Brevet FR2960105A1 — publié le 20111118

B10277 - 10-T0-093 1 STRUCTURE DE PROTECTION CONTRE DES SURTENSIONS POUR LIAISON DIFFÉRENTIELLE Domaine de l'invention La présente invention concerne une structure de protection d'un circuit intégré contre des surtensions dues par exemple à des décharges électrostatiques. Elle vise plus particulièrement une structure de protection d'un circuit connecté à une ligne de transmission différentielle de données. Exposé de l'art antérieur La figure 1 est un schéma électrique très simplifié d'un dispositif comprenant un circuit intégré ICI adapté à communiquer, via une ligne ou liaison de transmission différentielle 10, avec un dispositif non représenté. La liaison 10 comprend deux rails 11 et 12, respectivement connectés à des bornes 13 et 14 du circuit ICI. En fonctionnement, les rails 11 et 12 sont parcourus par des signaux de données de même amplitude mais en opposition de phase. Ce type de liaison est généralement utilisé pour la transmission de données à haut débit. La figure 2 est un chronogramme illustrant de façon schématique l'évolution, pendant le fonctionnement du dispositif, de signaux 21 et 22 parcourant respectivement les rails 11 et 12 de la liaison 10 de la figure 1. Dans cet B10277 - 10-T0-093 2 exemple, les signaux 21 et 22 sont des signaux numériques susceptibles de prendre l'une ou l'autre de deux valeurs VMIN et Vue, respectivement basse et haute, centrées sur une tension moyenne positive Vm. On désignera par AV l'excursion des signaux 21 et 22, c'est-à-dire que AV = VMAX - Vm = Vm - VMIN- Comme l'illustre la figure, les signaux 21 et 22 sont de même amplitude mais en opposition de phase. Les signaux 21 et 22 sont généralement des signaux à faible niveau de tension. A titre d'exemple, la tension moyenne Vm peut être comprise entre 0,1 et 5 V, et, dans la plupart des normes de transmission différentielle actuelles, l'excursion AV est comprise entre 0,1 et 0,6 V. Ainsi, la valeur VMAX est généralement inférieure à 6 V. Toutefois, il arrive que des surtensions ou des surintensités ponctuelles brutales, de forte amplitude, susceptibles d'endommager des composants du circuit intégré ICI (figure 1), surviennent sur les rails 11 et/ou 12 de la liaison différentielle. De telles surtensions peuvent se produire lorsque le circuit ICI est alimenté, pendant le fonctionnement normal du dispositif, ou lorsque le circuit ICI n'est pas alimenté, par exemple pendant des phases d'assemblage du dispositif. On prévoit donc généralement d'associer à la liaison différentielle 10, entre les rails 11 et 12, une structure de protection 15 (figure 1), capable d'évacuer rapidement des courants importants susceptibles d'apparaître lorsqu'une surtension ou décharge électrostatique survient sur le rail 11 et/ou sur le rail 12. La figure 3 est un schéma électrique d'un exemple classique de la structure de protection 15 de la figure 1. La structure 15 comprend un pont de diodes comprenant une diode 31 en série avec une diode 33, et, en parallèle, une diode 35 en série avec une diode 37. Une diagonale du pont est connectée entre les rails 11 et 12. L'autre diagonale du pont est connectée à une diode Zener 39 dont une borne est connectée à la masse. B10277 - 10-T0-093 3 On notera que le terme "masse" désigne ici un potentiel de référence commun à tous les éléments du dispositif, par exemple un potentiel proche de 0 V. En pratique, la structure 15 pourra être reliée à la masse via une borne de masse du circuit intégré ICI, ou via un rail de masse (non représenté) compris dans la liaison 10. Dans la suite de la description, on désignera par "potentiel positif" et "potentiel négatif", des potentiels respectivement supérieur au potentiel de masse et inférieur au potentiel de masse, et chaque fois que des valeurs numériques de potentiel seront données en exemple, on considèrera que ces valeurs font référence à un potentiel de masse égal à 0 V. En cas de surtension positive sur le rail 11, si la surtension dépasse un certain seuil, la diode Zener 39 devient conductrice par effet d'avalanche, et la surtension est évacuée vers la masse, via la diode 33 et la diode Zener 39. En cas de surtension négative sur le rail 11, la diode 31 devient passante et la surtension est évacuée par cette diode. De la même façon, en cas de surtension positive sur le rail 12, la diode Zener 39 devient conductrice par effet d'avalanche et la surtension est évacuée via la diode 37 et la diode Zener 39. En cas de surtension négative sur le rail 12, la surtension est évacuée via la diode 35. Ainsi, la structure 15 permet d'évacuer toute surtension susceptible de survenir sur les rails 11 et/ou 12. Le seuil de déclenchement pour une surtension positive est égal à la chute de tension en direct VF d'une diode (de l'ordre de 0,6 V) plus la tension d'avalanche de la diode Zener 39. Le seuil de déclenchement pour une surtension négative est égal à l'opposé de la chute de tension en direct d'une diode (de l'ordre de -0,6 V). La tension d'avalanche VBR de la diode Zener 39 doit être supérieure à la tension V - VF. Ceci conduit en fait, pour tenir compte de la dispersion des composants, à choisir une B10277 - 10-T0-093 4 tension d'avalanche nettement supérieure à Vue. Ceci constitue un premier inconvénient d'une telle structure de protection. Un autre inconvénient de ce type de structure est que si l'on veut protéger des circuits adaptés à des signaux de niveaux Vj différents, il faut, pour bien protéger les circuits adaptés à des signaux de niveau V faible, prévoir des diodes Zener à faible tension d'avalanche. Ainsi, on devra prévoir de fabriquer de multiples structures de protection spécifiques adaptées aux divers circuits à protéger. Résumé Ainsi, un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une structure de protection d'un circuit intégré connecté à une liaison de transmission différentielle palliant au moins en partie certains des inconvénients des solutions existantes. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une telle structure pouvant fonctionner sans adaptation spécifique, quel que soit le type de signal susceptible de parcourir la liaison de transmission différentielle. Selon un aspect général d'un mode de réalisation de la présente invention, on propose de réaliser une structure de protection auto-adaptative, c'est-à-dire dont les seuils de déclenchement s'adaptent automatiquement au niveau de tension des signaux qui parcourent la liaison de transmission différentielle. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit une structure de protection d'un circuit intégré connecté à des premier et second rails d'une liaison différentielle contre des surtensions, comprenant : au moins une première diode et au moins une deuxième diode en antiparallèle, entre le premier rail et un noeud commun ; au moins une troisième diode et au moins une quatrième diode en antiparallèle, entre le second rail et le noeud commun ; et un B10277 - 10-T0-093 condensateur entre le noeud commun et un rail de potentiel bas de référence. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les premier et second rails sont susceptibles d'être parcourus 5 par des signaux numériques en opposition de phase, d'amplitude crête à crête comprise entre 0,2 et 1,2 V. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les première, deuxième, troisième, et quatrième diodes comprennent chacune deux diodes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le condensateur a une capacité comprise entre 50 nF et 10 µF. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, précédemment décrite, est un schéma électrique simplifié d'un dispositif comprenant un circuit intégré connecté à une ligne de transmission différentielle de données ; la figure 2, précédemment décrite, est un chronogramme schématique représentant l'évolution des signaux de données sur les rails de la ligne différentielle de la figure 1 ; la figure 3, précédemment décrite est un schéma 25 électrique d'un exemple classique d'une structure de protection du dispositif de la figure 1 contre des surtensions ; la figure 4 est un schéma électrique représentant un mode de réalisation d'une structure de protection du dispositif de la figure 1 contre des surtensions ; et 30 la figure 5 est un schéma électrique représentant une variante de réalisation de la structure de protection de la figure 4. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été 35 désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de B10277 - 10-T0-093 6 plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. La figure 4 est un schéma électrique représentant un mode de réalisation d'une structure 40 de protection d'un dispositif du type décrit en relation avec la figure 1 contre des surtensions ou décharges électrostatiques. La structure 40 comprend une diode 41 en direct entre un noeud commun N et le rail 11 de la liaison différentielle du dispositif, et une diode 42 en antiparallèle, c'est-à-dire en inverse entre le noeud N et le rail 11. Cette structure comprend en outre une diode 43 en inverse entre le noeud N et le rail 12 de la liaison différentielle, et une diode 44 en antiparallèle, c'est-à-dire en direct entre le noeud N et le rail 12. De plus, la structure 40 comprend, entre le noeud N et la masse, un condensateur 46. On notera que les structures de protection pour ligne différentielle sont généralement des puces indépendantes, adaptées à être reliées à la ligne différentielle du côté du circuit à protéger. Toutefois, la structure 40 pourra aussi être intégrée au circuit que l'on souhaite protéger (circuit ICI de la figure 1). En pratique, la structure 40 pourra être reliée à la masse via une borne de masse du circuit intégré à protéger, ou via un rail de masse (non représenté) compris dans la liaison différentielle. Lorsque le dispositif n'est pas alimenté, le condensateur 46 n'est pas chargé, et le potentiel du noeud N est sensiblement égal au potentiel de masse. En cas de surtension positive brutale sur le rail 11, la diode 42, polarisée en direct, devient conductrice. Ainsi, la surtension est évacuée à travers la diode 42 et le condensateur 46, le condensateur 46 laissant passer le courant résultant d'une surtension rapide. B10277 - 10-T0-093 7 En cas de surtension négative brutale sur le rail 11, la diode 41 devient conductrice. Ainsi, la surtension est évacuée à travers le condensateur 46 et la diode 41. De même, en cas de surtension positive sur le rail 12, la surtension est évacuée à travers la diode 43 et le condensateur 46, et en cas de surtension négative sur le rail 12, la surtension est évacuée à travers le condensateur 46 et la diode 44. Ainsi, la structure 40 est capable d'évacuer rapidement toute surtension susceptible de survenir sur le rail 11 et ou sur le rail 12 lorsque le dispositif n'est pas alimenté. Les seuils de déclenchement haut et bas de la protection correspondent alors respectivement à la chute de tension en direct VF d'une diode et à l'opposé de la chute de tension d'une diode (par exemple 0,6 V et -0,6 V). Lors de la mise en route du dispositif, au cours d'une phase d'initialisation de la structure de protection 40, le condensateur 46 se charge à une valeur liée à l'amplitude des signaux parcourant les rails 11 et 12 de la liaison différentielle. A un instant t0 de mise en route du dispositif, le condensateur 46 est déchargé, et le potentiel du noeud N est sensiblement égal au potentiel de masse. Les rails 11 et 12 étant parcourus par des signaux 21 et 22 du type décrit en relation avec la figure 2, les diodes 42 et 43, polarisées en direct, deviennent conductrices. Le condensateur 46 se charge donc progressivement à une valeur V - VF égale à la valeur maximale VMAX des signaux 21 et 22 moins la chute de tension en direct VF des diodes 42 et 43. Ainsi, après un certain nombre d'alternances des signaux 21 et 22 le potentiel du noeud N se stabilise à V - VF. Après cette phase d'initialisation, le seuil de déclenchement haut de la protection est égal à : (VMAX - VF) + VF = VMAX et le seuil de déclenchement bas de la protection est égal à : B10277 - 10-T0-093 8 (V"MAX - VF) - VF = VMAX - 2 * VF Un avantage d'une telle structure de protection est que les seuils haut et bas de déclenchement de la protection s'adaptent automatiquement au niveau des signaux qui parcourent la ligne différentielle. Ainsi, il s'agit d'une protection générique, pouvant être utilisée dans de nombreux types d'application et pour de nombreuses normes de transmission différentielle de données (par exemple la norme HDMI, la norme SATA, la norme Display Port, etc). De plus, si le niveau des signaux parcourant la ligne différentielle change pendant le fonctionnement du dispositif, les seuils de déclenchement de la protection s'adaptent automatiquement. Un autre avantage d'une telle structure est que les seuils de déclenchement de la protection sont proches du niveau maximal des signaux utiles parcourant la ligne de transmission. Les risques de détérioration du circuit intégré en cas de surtension sont donc très faibles. On notera que le condensateur 46 doit avoir une capacité relativement élevée, pour pouvoir laisser passer de fortes surtensions sans que son niveau de charge n'en soit affecté. Toutefois, une capacité élevée entraine un encombrement plus important, et un temps d'initialisation plus important de la structure de protection à la mise en route du dispositif. Les inventeurs ont déterminé qu'une capacité comprise entre 50 nF et 10 µF constitue généralement un bon compromis. On notera par ailleurs que les seuils de déclenchement haut et bas de la structure 40 étant respectivement à V et à VMAX - 2 * VF, l'excursion AV des signaux, de part et d'autre de la tension moyenne Vm, doit être inférieure à VF. Toutefois, la chute de tension VF d'une diode étant généralement de l'ordre de 0,6 V, cette structure est compatible avec la plupart des normes actuelles de transmission différentielle de données. La figure 5 est un schéma électrique représentant une variante de réalisation de la structure de protection 40 de la figure 4, adaptée à fonctionner dans le cas où l'excursion AV B10277 - 10-T0-093 9 des signaux parcourant la ligne différentielle serait supérieure à la chute de tension VF d'une diode. Dans la structure de protection 50 de la figure 5, chacune des diodes 41, 42, 43, 44 de la structure de la figure 4 a été remplacée par deux diodes en série, respectivement 51a et 51b, 52a et 52b, 53a et 53b, et 54a et 54b. Ainsi, le fonctionnement de la structure 50 est identique à celui de la structure de la figure 4, à la différence que le potentiel s'établissant au noeud commun N après la phase d'initialisation est égal à V - 2 * VF, et que les seuils haut et bas de déclenchement de la protection sont respectivement à VMAX et VMAX - 4 * VF. Ainsi, cette structure peut fonctionner pour des signaux présentant une excursion AV pouvant aller jusqu'à 2 * VF. L'homme de l'art saura mettre en oeuvre d'autres variantes de réalisation en adaptant le nombre de diodes en série à la valeur de l'excursion AV des signaux susceptibles de parcourir les rails de la liaison différentielle. REVENDICATIONS1. Structure de protection (40) d'un circuit intégré connecté à des premier (11) et second (12) rails d'une liaison différentielle (10) contre des surtensions, comprenant : au moins une première diode (41) et au moins une deuxième diode (42) en antiparallèle, entre le premier rail et un noeud commun (N) ; au moins une troisième diode (43) et au moins une quatrième diode (44) en antiparallèle, entre le second rail et le noeud commun ; et un condensateur (46) entre le noeud commun et un rail de potentiel bas de référence. 2. Structure de protection selon la revendication 1, dans laquelle les premier et second rails sont susceptibles d'être parcourus par des signaux numériques (21, 22) en opposition de phase, d'amplitude crête à crête comprise entre 0,2 et 1,2 V. 3. Structure de protection (50) selon la revendication 1, dans laquelle lesdites au moins une première diode, au moins une deuxième diode, au moins une troisième diode, et au moins une quatrième diode, comprennent chacune deux diodes (51a, 51b, 52a, 52b, 53a, 53b, 54a, 54b). 4. Structure de protection (40 ; 50) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le condensateur (46) a une capacité comprise entre 50 nF et 10 µF.