Brevet FR3005506A1 — publié le 20141114

Circuit de mesure de puissance analogique DESCRIPTION DE L'INVENTION ABREGE Ces circuits sont destinés à réaliser des mesures de puissance d'entrée ou de sortie de circuits de puissance tels que, par exemple, des régulateurs commutés (convertisseurs de-de boost, boost signifiant élévateur de tension, convertisseurs de-de buck, buck signifiant abaisseur de tension, ou convertisseurs de-de buck-boost, buck-boost signifiant abaisseur ou élévateur de tension), des régulateurs de tension linéaires (LDO), des amplificateurs audio (classe-D, classe-AB), des régulateurs pour panneaux solaires photovoltaïques (MPPT - Maximum power point tracker, signifiant suivi du point de puissance maximal), des chargeurs de batteries. Ces circuits sont traditionnellement réalisés par deux convertisseurs analogique-digital (ADC), dont l'un mesure la tension de l'alimentation et l'autre mesure le courant d'alimentation, et d'un microcontrôleur qui multiple les deux codes digitaux de sortie des ADC pour obtenir une mesure de la puissance d'alimentation. Ces nouveaux circuits effectuent les mesures des tensions et des courants, ainsi que leur multiplication, afin d'obtenir la puissance avec des circuits analogiques, c'est-à-dire sans utiliser d'ADC ni de microcontrôleur. Ces nouveaux circuits sont alors autonomes, et mieux optimisés que les circuits traditionnels en termes de courant de consommation et en termes de surface, pour les types d'application cités précédemment. DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION Avec cette l'invention, les circuits présentés se rapportent généralement aux circuits implémentés sur une seule puce (dites Embedded, signifiant embarqués) 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 dits power-management (signifiant circuits de gestion de la puissance) sur une seule puce (dite Embedded power-management) qui nécessitent une mesure de leur puissance d'entrée ou de leur puissance de sortie, tels que les circuits de gestion de la puissance, les circuits de charge de batterie, et les circuits d'optimisation de rendement des panneaux solaires photovoltaïques. La description qui suit fait référence à ces champs d'application pour des facilités d'illustration uniquement. Ces circuits sont destinés à réaliser des mesures de puissance d'entrée ou de sortie de circuits de puissance tels que, par exemple, des régulateurs commutés (convertisseurs de-de boost, buck ou buck-boost), des régulateurs de tension linéaires (LDO), des amplificateurs audio (classe-D, classe-AB), des régulateurs pour panffliaux solaires photovoltaïques (MPPT - Maximum power point tracker), des chargeurs de hatteries. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Un problème majeur rencontré dans les régulateurs commutés (convertisseurs de-de boost, buck ou buck-boost), les régulateurs de tension linéaires (LDO, signifiant faible tension de chute), les amplificateurs audio (classe-D, classe- AB), les régulateurs pour panneaux solaires photovoltaïques (MPPT - Maximum power point tracker), et les chargeurs de batteries, concerne l'optimisation du rendement en puissance. Pour optimiser leur rendement en puissance, ces circuits nécessitent un circuit de mesure de puissance. Ces circuits sont traditionnellement réalisés par deux convertisseurs analogique-digital (ADC), dont l'un mesure' tif tension de l'alimentation et l'autre mesure le courant d'alimentation, et d'un microcontrôleur qui multiple les deux - 2 - codes digitaux de sortie des ADC pour obtenir une mesure de la puissance d'alimentation. Ces nouveaux circuits effectuent les mesures des tensions et des courants, ainsi que leur multiplication, afin d'obtenir la puissance avec des circuits analogiques, c'est-à-dire sans utiliser d'ADC ni de microcontrôleur. Ces nouveaux circuits sont alors autonomes, et mieux optimisés que les circuits traditionnels en termes de courant de consommation et en termes de surface, pour les types d'application cités précédemment. DESCRIPTION BREVE DE L'INVENTION Ces circuits analogiques sont destinés à réaliser des mesures de puissance d'entrée ou de sortie de circuits de puissance tels que, par exemple, des régulateurs commutés (convertisseurs de-de boost, buck ou buck-boost), des 10 régulateurs de tension linéaires (LDO), des amplificateurs audio (classe-D, classe-AB), des régulateurs pour panneaux solaires photovoltaïques (MPPT - Maximum power point tracker), des chargeurs de batteries. BREVE PRESENTATION DES FIGURES Les figures d'accompagnement, qui sont incorporées dans ce brevet, illustrent une ou plusieurs implémentations de 15 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 mesure de puissance analogique à base de nmos. 20 La figure 2 (FIG. 2) est un schéma électrique du nouveau circuit de mesure de puissance analogique à base de pmos. La figure 3 (FIG. 3) est un schéma électrique d'application du nouveau circuit de mesure de puissance analogique, dans un convertisseur DC-DC boost (Régulateur élévateur de tension). 25 La figure 4 (FIG. 4) est un schéma électrique d'application du nouveau circuit de mesure de puissance analogique, dans un convertisseur DC-DC buck (Régulateur abaisseur de tension). La figure 5 (FIG. 5) est un schéma électrique d'application du nouveau circuit de mesure de puissance analogique, dans un régulateur linéaire de tension (LDO). 30 La figure 6 (FIG. 6) est un schéma électrique d'application du nouveau circuit de mesure de puissance analogique, dans un amplificateur audio (classe-D ou classe-AB). DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 35 Ces circuits analogiques sont destinés à réaliser des mesures de puissance d'entrée ou de sortie de circuits de puissance tels que, par exemple, des régulateurs commutés (convertisseurs de-de boost, buck ou buck-boost), des régulateurs de tension linéaires (LDO), des amplificateurs audio (classe-D, classe-AB), des régulateurs pour panneaux solaires photovoltaïques (MPPT - Maximum power point tracker), des chargeurs de batteries. Ceux qui ont de la compétence dans ce domaine à l'état de l'art se rendront compte que la description détaillée qui 40 suit de la présente invention est d'illustration seuletnent et n'est pas limitative de quelque façon. D'autres modes de - 3 - 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 mesure de puissance analogique à base de nmos. La tension d'entrée à mesurer est dénommée VIN. Le courant d'entrée à mesurer est dénommé TIN. Le but de ce circuit analogique est de générer un courant de sortie TOUT qui est proportionnel au produit de la tension d'entrée VIN et du courant d'entrée TIN. Le circuit est constitué d'une résistance RS (3) (résistance de petite valeur) qui convertit le courant d'entrée IIN en une tension VMEASI (d'une valeur de quelques centaines de millivolts): VMEASI=IIN*RS. Un pont diviseur résistif R1 (1) et R2 (2) génère une tension VINDIV qui est proportionnelle à la tension d'entrée VIN : VINDIV=VIN*[R2/(R1+R2)] Deux sources de courant identiques TB1 (5) et IB2 (6) traversent un transistor nmos MN3 (4) monté en diode. Ainsi, les courants TB1 (5) et IB2 (6) ne partent pas dans les résistances R1 (1) et R2 (2), ce qui ne change pas la valeur de tension VINDIV. Le transistor nmos MN3 (4) est monté en diode, et la tension VMEASV (d'une valeur de plusieurs volts) générée est : VMEASV= VINDIV+Vtn, où Vtn est la tension de seuil d'un transistor nmos. La tension VMEASV est connectée à la grille d'un transistor nmos MN1 (8) qui délivre le courant de sortie IOUT du circuit. , Un transistor MN2 (9) est connecté en série au transistor MN1 (8), et est piloté par un amplificateur différentiel de tension (7). Cet amplificateur différentiel de tension (7) asservit la tension du drain VD de MN1 (8) à la tension VMEASI : VD=VMEASI. Etant donné que la tension VMEASV est relativement grande (d'une valeur de plusieurs volts) et que la tension VMEASI est relativement faible (d'une valeur de quelques centaines de millivolts), le transistor nmos MN1 (8) est en zone linéaire : Vds(MN1) = VD = VMEASI (valeur de quelques centaines de millivolts) Vdsat(MN1) = Vgs(MN1)-Vtn = VMEASV-Vtn (valeur de plusieurs volts) D'où Vds(MN1) La figure 2 (FIG. 2) est un schéma électrique du nouveau circuit de mesure de puissance analogique à base de pmos. La tension d'entrée à mesurer est dénommée VIN. Le courant d'entrée à mesurer est dénommé TIN. Le but de ce circuit analogique est de générer un courant de sortie IOUT qui est proportionnel au produit de la tension d'entrée VIN et du courant d'entrée IIN. Le circuit est constitué d'une résistance RS (13) (résistance de petite valeur) qui convertit le courant d'entrée TIN en une tension différentielle VIN-VMEASI (d'une valeur de quelques centaines de millivolts): VIN-VMEASI=IIN*RS. Un pont diviseur résistif RI (11) et R2 (12) génère une tension VINDIV qui est proportionnelle à la tension d'entrée VIN : V1NDIV=VIN*[R2/(R1+R2)] Deux sources de courant identiques IB1 (15) et IB2 (16) traversent un transistor pmos MP3 (14) monté en &aie. Ainsi, les courants IB I (15) et IB2 (16) ne partent pas dans les résistances R1 (11) et R2 (12), ce qui ne change pas la valeur de tension VINDIV. Le transistor pmos MP3 (14) est monté en diode, et la tension différentielle VIN-VMEASV (d'une valeur de plusieurs volts) générée est : VIN-VMEASV= (VIN-[VINDIV-Vtp])=VIN-VINDIV+Vtp, où Vtp est la tension de seuil d'un transistor praos. - 5 - La tension VMEASV est connectée à la grille d'un transistor pmos MP1 (18) qui délivre le courant de sortie TOUT du circuit. Un transistor MP2 (19) est connecté en série au transistor MP1 (18), et est piloté par un amplificateur différentiel de tension (17). Cet amplificateur différentiel de tension (17) asservit la tension du drain VD de MP1 (18) à la tension 5 VMEASI : VD=VMEASI. Etant donné que la tension différentielle VIN-VMEASV est relativement grande (d'une valeur de plusieurs volts) et que la tension différentielle VIN-VMEASI est relativement faible (d'une valeur de quelques centaines de millivolts), le transistor pmos MP1 (18) est en zone linéaire : Vsd(MP1) = VIN-VD = VIN-VMEASI (valeur de quelques centaines de millivolts) 10 Vdsat(MP1) = Vsg(MP1)-Vtp = (VIN-VMEASV)-Vtp (valeur de plusieurs volts) D'où Vsd(MP I) Le circuit (21) fait référence au circuit de ja figure 1,,(FIQ 1). La résistance R1 (22) convertit le courant de sortie IOUT du circuit (21) en une tension VPOWER qui est proportionnelle à la puissance d'entrée du circuit VDD*IVDD. Le circuit (23) est le convertisseur DC-DC boost qui génère une tension de sortie VOUT, dont le courant de masse (IVDD) est proportionnel au courant de l'alimentation VDD. L'inductance Li (24) et la capacité Cl (25) sont les composants externes du convertisseur DC-DC boost. - La figure 4 (FIG. 4) est un schéma électrique d'application du nouveau circuit de mesure de puissance analogique, dans un convertisseur DC-DC buck (Régulateur abaisseur de tension). Le circuit (31) fait référence au circuit de la figure 2 (FIG 2). La résistance RI (32) convertit le courant de sortie TOUT du circuit (31) en une tension VPOWER qui est proportionnelle à la puissance d'entrée du circuit VDD*IVDD. Le circuit (33) est le convertisseur DC-DC buck qui génère une tension de sortie VOUT, dont le courant d'alimentation est IVDD. L'inductance Li (34) et la capacité Cl (35) sont les composants externes du convertisseur DC-DC buck. - La figure 5 (FIG. 5) est un schéma électrique d'application du nouveau circuit de mesure de puissance analogique, dans un régulateur linéaire de tension (LDO). Le circuit (41) fait référence au circuit de la figure 2 (FIG 2). La résistance RI (42) convertit le courant de sortie TOUT du circuit (41) en une tension VPOWER qui est proportionnelle à la puissance d'entrée du circuit VDD*IVDD. Le circuit (43) est le régulateur linéaire de tension (LDO) qui génère une tension de sortie VOUT, dont le courant d'alimentation est IVDD. La capacité Cl (45) est un composant externe du régulateur linéaire de tension (LDO). - La figure 6 (FIG. 6) est un schéma électrique d'application du nouveau circuit de mesure de puissance analogique, dans un amplificateur audio (classe-D ou classe-AB). Le circuit (51) fait référé-nee au circuit de la figure 2 (FIG 2). La résistance R1 (52) convertit le courant de sortie TOUT du circuit (51) en une tension VPOWER qui est proportionnelle à la puissance d'entrée du circuit VDD*IVDD. Le circuit (53) est l'amplificateur audio (classe-D ou classe-AB) qui génère une tension de sortie différentielle VOUT, dont le courant d'alimentation est IVDD. REVENDICATIONS1. Circuit de mesure de puissance analogique, caractérisé en qu'il délivre un courant de sortie qui est proportionnel au produit de la tension d'entrée et du courant d'entrée, et en ce qu'il comporte : - une résistance RS (3), d-ont la borne positive est connectée à l'entrée en courant TIN, et dont la borne négative est connectée à la masse - une résistance R1 (1), dont la borne positive est connectée à l'entrée en tension VIN - une résistance R2 (2), dont la borne positive est connectée à la borne négative de la résistance RI (1), et dont la borne négative est connectée à la masse - un transistor nmos MN3 (4), dont la grille est connectée à son drain, et dont la source est connectée à la borne positive de la résistance R2 (2) - une source de courant IB1 (5), dont la borne négative est connectée au drain du transistor nmos MN3 (4) - une source de courant IB2 (6), dont la borne positive est connectée à la source du transistor nmos MN3 (4) - un transistor nmos MN1 (8), dont la source est connectée à ma masse, et dont la grille est connectée au drain du transistor nmos MN3 (4) - un transistor nmos MN2 (9), dont la source est connectée au drain du transistor nmos MN1 (8), et dont le drain est connecté à la sortie en courant IOUT du circuit - un amplificateur différentiel de tension (7), dont l'entrée positive est connectée à la borne positive de la résistance RS (3), dont l'entrée négative est connectée au drain du transistor nmos MN1 (8), et dont la sortie est connectée à la grille du transistor nmos MN2 (9) 2. Circuit de mesure de puissance analogique, caractérisé en qu'il délivre un courant de sortie qui est proportionnel au produit de la tension d'entrée et du courant d'entrée, et en ce qu'il comporte : - une résistance RS (13), dont la borne négative est connectée à l'entrée en courant TIN, et dont la borne positive est connectée à l'entrée en tension VIN - une résistance R1 (11), dont la borne positive est connectée à l'entrée en tension VIN - une résistance R2 (12), dont la borne positive est connectée à la borne négative de la résistance R1 (11), et dont la borne négative est connectée à la masse - un transistor pmos MP3 (14), dont la grille est connectée à son drain, et dont la source est connectée à la borne positive de la résistance R2 (12) - une source de courant TB] ( I 5), dont la borne positive est connectée au drain du transistor pmos MP3 (14) - une source de courant IB6 (16), dont la borne négative est connectée à la source du transistor pmos MP3 (14) - un transistor pmos MP I (18), dont la source est connectée à l'entrée en tension VIN, et dont la grille est connectée au drain du transistor pmos MP3 (14) - un transistor pmos MP2 (19), dont la source est connectée au drain du transistor pmos MP1 (18), et dont le drain est connecté à la sortie en courant TOUT du circuit - un amplificateur différentiel de tension (17), dont l'entrée positive est connectée à la borne négative de la résistance RS (13), dont l'entrée négative est connectée au drain du transistor praos MP1 (18), et dont la sortie est connectée à la grille du transistor pmos MP2 (19)40