Brevet FR3018648A1 — publié le 20150918

B13102 - 13-GR2-0990 1 CIRCUIT ADAPTÉ À METTRE EN OEUVRE UNE FONCTION DE DIODE Domaine La présente demande concerne les circuits électroniques de façon générale, et vise plus particulièrement un circuit actif adapté à mettre en oeuvre une fonction de diode. Exposé de l'art antérieur La figure 1 représente un schéma électronique d'un circuit 1 adapté à mettre en oeuvre une fonction de diode, c'est-à-dire adapté à laisser passer un courant entre une première borne A du circuit et une seconde borne K du circuit lorsque la tension entre les bornes A et K est positive, et à bloquer le passage du courant entre les bornes A et K lorsque la tension entre les bornes A et K est négative. Un tel circuit peut par exemple être utilisé dans un système dans lequel une batterie secondaire est rechargée à partir d'une batterie primaire, pour éviter, en fin de charge, que la batterie secondaire ne se décharge dans la batterie primaire. Le circuit 1 de la figure 1 comprend, connecté entre les bornes A et K, un interrupteur 3 présentant une résistance interne ron à l'état passant. Le circuit 1 comprend en outre un amplificateur opérationnel 5 monté en comparateur de tension, dont une entrée positive est connectée à la borne A, une entrée B13102 - 13-GR2-0990 2 négative est connectée à la borne K et une sortie est connectée à un noeud de commande de l'interrupteur 3. Le fonctionnement du circuit 1 est le suivant. Lorsque la tension entre les bornes A et K est supérieure à 0 V, la 5 sortie du comparateur 5 est à un niveau entrainant la fermeture de l'interrupteur 3, et lorsque la tension entre les bornes A et K est inférieure à 0 V, la sortie du comparateur 5 est à un niveau entrainant l'ouverture de l'interrupteur 3. Ainsi lorsque la tension entre les bornes A et K est positive, le circuit 1 10 permet le passage d'un courant entre les bornes A et K, et lorsque la tension entre les bornes A et K est négative, le circuit 1 bloque le passage du courant entre les bornes A et K. La figure 2 est un diagramme représentant la caractéristique courant-tension idéale visée du circuit 1 de la 15 figure 1. L'axe des abscisses représente la tension V entre les bornes A et K et l'axe des ordonnées représente le courant I entre les bornes A et K. On considère dans cet exemple que l'amplificateur opérationnel est idéal, c'est-à-dire qu'il permet de commander la fermeture de l'interrupteur 3 dès 20 l'instant où la tension V devient supérieure à 0 V, et l'ouverture de l'interrupteur 3 dès l'instant où la tension V devient inférieure à 0 V. Lorsque la tension V est négative, l'interrupteur 3 est ouvert, et le courant I est nul. Lorsque la tension V est positive, l'interrupteur 3 est fermé, et le 25 courant I est déterminé par la relation de proportionnalité I = V/ron- Toutefois, en pratique, un comparateur n'est jamais idéal, et présente inévitablement une tension d'offset Vos entre son entrée positive et son entrée négative. Il en résulte que la 30 tension V entre les bornes A et K est en fait comparée non pas à zéro, mais à la valeur de la tension d'offset Vos, ce qui entraine un décalage indésirable du seuil de commutation du circuit 1. On notera que la tension d'offset Vos est une caractéristique qui, pour un type de comparateur donné, peut 35 varier en fonction des dispersions de fabrication. B13102 - 13-GR2-0990 3 La figure 3 est un diagramme représentant la caractéristique courant-tension réelle du circuit 1 de la figure 1 dans deux cas défavorables. Plus particulièrement, la figure 3 comprend une courbe Cl, en trait interrompu, représentant la 5 caractéristique courant-tension du circuit 1 dans le cas où l'amplificateur opérationnel 5 présente une tension d'offset Vos = Vos (min) négative, par exemple égale à -5 mV, et une courbe C2, en trait plein, représentant la caractéristique courant-tension du circuit 1 dans le cas où l'amplificateur 10 opérationnel 5 présente une tension d'offset Vos = Vos(max) positive, par exemple égale à 5 mV. Dans le premier cas (courbe Cl), l'interrupteur 3 commute lorsque la tension V atteint le seuil Vos(min), et un courant négatif indésirable peut alors circuler entre les bornes A os(min) = Vos(min)/ron 15 et K. Dans le second cas (courbe C2), l'interrupteur 3 commute lorsque la tension V atteint le seuil Vos(min). A l'ouverture du dispositif, la conduction est alors interrompue alors qu'un courant positif Ios (max) = Vos(max) /ron circule encore entre les bornes A et K. Ceci peut notamment entrainer une oscillation 20 indésirable de l'interrupteur. Ce décalage du seuil de commutation par rapport au seuil visé de 0 V peut poser des problèmes de précision dans certaines applications. En substance, dans le cas d'une tension d'offset Vos négative, le circuit peut laisser circuler un 25 courant dans le mauvais sens lorsque la tension entre les bornes A et K est négative, et dans le cas d'une tension d'offset Vos positive, le circuit peut empêcher la circulation du courant entre les bornes A et K lorsque la tension entre les bornes A et K est positive. 30 A titre d'exemple illustratif, pour une résistance ron de 50 mQ et pour une tension d'offset de ± 5 mV, l'imprécision en courant du circuit est de ± 100 mA, ce qui est loin d'être négligeable. De plus, la fermeture brutale de l'interrupteur 3 35 lorsque la tension V n'est pas strictement nulle peut provoquer B13102 - 13-GR2-0990 4 des pics de courant. Dans le cas où l'interrupteur 3 est un transistor MOS, les problématiques d'injection de charge peuvent s'ajouter à ces pics de courant. Ceci peut poser des problèmes de compatibilité électromagnétique avec des systèmes voisins. De plus, la circulation d'un courant I non négligeable entre les bornes A et K lorsque la tension V est négative (courbe Cl) peut causer des dysfonctionnements dans certaines applications. Pour pallier ces inconvénients, une solution consiste à tenter de réduire la tension d'offset du comparateur 5. Les solutions connues pour réduire la tension d'offset d'un comparateur peuvent toutefois poser d'autres difficultés. En outre, l'amélioration procurée reste insuffisante pour certaines applications. Il existe un besoin pour un circuit adapté à mettre en 15 oeuvre une fonction de diode, ce circuit palliant tout ou partie des inconvénients des circuits connus et permettant notamment de réaliser une fonction de diode précise. Résumé Ainsi, un mode de réalisation prévoit un circuit 20 comprenant : une pluralité de premiers interrupteurs connectés en parallèle entre une première borne et une seconde borne ; et un circuit de commande adapté à mettre en oeuvre les étapes suivantes à chaque période d'un signal d'horloge : comparer la tension entre les première et seconde bornes à une tension de 25 référence ; si la tension entre les première et seconde bornes est supérieure à la tension de référence, fermer l'un des premiers interrupteurs sans modifier l'état des autres interrupteurs ; et si la tension entre les première et seconde bornes est inférieure à la tension de référence, ouvrir l'un des 30 premiers interrupteurs sans modifier l'état des autres interrupteurs. Selon un mode de réalisation, le circuit de commande comprend un module de commande des premiers interrupteurs, et un premier comparateur. B13102 - 13-GR2-0990 Selon un mode de réalisation, le premier comparateur a une entrée négative connectée à un noeud d'application de la tension de référence, une entrée positive connectée à la première borne et une sortie connectée à une entrée du module de 5 commande. Selon un mode de réalisation, le circuit de commande comprend un deuxième interrupteur connecté en série avec une source de courant entre la première borne et un noeud d'application d'un potentiel de référence, et le premier comparateur a une entrée positive connectée à la première borne, une entrée négative connectée au point milieu de l'association en série du deuxième interrupteur et de la source de courant, et une sortie connectée à une entrée du module de commande. Selon un mode de réalisation, le deuxième interrupteur 15 est du même type que les premiers interrupteurs. Selon un mode de réalisation, le deuxième interrupteur est une image à échelle réduite de l'un des premiers interrupteurs. Selon un mode de réalisation, le circuit comprend en 20 outre un second comparateur dont une entrée négative est connectée à la seconde borne, une entrée positive est connectée à la première borne et une sortie est connectée à une entrée d'activation du circuit de commande. Selon un mode de réalisation, chaque comparateur 25 comprend un amplificateur opérationnel. Selon un mode de réalisation, chaque premier interrupteur comprend un transistor MOS. Selon un mode de réalisation, chaque premier interrupteur comprend deux transistors MOS connectés en série et 30 dont les grilles sont connectées. Brève description des dessins Ces 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 35 relation avec les figures jointes parmi lesquelles : B13102 - 13-GR2-0990 6 la figure 1, précédemment décrite, est un schéma électrique d'un exemple d'un circuit adapté à mettre en oeuvre une fonction de diode ; la figure 2, précédemment décrite, est un diagramme 5 représentant la caractéristique courant-tension idéale visée du circuit de la figure 1 ; la figure 3, précédemment décrite, est un diagramme représentant la caractéristique courant-tension réelle du circuit de la figure 1 ; 10 la figure 4 est un schéma électrique d'un exemple d'un mode de réalisation d'un circuit adapté à mettre en oeuvre une fonction de diode ; et la figure 5 est un schéma électrique illustrant plus en détail un exemple de réalisation du circuit de la figure 4. 15 Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. En outre, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de 20 réalisation décrits ont été détaillés. En particulier, les applications dans lesquelles peuvent être utilisés les circuits de diode décrits dans la présente demande n'ont pas été détaillées, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les applications usuelles d'un circuit adapté à mettre en 25 oeuvre une fonction de diode. La figure 4 est un schéma électrique d'un exemple d'un mode de réalisation d'un circuit 7 adapté à mettre en oeuvre une fonction de diode, c'est-à-dire adapté à laisser passer un courant entre une première borne (ou noeud) A du circuit et une 30 seconde borne (ou noeud) K du circuit lorsque la tension V entre les bornes A et K est positive, et à bloquer le passage du courant entre les bornes A et K lorsque la tension V entre les bornes A et K est négative. Le circuit 7 comprend une pluralité d'interrupteurs 35 SWi connectés en parallèle entre les bornes A et K, où i est un B13102 - 13-GR2-0990 7 nombre entier compris dans la plage allant de 1 à n et n est un nombre entier supérieur ou égal à 2, par exemple compris entre 2 et 30. Les interrupteurs SWi sont par exemple tous sensiblement identiques. Chaque interrupteur SWi présente une résistance interne Ron à l'état passant. A titre d'exemple, chaque interrupteur SWi peut être constitué d'un transistor MOS connecté entre les bornes A et K. A titre de variante, pour s'affranchir des effets indésirables liés aux diodes parasites des transistors MOS, chaque interrupteur SWi peut comprendre deux transistors MOS de même type connectés en série entre les bornes A et K, dont les grilles sont adaptées à recevoir un même signal de commande. D'autres types d'interrupteurs peuvent toutefois être utilisés. Le circuit 7 de la figure 4 comprend en outre un circuit 9 de commande des interrupteurs SWi, comprenant un comparateur 11 et un module 13 (CTRL) de commande des interrupteurs. Le comparateur 11, par exemple un amplificateur opérationnel monté en comparateur, a une entrée positive connectée à la borne A et une entrée négative adaptée à recevoir une tension de référence Vref- Dans cet exemple, la tension Vref est définie par rapport à une borne ou un noeud d'application d'un potentiel de référence GND, par exemple la masse, et la borne K est reliée à la borne GND. Le module de commande 13 comprend une pluralité de sorties Si, chaque sortie Si du circuit 13 étant connectée à un noeud de commande de l'interrupteur SWi de même rang. Le module de commande 13 comprend en outre une entrée reliée à la sortie du comparateur 11, et une entrée adaptée à recevoir un signal d'horloge CLK. Dans cet exemple, le circuit 7 comprend en outre un comparateur 15, par exemple un amplificateur opérationnel monté en comparateur, dont une entrée positive est connectée à la borne A, une entrée négative est connectée à la borne K, et une sortie est connectée à une entrée d'activation/désactivation du module de commande 13. Le comparateur 15 peut présenter une tension d'offset Vos. B13102 - 13-GR2-0990 8 Le fonctionnement du circuit 7 est le suivant. Lorsque la tension V entre les bornes A et K est supérieure à la tension d'offset Vos du comparateur 15, la sortie du comparateur 15 est à un niveau tel que le module de commande 13 est activé. Lorsque la tension V entre les bornes A et K est inférieure à la tension d'offset Vos, la sortie du comparateur 15 est à un niveau tel que le module de commande 13 est désactivé. Immédiatement après une activation, le module 13 est dans un état tel que l'interrupteur SW1 est commandé à l'état 10 fermé (passant), et tous les autres interrupteurs SWi sont commandés à l'état ouvert (bloqué). Lorsque le module 13 est actif, le module 13 scrute la sortie du comparateur 11 et, à chaque période du signal d'horloge CLK, commande en conséquence les interrupteurs SWi de 15 la façon suivante : si seul l'interrupteur SW1 est à l'état fermé, si le signal de sortie du comparateur 11 indique que la tension V est supérieure à la tension Vref, le module 13 commande la fermeture de l'interrupteur SW2 et maintient inchangées les commandes des 20 autres interrupteurs, sinon, le module 13 ne modifie pas la commande des interrupteurs ; si les interrupteurs SW1 et SW2 sont à l'état fermé et qu'au moins l'un des autres interrupteurs SWi est à l'état ouvert, si le signal de sortie du comparateur 11 indique que la 25 tension V est supérieure à la tension Vref, le module 13 commande la fermeture de l'interrupteur SWi+1, où j est le rang du dernier interrupteur SWi à avoir été fermé par le module 13, et maintient inchangées les commandes des autres interrupteurs, et si le signal de sortie du comparateur 11 indique que la 30 tension V est inférieure à la tension Vref, le module 13 commande l'ouverture de l'interrupteur SWi, et maintient inchangées les commandes des autres interrupteurs ; et si tous les interrupteurs SWi sont fermés, si le signal de sortie du comparateur 11 indique que la tension V est 35 supérieure à la tension Vref, aucune action n'est effectuée par B13102 - 13-GR2-0990 9 le module 13, et si le signal de sortie du comparateur 11 indique que la tension V est inférieure à la tension Vref, le module 13 commande l'ouverture de l'interrupteur SWn et maintient les interrupteurs SW1 et SWn_1 à l'état fermé. Ainsi le circuit de commande 9 commande les inter- rupteurs SWi de sorte que la tension V entre les bornes A et K reste toujours la plus proche possible de la tension de référence Vref- Le nombre d'interrupteurs SWi qui est rendu passant s'ajuste automatiquement, au rythme du signal d'horloge CLK, lorsque le courant circulant entre les bornes A et K varie, de façon à maintenir la tension V entre les bornes A et K proche de la tension Vref- A titre d'exemple, le module de commande 13 peut comprendre un microcontrôleur, un registre à décalage, ou tout 15 autre élément adapté à mettre en oeuvre le fonctionnement décrit ci-dessus. Pour une application donnée, la résistance interne Ron de chaque interrupteur SWi du circuit 7 est supérieure à la résistance interne ron de l'interrupteur 3 du circuit 1 de la 20 figure 1. A titre d'exemple, les interrupteurs SWi sont dimensionnés de sorte que, lorsque tous les interrupteurs SWi sont fermés, la valeur de la résistance entre les bornes A et K est sensiblement égale à la valeur de la résistance ron du circuit 1 de la figure 1. 25 Un avantage du circuit 7 est qu'à la commutation du circuit, la résistance entre les noeuds A et K est égale à la résistance interne de l'interrupteur SW1. L'imprécision en courant du circuit est alors définie par Ios = Vos/Ron, où Vos est la tension d'offset (en valeur absolue) du comparateur 11 30 et/ou 15. A titre d'exemple illustratif non limitatif, pour une résistance Ron de 1 S2 et pour une tension d'offset de ± 5 mV, l'imprécision en courant du circuit 7 est de ± 5 mA, ce qui est tout à fait acceptable pour de nombreuses applications. Un autre avantage du circuit 7 de la figure 4 est que 35 lors de la mise à l'état passant du circuit, les interrupteurs B13102 - 13-GR2-0990 10 SWi sont fermés l'un après l'autre, de manière séquentielle. Chaque interrupteur SWi ayant une résistance Ron relativement élevée par rapport à la résistance ron d'un circuit du type décrit en relation avec la figure 1, le pic de courant, 5 d'amplitude V/Ron, survenant à la commutation lorsque V est différent de 0 V, est beaucoup plus faible que le pic de courant, d'amplitude V/ron, qui surviendrait dans un circuit du type décrit en relation avec la figure 1. De plus, la commutation progressive des interrupteurs SWi évite certains 10 inconvénients liés aux phénomènes d'injection de charge. La figure 5 est un schéma électrique illustrant plus en détail une variante de réalisation du circuit 7 de la figure 4. Le circuit de la figure 5 présente des éléments en commun avec le circuit de la figure 4. Ces éléments ne seront pas 15 décrits à nouveau ci-après. Dans la suite, seules les différences entre les circuits des figures 4 et 5 seront détaillées. Le circuit de la figure 5 comprend un interrupteur SWref en série avec une source de courant continu 19 entre la 20 borne A et le noeud GND. L'entrée négative du comparateur 11 est reliée à un noeud B formant le point milieu de l'association en série de l'interrupteur SWref et de la source de courant 19. L'interrupteur SWref est connecté de façon à être constamment fermé. L'interrupteur SWref présente une résistance interne Rref 25 à l'état passant. L'interrupteur SWref est de préférence similaire ou identique aux interrupteurs SWi. A titre d'exemple l'interrupteur SWref est du même type et présente sensiblement les mêmes dimensions et donc la même résistance interne Rref que chacun des interrupteurs SWi. A titre de variante, l'inter- 30 rupteur SWref est une image à échelle réduite des interrupteurs SWi, et présente une résistance interne a*R on, où a est un coefficient supérieur à 1 et de préférence nettement supérieur à 1. La source de courant 19 est adaptée à fournir un courant de référence Iref constant. Une tension de référence Vref est alors 35 définie aux bornes de l'interrupteur SWref par la relation B13102 - 13-GR2-0990 11 Vref = Iref*Rref = Iref*ceRon, et le comparateur 11 commute lorsque la tension V -Vref change de signe. Un avantage du circuit 7 de la figure 5 est que les seuils de courant entrainant la commutation des différents 5 interrupteurs SWi sont peu dépendants de la température, et sont fixés par la valeur Iref du courant généré par la source 19. En particulier, lorsque les interrupteurs SWi et SWref sont du même type, les variations en température de leurs résistances internes sont sensiblement du même ordre. Ainsi pour un nombre 10 donné d'interrupteurs SWi à l'état passant, le rapport entre la résistance interne du circuit 7 entre les bornes A et K et la résistance interne Rref de l'interrupteur SWref reste sensiblement constant quelle que soit la température de fonctionnement du circuit. 15 A titre d'exemple non limitatif, le courant Iref fourni par la source 19 a une intensité comprise entre 100 nA et 10 pA, par exemple égale à 1 pA, et la tension de référence Vref est inférieure à 100 mV, par exemple égale à 25 mV. Un avantage des modes de réalisation décrits est 20 qu'ils permettent de réduire de façon significative l'imprécision en courant sans contrainte de précision supplémentaire pour les comparateurs par rapport à un circuit du type décrit en relation avec la figure 1. De plus, la commutation douce et progressive du circuit réduit de façon significative les appels 25 de courant et donc les risques de perturbations électromagnétiques par rapport à un circuit du type décrit en relation avec la figure 1. Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de 30 l'art. En particulier, on notera que le comparateur 15 des exemples des figures 4 et 5 est facultatif. En l'absence du comparateur 15, le module de commande 13 peut être activé en permanence, et décider seul de permettre ou non le passage d'un 35 courant entre les bornes A et K. Toutefois, la présence du B13102 - 13-GR2-0990 12 comparateur 15 présente l'avantage de permettre de désactiver le circuit 13 lorsque la tension V est inférieure à la tension Vos, et ainsi d'économiser de l'énergie lorsque le circuit 7 est à l'état ouvert. En outre, bien que dans les exemples de réalisation des figures 4 et 5, les comparateurs de tension soient des amplificateurs opérationnels montés en comparateur, d'autres types de comparateurs peuvent être utilisés. De plus, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas à l'exemple particulier de circuit de génération de la tension de référence Vref de la figure 5. Plus généralement, d'autres circuits de génération d'une tension de référence peuvent être utilisés. REVENDICATIONS1. Circuit (7) comprenant : une pluralité de premiers interrupteurs (SWi) connectés en parallèle entre une première borne (A) et une seconde borne (K) ; et un circuit de commande (9) adapté à mettre en oeuvre les étapes suivantes à chaque période d'un signal d'horloge (CLK) : comparer la tension (V) entre les première (A) et seconde (K) bornes à une tension de référence (Vref) ; si la tension (V) entre les première (A) et seconde (K) bornes est supérieure à la tension de référence (Vref), fermer l'un des premiers interrupteurs (SWi) sans modifier l'état des autres interrupteurs (SWi) ; et si la tension (V) entre les première (A) et seconde 15 (K) bornes est inférieure à la tension de référence (Vref), ouvrir l'un des premiers interrupteurs (SWi) sans modifier l'état des autres interrupteurs (swi). 2. Circuit (7) selon la revendication 1, dans lequel le circuit de commande (9) comprend un module de commande (13) 20 des premiers interrupteurs (SWi), et un premier comparateur (11). 3. Circuit (7) selon la revendication 2, dans lequel le premier comparateur (11) a une entrée négative connectée à un noeud d'application de la tension de référence (Vref), une 25 entrée positive connectée à la première borne (A) et une sortie connectée à une entrée du module de commande (13). 4. Circuit (7) selon la revendication 2, dans lequel le circuit de commande (9) comprend un deuxième interrupteur (SWref) connecté en série avec une source de courant (19) entre 30 la première borne (A) et un noeud d'application d'un potentiel de référence (GND), et dans lequel le premier comparateur (11) a une entrée positive connectée à la première borne (A), une entrée négative connectée au point milieu (B) de l'association en série du deuxième interrupteur (SWref) et de la source deB13102 - 13-GR2-0990 14 courant (19), et une sortie connectée à une entrée du module de commande (13). 5. Circuit (7) selon la revendication 4, dans lequel le deuxième interrupteur (SWref) est du même type que les 5 premiers interrupteurs (SWi). 6. Circuit (7) selon la revendication 4 ou 5, dans lequel le deuxième interrupteur (SWref) est une image à échelle réduite de l'un des premiers interrupteurs (SWi). 7. Circuit (7) selon l'une quelconque des revendi- 10 cations 1 à 6, comprenant en outre un second comparateur (15) dont une entrée négative est connectée à la seconde borne (K), une entrée positive est connectée à la première borne (A) et une sortie est connectée à une entrée d'activation du circuit de commande (9). 15 8. Circuit (7) selon la revendication 7, dans lequel chaque comparateur comprend un amplificateur opérationnel. 9. Circuit (7) selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 8, dans lequel chaque premier interrupteur (SWi) comprend un transistor MOS. 20 10. Circuit (7) selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 9, dans lequel chaque premier interrupteur (SWi) comprend deux transistors MOS connectés en série et dont les grilles sont connectées.