuse dudit amplificateur différentiel (531) ; un second condensateur (533) connecté entre l'entrée inverseuse et la sortie dudit 25 amplificateur différentiel (531) ; - un second pont diviseur de tension (534, 535) permettant de générer en son point milieu un troisième potentiel de référence Vref; transmis à l'entrée non inverseuse dudit amplificateur différentiel (531) . 7. Générateur de rampe selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites premières et secondes résistances sont réalisées en silicium polycristallin non silicuiré (même matériau) et en ce que ledit condensateur est réalisé au moyen d'un autre transistor MOS. ST 03-GR1-219 8. Générateur de rampe selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits premier et second transistors MOS (42, 43) sont des transistors de type PMOS et en ce que ledit troisième transistor MOS (49) est un transistor de type NMOS. 9. Générateur de rampe selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est adapté à la réalisation d'un convertisseur continu-continu. ST 03-GR1-219