Brevet FR2997803A1 — publié le 20140509

La présente invention concerne un composant de protection contre la foudre, destiné à être interposé entre un équipement électronique susceptible d'être détérioré par un signal de foudre et une ligne susceptible d'être touché par la foudre et de transmettre un signal de foudre vers l'équipement électronique. Il existe de nombreux composants de protection contre la foudre comprenant des diodes Zener de puissance, des diodes de type Transorb ou TVS... dimensionnées pour supporter des tensions et des courants de l'ordre de ceux engendrés lors d'un impact de foudre. Une telle diode est destinée à être montée entre la ligne susceptible d'être frappée par la foudre et un circuit dissipateur d'énergie, généralement une masse. Quand la foudre frappe la ligne, la diode devient passante et conduit le signal de foudre vers un circuit dissipateur, généralement une masse. Il est apparu que de tels composants de protec- tion altéraient les performances de certains équipements électroniques disposés en aval du composant. Tel est le cas par exemple lorsque la ligne en question relie des capteurs à un circuit de mesure. Dans ce cas, du fait des caractéristiques des composants, des courants de fuite sont induits à une température relativement haute. Selon les performances métrologiques attendues en aval, ces courants de fuite peuvent induire des erreurs en tension qui vont dégrader la mesure. Ceci est notamment le cas des circuits de mesure différentiels mettant en oeuvre par exemple un amplificateur d'instrumentation ou une fonc- tion faisant la différence analogique de deux fonctions. Un but de l'invention est de proposer un composant de protection contre la foudre qui n'altère pas de manière préjudiciable les performances de l'équipement qui lui est raccordé et ceci de manière générique quel que soit le type d'entrées : - analogique différentielle ou non, en liaison avec des capteurs ou des sources de tension ou de courants quelconques - numérique, en contact avec des signaux TTL, CMOS, LVDS_ - bus différentiels de type 1553, CAN, VAN_ - signaux de puissance. A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un composant de protection contre la foudre, comprenant au moins une entrée principale susceptible de transmettre un signal de foudre, au moins une sortie principale destinée à être reliée à un équipement à protéger du signal de foudre, une sortie dérivée destinée à être reliée à un circuit dissipateur, une ligne directe reliant l'entrée à la sortie principale, un circuit de dérivation qui est monté entre la ligne directe et la sortie dérivée et qui est pourvu d'au moins un interrupteur de dérivation ayant un état ouvert dans lequel la sortie dérivée est isolée de la ligne directe et un état fermé de conduction du si- gnal de foudre depuis la ligne directe vers la sortie dé- rivée. L'interrupteur de dérivation dans son état ouvert ne laisse pas passer de courant de fuite susceptible de perturber le fonctionnement de l'équipement raccordé au composant tout en assurant l'évacuation du signal de fou- dre lorsqu'il est dans son état fermé. La protection de l'équipement est ainsi assurée sans perturber le fonctionnement de l'équipement hors foudroiement. De préférence, le composant comprend un circuit de détection d'un état de fonctionnement du circuit de dérivation, le circuit de détection comprenant des moyens de vérification d'une fermeture correcte de l'interrupteur et d'un écoulement des charges dans l'interrupteur. De préférence, le circuit de détection est inter- rogeable par le système et aussi par l'équipement qui est protégé à tout moment. L'état de fonctionnement d'un tel circuit de dérivation est facile à détecter du fait de la présence de l'interrupteur de dérivation dont il suffit de vérifier la fermeture et la conduction. Avantageusement alors, le dispositif de détection comprend une liaison d'entrée/sortie destinée à être reliée à l'équipement à protéger. L'équipement peut alors commander la vérification de l'état de fonctionnement et obtenir une information représentative de cet état. Selon un mode de réalisation particulier, le cir- cuit de dérivation comprend une ligne de commande qui s'étend entre une entrée secondaire destinée à être re- liée à une source de basse tension et une entrée de com- mande de l'interrupteur de dérivation et qui est pourvue d'un interrupteur de commande ayant une entrée de commande à haute tension reliée à la ligne directe. La fermeture de l'interrupteur de commande est alors assurée directement par le signal de foudre, en- traînant alors la fermeture de l'interrupteur de dérivation. Il en résulte une relative simplicité du circuit de dérivation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un compo- sant conforme à l'invention, - la figure 2 est un schéma électrique de ce composant, - la figure 3 est une vue schématique, en coupe selon un plan perpendiculaire aux électrodes, d'un des interrupteurs utilisés dans le composant, - la figure 4 est une vue schématique, en section selon la ligne IV-IV de la figure 3, de cet in- terrupteur, - la figure 5 est une vue schématique en coupe d'une variante de réalisation des interrupteurs utilisés dans le composant. En référence aux figures, le composant de protec- tion contre la foudre, conforme à l'invention, générale- ment désigné en 1, est ici monté entre un capteur S et un équipement de traitement T de signaux électriques analogiques provenant du capteur S. Le capteur S, connu en lui-même, est par exemple un capteur de position d'un élément mobile et l'équipement de traitement T, également connue en elle-même, comprend par exemple un amplificateur d'instrumentation et des moyens pour exploiter les signaux électriques en provenance du capteur C par exemple pour commander un moteur de déplacement de l'élément mobile. Il ne s'agit là que d'un exemple et d'autres ap- plications sont bien entendu possibles. Le composant 1 est un composant monté en surface (ou CMS) agencé sous la forme de circuits intégrés assemblés en 3D (c'est-à-dire que les composants sont placés 25 et connectés verticalement et horizontalement) et d'éléments électroniques passifs, montés sur un substrat et incorporés dans un boîtier (cette architecture est couramment nommée SIP de l'anglais « system in package »). Le SIP en question peut aussi intégrer d'autres 30 circuits intégrés et composants passifs_ liés à une autre fonction que la présente fonction de protection foudre. Le composant 1 comprend ici une entrée principale 2.1 reliée au capteur S et susceptible de transmettre un signal de foudre, une entrée secondaire 2.2 reliée à une 35 source de basse tension u, une sortie principale 3.1 re- liée à l'équipement de traitement T à protéger du signal de foudre et une sortie dérivée 3.2 reliée à un circuit dissipateur connu en lui-même, ici une masse M. Les entrées 2.1, 2.2 et sorties 3.1, 3.2 sont pourvues de contact sous forme de billes organisées en matrice (BGA) sur une surface extérieure du substrat du composant 1. Le substrat du composant 1 intègre les commutateurs de protection contre la foudre. Le composant 1 comprend en outre une ligne di- recte 4 reliant l'entrée principale 2.1 à la sortie prin- cipale 3.1 et un circuit de dérivation, généralement désigné en 5, qui est monté entre la ligne directe 4 et la sortie dérivée 3.2. Le circuit de dérivation 5 comprend un interrup- teur de dérivation 6 qui est relié à la ligne directe 4 et à la sortie dérivée 3.2 et qui a un état ouvert dans lequel la sortie dérivée 3.2 est isolée de la ligne directe 4 et un état fermé de conduction du signal de foudre depuis la ligne directe 4 vers la sortie dérivée 3.2. Le circuit de dérivation 5 comprend une ligne de commande comportant un interrupteur de commande 7 reliant l'entrée secondaire 2.2 à une entrée de commande de l'interrupteur de dérivation 6 via un circuit de temporisation, généralement désigné en 8, agencé pour fermer l'interrupteur de dérivation pendant un temps prédétermi- né. A noter que dans une version avancée, le circuit de temporisation 8 peut devenir réglable par le système ou l'équipement à protéger. L'interrupteur de commande 7 a une entrée de com- mande à haute tension reliée à la ligne directe 4. Les formes d'ondes d'agression foudre prises en charge par cette protection sont celles couramment rencontrées en aéronautique soit (suivant la norme D0160 section 22 et 23) : o forme d'onde 3 / impulsion unique : sinus amorti de fréquence F=10MHz - tension de circuit ouvert : 1500 V. - courant de court circuit : 60 A. o forme d'onde 4 / impulsion unique : durée de montée Irise = 6,4 ps et durée de descente Tfall = 69ps - tension de circuit ouvert : 750 V. - courant de court circuit : 150 A. o forme d'onde 5A / impulsion unique : durée de montée Irise = 40 ps et durée de descente T Tfall = 120 ps - tension de circuit ouvert : 750 V. - courant de court circuit : 150 A. A propos des tests de foudre, il convient de no- ter : - le générateur de foudre permettant de tester la protection est réglé sur une charge pour être capable de générer (ex forme d'onde n° 3) 60A sous 1500V se- lon un sinus amorti à 10 MHZ. Ce signal est ensuite envoyé sur la protection et suivant l'impédance de celui-ci c'est la tension ou le courant qui vont dominer l'échange. - les trois formes d'onde W3, W4 et W5A ne sont pas présentes en même temps. Généralement, on a une coexistence de deux formes d'ondes lors d'une agression foudre (formes d'onde 3 et 5A ou formes d'onde 4 et 5A). L'interrupteur de commande 7 est agencé de telle manière que l'interrupteur de commande 7 se ferme lorsque l'entrée de commande est soumise à une tension intermédiaire entre la tension des signaux fournis nominalement par le capteur S (par exemple moins d'un Volt) et la tension d'un signal de foudre (par exemple 750 Volts). A no- ter que l'interrupteur 7 peut se déclencher sur une per- turbation positive ou négative de la foudre. La tension provoquant la fermeture de l'interrupteur de commande 7 est par exemple de 200 Volts. Le circuit de temporisation 8 comprend une diode 9 montée en série entre l'interrupteur de commande 7 et l'entrée de commande de l'interrupteur de dérivation 6, ainsi qu'un condensateur 10 et une résistance 11 montés en parallèle l'un de l'autre entre la cathode de la diode 9 et la masse M. Le circuit de temporisation 8 est dimensionné pour maintenir normalement la fermeture de l'interrupteur de dérivation 6 pendant une durée d'une seconde de manière à s'assurer que l'ensemble des charges du signal de foudre ont pu s'écouler vers la masse M via l'interrupteur de dérivation 6. Les interrupteurs 6, 7 sont ici des microsystèmes électromécaniques enfermés dans une cavité avec un gaz à pression constante et contrôlée. Les interrupteurs 6 et 7 peuvent être constitués d'une multitude d'interrupteurs de type MEMS placés en parallèle les uns aux autres et pilotés par la même commande. Chacun de ces interrupteurs peut être fabriqué en silicium ou tout autre alliage cristallin ou non de celui-ci (ex : SiC, Si3N4...). Dans une version plus économique, les interrupteurs peuvent aussi être fabriqués en « liquid cristal polymer » (LCP). Chaque microsystème électromécanique comprend un contact mobile 20 formant l'entrée de commande et deux électrodes fixes 21, 22 écartées l'une de l'autre et reliées à un des tronçons de la ligne à interrompre, à savoir la ligne de commande pour l'interrupteur de commande 7 et la ligne de dérivation reliant la ligne directe 4 à la sortie dérivée 3.2 pour l'interrupteur de dérivation 6. Le contact mobile 20 s'étend en regard des électrodes fixes 21 et 22 et est porté par une poutre déformable agencée pour se déplacer, depuis une position écartée du contact mobile vis-à-vis des électrodes jusqu'à une posi- tion d'application du contact mobile 20 contre les électrodes, sous l'effet d'une force électrostatique engendrée par une tension électrique présente dans l'entrée de commande, soit la tension de 200 Volts pour l'interrupteur de commande 7 et la tension u pour l'interrupteur de dérivation 6. Le contact mobile est de préférence en or épais (épaisseur supérieur ou égale à lpm) sur du nickel (épaisseur supérieur ou égale à 3pm). On comprend qu'en l'absence d'un signal de foudre sur la ligne directe 4, les interrupteurs 6, 7 sont ou- verts et les signaux en provenance du capteur S sont acheminés via la ligne directe 4 à l'équipement de traitement T. Lorsqu'un signal de foudre est transmis à la ligne directe 4, l'interrupteur de commande 7 se ferme et entraîne la fermeture de l'interrupteur de dérivation 6, fermeture maintenue pendant une seconde environ. Le signal de foudre est alors évacué par la ligne de dérivation jusqu'à la masse M. Il est avantageux que le circuit de commande de l'interrupteur de dérivation 6 soit le plus rapide possible devant la période du signal de fou- dre (- 0.1 ps) et il importe que la résistance en entrée de l'équipement de traitement T soit grande devant la résistance de la ligne de dérivation (le rapport est par exemple de 1 000 000). Dans le cas des interrupteurs 6 et 7, la technologie de fabrication et les matériaux retenus doivent donc permettre une prise en compte de l'agression beaucoup plus rapidement que le signal de foudre lui-même (au moins 100 fois plus rapide que la période d'agression). Ce besoin est donc en phase avec les carac- téristiques des interrupteurs décrits ici. Le composant 1 de l'invention comprend en outre un circuit, schématisé en 12, de détection d'un état de fonctionnement du circuit de dérivation 5. Le circuit de détection 12 comprend des moyens, connus en eux-mêmes, de vérification d'une fermeture cor- recte des interrupteurs 6, 7 et d'un écoulement des charges dans les interrupteurs 6, 7 dans leur état fermé à haute tension et basse tension respectivement. Le dispositif de détection comprend une liaison d'entrée / sortie 13 reliée à l'équipement de traitement T à protéger. Le circuit de détection 12 est mis en fonctionnement à la suite d'une requête envoyée au circuit de détection 12 par l'équipement de traitement T via la liaison d'entrée / sortie 13. Le circuit de détection 12 est agencé pour s'isoler alors de l'équipement de traitement T et procéder aux vérifications de fermeture et de conduction. Ces vérifications effectuées, le circuit de détection 12 se reconnecte à l'équipement de traitement T et envoie à ce dernier un signal représentatif de l'état de fonctionnement des interrupteurs 6, 7. Le circuit de détection 12 comprend ici : - un générateur de courant continu jusqu'à 1A, - un générateur de haute tension, et - un convertisseur alternatif/ continu pour mesurer la présence de la tension U et la valeur de la résistance de l'interrupteur 6. Le générateur de tension permet d'actionner lors de son contrôle l'interrupteur 7. La vérification de bon fonctionnement se fait en vérifiant que la tension U est bien mesurée en aval de l'interrupteur 7 lorsqu'il est fermé. Ce générateur réglable est conçu simplement à partir de transistors, de diodes et de composants passifs. Il va permettre de mesurer la variation du seuil de déclenchement de 7 en fonction du temps, ce qui permettra au système de contrôler l'état de santé de celui-ci. Le générateur de courant va permettre de faire une mesure de la résistance à l'état passant de l'interrupteur 6 (Ron). L'isolement à l'état ouvert de celui-ci sera vérifié par le biais d'une fraction du gé- nérateur haute tension décrit précédemment. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, il est possible d'utiliser d'autres types d'interrupteur et notamment, comme représenté à la figure 5, un interrupteur comprenant deux électrodes 31, 32 séparées l'une de l'autre par un isolant électrique, tel qu'un mélange de gaz contenu dans un espace libre 33 s'étendant entre les électrodes 31, 32, et reliées chacune à un tronçon de la ligne à interrompre de telle manière que l'interrupteur soit fermé sous l'effet d'un claquage (avalanche) résultant d'une mise sous tension supérieure à un seuil prédéterminé compris entre une tension d'alimentation nominale de l'équipement et une tension de foudre. Au moins une des électrodes a de préférence un facies spécifique et contrôlé en rugosité, et une finition comprenant notamment du nickel épais (épaisseur supérieure ou égale à 3pm), de l'or (épaisseur supérieure ou égale à 1 pm). L'isolant est ici un gaz qui peut être de l'argon, de l'air ou toute autre composition de ceux-ci. Dans le cas de l'interrupteur 7, le dimensionne- ment de la haute tension de déclenchement s'exprime de la manière suivante : Vb = [h * p * d]/[Ln (A * p * d) - Ln (Ln (1 + 1 /5se))] avec Vb : barrière de potentiel a, b : constantes dépendant du gaz P : pression de gaz dans la cavité d : distances inter-électrodes 5se : coefficient d'émission électrique (nature des surfaces) A partir des courbes de Paschen, on constate qu'il est possible d'atteindre des niveaux de claquages assez bas pour un produit P * d de l'ordre de 5E-3 à 1E-4 bars.cm, ce qui est compatible du domaine des MEMS. Par ailleurs, les niveaux minimums peuvent évoluer de 326 V dans l'air à 195 V dans l'argon et 95 V dans l'argon dopé sodium. Enfin la technologie des MEMS permet de modifier les états de surfaces des électrodes afin de moduler à la baisse les tensions de claquage. Dans un isolant classique solide, le simple fait de claquer entraîne rapidement l'endommagement de celui- ci (décharges partielles) et à terme une rupture totale de la barrière. L'avantage avec les gaz est que le phénomène d'avalanche est totalement réversible à volonté, avec la reformation de la barrière (auto-régénération) Des moyens de pilotage de l'interrupteur de déri- vation autres que l'interrupteur de commande sont envisa- geables. Le circuit de commande peut être différent de celui décrit. REVENDICATIONS1. Composant de protection contre la foudre, comprenant au moins une entrée principale (2.1) susceptible de transmettre un signal de foudre, au moins une sortie principale (3.1) destinée à être reliée à un équipement (T) à protéger du signal de foudre, une sortie dérivée (3.2) destinée à être reliée à un circuit dissipateur (M), une ligne directe (4) reliant l'entrée principale à la sortie principale, un circuit de dérivation (5) qui est monté entre la ligne directe et la sortie dérivée et qui est pourvu d'au moins un interrupteur de dérivation (6) ayant un état ouvert dans lequel la sortie dérivée est isolée de la ligne directe et un état fermé de conduction du signal de foudre depuis la ligne directe vers la sortie dérivée. 2. Composant selon la revendication 1, comprenant un circuit de détection (12) d'un état de fonctionnement du circuit de dérivation (5), le circuit de détection comprenant des moyens de vérification d'une fermeture correcte de l'interrupteur de dérivation (6) et d'un écoulement des charges dans l'interrupteur de dérivation (6). 3. Composant selon la revendication 1, dans le- quel le circuit de détection (12) comprend une liaison d'entrée/sortie (13) destinée à être reliée à l'équipement (T) à protéger. 4. Composant selon la revendication 1, dans lequel le circuit de dérivation (5) comprend une ligne de commande qui s'étend entre une entrée secondaire (2.2) destinée à être reliée à une source de basse tension (u) et une entrée de commande de l'interrupteur de dérivation (6) et qui est pourvue d'un interrupteur de commande (7) ayant une entrée de commande à haute tension reliée à la ligne directe (4). 5. Composant selon la revendication 4, dans lequel l'interrupteur de commande (7) est relié à l'entrée de commande de l'interrupteur de dérivation (6) via un circuit de temporisation (8) agencé pour fermer l'interrupteur de dérivation pendant un temps prédétermi- né. 6. Composant selon la revendication 1, dans lequel au moins l'un des interrupteurs (6, 7) est un micro-système électromécanique enfermé dans une cavité avec un gaz à pression constante et contrôlée. 7. Composant selon la revendication 6, dans lequel le microsystème électromécanique comprend un contact mobile (20) formant l'entrée de commande et deux électrodes fixes (21, 22), le contact mobile étant agencé pour se déplacer, depuis une position écartée des électrodes jusqu'à une position au contact des électrodes, sous l'effet d'une force électrostatique engendrée par une tension électrique présente dans l'entrée de commande. 8. Composant selon la revendication 1, dans le- quel l'interrupteur (6, 7) comprend deux électrodes sépa- rées l'une de l'autre par un isolant électrique de telle manière que l'interrupteur soit fermé sous l'effet d'un claquage résultant d'une mise sous tension supérieure à un seuil prédéterminé compris entre une tension d'alimentation nominale de l'équipement et une tension de foudre. 9. Composant selon la revendication 8, dans lequel l'isolant est un gaz qui peut être de l'argon, de l'air ou toute autre composition de ceux-ci.