Brevet FR3001059A1 — publié le 20140718

- 1 - Régulateur de tension combiné avec un bandgap à faible courant de consommation DESCRIPTION DE L'INVENTION Ces circuits sont destinés à réaliser des régulateurs de tension de type bandgap (des régulateurs de tensions compensées en température, c'est-à-dire avec une faible variation en fonction de la température), avec un faible courant de consommation. Ce type d'application est traditionnellement réalisé par deux circuits indépendants, dont un premier circuit de type bandgap qui sert de référence de tension au second circuit de type régulateur de tension (LDO). Cette invention présente un circuit de type régulateur de tension (LDO) combiné avec un bandgap, dans le but de réduire le nombre de branches de polarisation, et de réduire ainsi le courant de consommation et la taille du circuit, comparativement aux circuits traditionnels. DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION Avec cette l'invention, les circuits présentés se rapportent généralement aux circuits implémentés sur une seule puce de circuits mixtes (digital et analogique), dans les nouvelles technologies (nano technologies) CMOS, et dans les technologies CMOS plus anciennes (et peu coûteuses). Plus spécifiquement mais non exclusivement, la révélation actuelle se rapporte aux circuits de gestion de la puissance sur une seule puce qui demandent des consommations de courants très faibles afm d'avoir une très grande autonomie de la batterie qui les alimente, et se rapporte plus particulièrement aux régulateurs de tension (LDO) et aux références de tension de type bandgap à très faible courant de consommation. La description qui suit fait référence à ces champs d'application pour des facilités d'illustration uniquement. Ces circuits sont destinés à réaliser des régulateurs de tension de type bandgap (des régulateurs de tensions compensées en température, c'est-à-dire avec une faible variation en fonction de la température), avec un faible courant de consommation (comparativement aux circuits traditionnels), en réduisant le nombre de branches de polarisation. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Un problème majeur rencontré en concevant de tels circuits concerne l'autonomie de la batterie qui alimente ces circuits, qui est directement liée au courant de consommation de ces circuits. Un autre problème concerne la taille de ces circuits, dont la tendance et la demande est d'être de plus en plus petite, afm qu'ils puissent être intégrés dans des produits industriels. De tels circuits sont traditionnellement réalisés par deux circuits totalement indépendants, dont un premier circuit de type bandgap qui sert de référence de tension au second circuit de type régulateur de tension (LDO - un régulateur de tension qui peut alimenter en tension fixe d'autres circuits et leur fournir un fort courant de charge). Cette invention présente un circuit de type régulateur de tension (LDO) combiné avec un circuit de type bandgap, dans le but de réduire le nombre de branches de polarisation, et ainsi de réduire le courant de consommation et de réduire la taille du circuit, comparativement à ces deux circuits traditionnels indépendants. DESCRIPTION BREVE DE L'INVENTION Ces circuits sont destinés à réaliser des régulateurs de tension de type bandgap (des régulateurs de tensions compensées en température, c'est-à-dire avec une faible variation en fonction de la température), avec un faible - 2 - courant de consommation (comparativement aux circuits traditionnels), en réduisant le nombre de branches de polarisation. Cette invention présente un circuit de type régulateur de tension (LDO) combiné avec un circuit de type bandgap, dans le but de réduire le nombre de branches de polarisation, et ainsi de réduire le courant de consommation et de réduire la taille du circuit, comparativement à l'utilisation conjointe d'un circuit de type bandgap et d'un circuit de type régulateur de tension, ces deux circuits étant totalement indépendants. BREVE PRESENTATION DES FIGURES Les figures d'accompagnement, qui sont incorporées dans ce brevet, illustrent une ou plusieurs implémentations de la présente invention et, associées avec la description détaillée, servent à expliquer les principes et les réalisations de l'invention. Dans les figures attachées: La figure 1 (FIG. 1) est un schéma électrique du nouveau circuit de régulateur de tension combiné avec un circuit de type bandgap, à faible courant de consommation. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Ces circuits sont destinés à réaliser des régulateurs de tension de type bandgap (des régulateurs de tensions compensées en température, c'est-à-dire avec une faible variation en fonction de la température), avec un faible courant de consommation et une taille réduite (comparativement aux circuits traditionnels), en réduisant le nombre de branches de polarisation. Ceux qui ont de la compétence dans ce domaine à l'état de l'art se rendront compte que la description détaillée qui suit de la présente invention est d'illustration seulement et n'est pas limitative de quelque façon. D'autres modes de réalisation de la présente invention se suggéreront aisément à de telles personnes bénéficiant des avantages de cette invention. Les références détaillent des réalisations de la présente invention, comme illustré dans les schémas joints. Le cas échéant, les mêmes indicateurs de référence seront employés dans tous les schémas et dans la description détaillée qui suit, pour se rapporter à la même chose ou aux pièces semblables. Dans un intérêt de clarté, tous les dispositifs courants des réalisations décrites ci-dessus ne sont pas montrés et décrits. Bien entendu, dans le développement de telles implémentations, de nombreuses décisions spécifiques devront être prise selon l'application et les contraintes liées au marché, étant donné que ces buts spécifiques varieront d'une exécution à l'autre et d'un réalisateur à l'autre. D'ailleurs, un tel effort de développement pourrait être complexe et long, mais néanmoins serait une entreprise courante de ceux qui ont de la compétence dans ce domaine à l'état de l'art. En se tournant maintenant vers les figures : - La figure 1 (FIG. 1) est un schéma électrique du nouveau circuit de régulateur de tension combiné avec un circuit de type bandgap, à faible courant de consommation. Le circuit est constitué de deux transistors bipolaires de type pnp (1) (2), de cinq résistances (3) (4) (5) (6) (7), d'un amplificateur différentiel de tension (8), et d'un transistor de puissance (9) qui fournit sous une tension fixe régulée (VOUT) le courant de charge demandé (ILOAD) par les circuits qu'il alimente. Ce circuit est alimenté par la tension (VDD) d'une batterie ou d'une autre source d'énergie. Les équations suivantes peuvent être écrites : - 3 - Nous dénommons VBE1 la tension différentielle entre l'émetteur et la base du transistor pnp Q1 (1), VBE2 la tension différentielle entre l'émetteur et la base du transistor pnp Q2 (2), IQ1 le courant d'émetteur du transistor pnp QI (1), IQ2 le courant d'émetteur du transistor pnp Q2 (2), N le rapport de surface des deux transistors bipolaires pnp Q2 (2) et Q1 (1) (Q2=N*Q1), Il le courant de la résistance R1 (3), 12 le courant de la résistance R2 (4), 13 le courant de la résistance R3 (5), 14 le courant de la résistance R4 (6), 15 le courant de la résistance R5 (7), IMOS le courant du transistor de puissance (9) de type pmos ou de type nmos, ILOAD le courant de charge du régulateur de tension (quelques uA ou quelques mA). L'amplificateur différentiel de tension (8) et le transistor de puissance (9) forment un asservissement, qui a pour état d'équilibre l'égalité (à un petit offset près) des deux tensions de l'entrée positive et de l'entrée négative de l'amplificateur différentiel de tension (8). Ainsi, à cet état d'équilibre, nous avons : 13=14 si R3=R4 11=12 si R1=R2 VBE1=VBE2+(R5*I5)=VBE2+(R5*IQ2) Et étant donné que IQ1=I1-I3 et IQ2=12-14, nous avons aussi IQ1=IQ2 Grâce à l'équation des bipolaires, étant donné que IQ1=1Q2, nous avons VBE1-VBE2=(k*T/q)*ln(N) où k est la constante de Boltzmann, T est la température absolue du circuit, et q est la charge électrique d'un électron. Et alors : IQ1=IQ2=(k*T/q)*ln(N)/R5 Le courant d'émetteur des bipolaires est dit PTAT (signifiant Proportionnel à la Température Absolue) étant donné qu'il est proportionnel à la température absolue du circuit (T). Nous pouvons aussi écrire : 13 =VBE 1/R3 I 1 =IQ 1 +13 = [(k*T/q)*ln(N)/R5HVBE 1/R3 ] VOUT=VBE1+(R1 *I1)={VBE1*[1+(R1/R3)]} + { (k*T/q)*ln(N)*R1/R5} Nous notons alors que VOUT est une tension de type bandgap (c'est-à-dire avec une faible variation en fonction de la température T), étant donné que VBE1 a un coefficient négatif en température (dépendant de la technologie utilisée), et en choisissant N et la valeur des résistances RI, R3 et R5 qui annule ce coefficient en température à la température ambiante du circuit, et qui donne la valeur souhaitée de la tension de sortie. Et VOUT est indépendant de ILOAD, et est ainsi une tension de sortie régulée, indépendamment du courant de charge demandé par les circuits qu'il alimente. Le courant du transistor de puissance (9) est : IMOS=ILOAD+Il+I2=ILOAD+(2*I1)=ILOAD+{[2*(k*T/q)*ln(N)/R5]+[2*VBEl/R3]} =ILOAD+IQ IQ=[2*(k*T/q)*ln(N)/R5H2*VBEl/R3] est le courant de repos (courant de consommation) du circuit (dans le cas où ILOAD=OmA), qui est très faible. Ce circuit est ainsi optimisé en courant de consommation, en minimisant le nombre de branche de polarisation. Ce circuit est aussi de taille réduite et optimisée Ce circuit comporte: - Un transistor de puissance (9) de type pmos ou de type nmos. Ce transistor de puissance (9) fournit le courant de charge du régulateur de tension, a sa source connectée à l'alimentation et son drain connectée à la sortie du régulateur dans le cas d'un pmos (9), ou a son drain connecté à l'alimentation et sa source connectée à la sortie du régulateur dans le cas d'un nmos (9). -4- - Un amplificateur de tension différentiel (8), qui a sa sortie connectée à la grille du transistor de puissance (9)- - Deux transistors bipolaires pnp (1) et (2). Ces transistors bipolaires pnp (1) et (2) ont un rapport de surface entre eux, et ont leur base et leur collecteur connectés à la masse. - Une résistance (7), qui a sa borne négative connectée à l'émetteur du transistor bipolaire pnp (2). - Deux résistances (5) et (6). La résistance (5) a sa borne négative connectée à la masse. La résistance (6) a sa borne négative connectée à la masse. La résistance (5) a sa borne positive connectée à l'émetteur du transistor bipolaire pnp (1) et à la première entrée de l'amplificateur de tension différentiel (8). La résistance (6) a sa borne positive connectée à la borne positive de la résistance (7) et à la seconde entrée de l'amplificateur de tension différentiel (8). - Deux résistances (3) et (4). La résistance (3) a sa borne négative connectée à la première entrée de l'amplificateur de tension différentiel (8). La résistance (4) a sa borne négative connectée à la seconde entrée de l'amplificateur de tension différentiel (8). Les résistances (3) et (4) ont leurs bornes positives connectées à la sortie du régulateur.15 REVENDICATIONS1. Régulateur de tension combiné avec un bandgap à faible courant de consommation, caractérisé en que ce circuit combine un circuit régulateur de tension avec un circuit de type bandgap afm de réduire son courant de consommation et sa taille comparativement aux circuits traditionnels qui sont fait de deux circuits totalement indépendants, caractérisé en ce qu'il délivre une tension de sortie régulée et avec une faible variation en fonction de la température du circuit, et en ce qu'il comporte : - Un transistor de puissance (9) de type pmos ou de type nmos, ledit transistor de puissance (9) fournit le courant de charge du régulateur de tension, ledit transistor de puissance (9) a sa source connectée à l'alimentation et son drain connectée à la sortie du régulateur dans le cas d'un pmos (9), ledit transistor de puissance (9) a son drain connecté à l'alimentation et sa source connectée à la sortie du régulateur dans le cas d'un nmos (9) - Un amplificateur de tension différentiel (8), ledit amplificateur de tension différentiel (8) a sa sortie connectée à la grille du transistor de puissance (9) - Deux transistors bipolaires pnp (1) et (2), lesdits transistors bipolaires pnp (1) et (2) ont un rapport de surface entre eux, lesdits transistors bipolaires pnp (1) et (2) ont leur base et leur collecteur connectés à la masse - Une résistance (7), ladite résistance (7) a sa borne négative connectée à l'émetteur du transistor bipolaire pnp (2) - Deux résistances (5) et (6), ladite résistance (5) a sa borne négative connectée à la masse, ladite résistance (6) a sa borne négative connectée à la masse, ladite résistance (5) a sa borne positive connectée à l'émetteur du transistor bipolaire pnp (1) et à la première entrée de l'amplificateur de tension différentiel (8), ladite résistance (6) a sa borne positive connectée à la borne positive de la résistance (7) et à la seconde entrée de l'amplificateur de tension différentiel (8) - Deux résistances (3) et (4), ladite résistance (3) a sa borne négative connectée à la première entrée de l'amplificateur de tension différentiel (8), ladite résistance (4) a sa borne négative connectée à la seconde entrée de l'amplificateur de tension différentiel (8), ladite résistance (3) a sa borne positive connectée à la sortie du régulateur, ladite résistance (4) a sa borne positive connectée à la sortie du régulateur