Brevet FR3059164A1 — publié le 20180525

La présente invention se rapporte de manière générale à des dispositifs électroniques embarqués. Elle concerne plus particulièrement la protection des entrées d'un calculateur électronique. L'invention trouve des applications, en particulier, dans l'industrie automobile. Elle peut être mise en oeuvre par exemple dans un calculateur de contrôle moteur. Un véhicule automobile comporte de nos jours de plus en plus d'électronique embarquée pour gérer différentes fonctions au sein du véhicule automobile. La gestion de ces différentes fonctions est généralement réalisée par des calculateurs électroniques. Ainsi, un véhicule automobile peut comporter plusieurs calculateurs électroniques, comme par exemple un calculateur électronique dédié à la gestion du freinage, un calculateur électronique dédié à la gestion de l'habitacle et un calculateur électronique dédié à la gestion du contrôle moteur. Le calculateur de contrôle moteur comporte de nombreux composants électroniques comme des mémoires, des microprocesseurs, des convertisseurs de signaux mais aussi des étages électroniques de puissance. Un étage électronique de puissance est aussi appelé « driver de sortie » et est adapté pour commander des charges comme des injecteurs, des vannes, des moteurs électriques mais aussi des capteurs. Avec l'augmentation des fonctions embarquées il y a peu ou plus de broches disponibles au niveau du calculateur électronique obligeant les constructeurs et les équipementiers à réfléchir à de nouvelles solutions technologies pour libérer des broches au niveau dudit calculateur électronique. La figure 1 illustre un capteur 2 de type source de tension (de l'art antérieur) couplé par exemple à un calculateur 4 de contrôle moteur. Le capteur 2 est par exemple un capteur dédié à la détection du positionnement d'un arbre à cames d'un moteur à combustion interne. Un tel capteur 2 comporte généralement trois broches avec une première broche 2_1 de capteur couplée par exemple à une première broche 4_1 de calculateur, une deuxième broche 2_2 de capteur couplée à une deuxième broche 4_2 de calculateur dédiée à la réception d'un signal représentatif de la position de l'arbre à cames, et enfin une troisième broche 2_3 de capteur couplée à une troisième broche 4_3 de calculateur qui est généralement couplée à une masse électrique du véhicule automobile. Malgré de bonnes performances le capteur 2 de type source de tension est de moins en moins utilisé car il occupe trois broches du calculateur 2 de contrôle moteur. La figure 2 présente un exemple de capteur 6 de type source de courant de l'art antérieur. Ce capteur 6 fonctionne et est couplé au calculateur 4 de contrôle moteur 3059164 2 avec seulement deux broches. Ainsi, pour des performances identiques à celles d'un capteur 2 de type source de tension une broche est libérée au niveau du calculateur 4 de contrôle moteur permettant ainsi un gain en câblage et en connectique. Le capteur 6 de type source de courant, dit aussi capteur deux fils, est 5 généralement utilisé pour du positionnement de vilebrequin ou du positionnement d'arbre à cames et est dans ce cas, appelé respectivement capteur « Crank » ou capteur « CAM ». Le capteur 6 de type source de courant délivre une information sous la forme d'un signal rectangulaire de type « courant » nécessitant une interface d'adaptation plus 10 complexe au niveau du calculateur 4 de contrôle moteur pour pouvoir détecter des niveaux de courant proches (provenant du capteur 6). En effet, il faut détecter des seuils de courant de faibles valeurs par exemple compris autour de 10mA. Pour ce faire il est utilisé une résistance 8 de « shunt ». Le dimensionnement de la résistance 8 de shunt est assez complexe. En 15 effet, sa valeur maximale est déterminée de telle sorte que la tension aux bornes du capteur 6 soit encore suffisante pour un bon fonctionnement de ce dernier (alimentation du capteur 6). En outre, sa valeur minimale est déterminée pour obtenir une précision suffisante de détection des seuils de courant, correspondant à l'écart entre la valeur de courant minimale et maximale. 20 Néanmoins, en cas de court-circuit à la tension batterie et quelle que soit la valeur maximale et/ou minimale de la résistance 8 de shunt, il faut que cette dernière supporte la puissance à dissiper. Pour des raisons d'encombrement mais aussi de coût il n'est pas possible de mettre une résistance 8 de shunt de forte puissance ce qui nécessite l'implantation d'une solution de protection active comme illustrée à la figure 2. 25 Cette protection active nécessite une détection de court-circuit ainsi qu'une action de protection de la résistance 8 de shunt par un microcontrôleur du calculateur 4 de contrôle moteur. Comme le sait l'homme de l'art, cette protection active repose sur un principe de surveillance par le microprocesseur du niveau de tension sur la résistance 8 de shunt. Ainsi, lorsqu'une surtension est détectée aux bornes de la résistance 8 de 30 shunt, le microcontrôleur active une autre broche du calculateur 4 de contrôle moteur pour isoler la résistance 8 de shunt du capteur 6 et surtout afin de protéger le calculateur 4 de contrôle moteur du court-circuit. Une telle solution de surveillance du capteur 6 (de type source de courant) par le calculateur 4 de contrôle moteur nécessite des ressources logicielles relativement 35 importantes. En effet, il est nécessaire de créer une routine correspondant au programme de surveillance de la broche du calculateur 4 de contrôle moteur reliée au capteur 6. En outre, cette routine présente un temps de réaction lors d'un court-circuit non négligeable 3059164 3 de l'ordre par exemple de 100 ms (1 ms = 10-3 s) pouvant parfois engendrer une destruction du calculateur 4 de contrôle moteur. Ainsi, malgré un tel dispositif de surveillance, il est nécessaire de dimensionner la résistance 8 de shunt en prenant en considération l'échauffement 5 maximal admissible par la résistance 8 de shunt pendant la réaction de la routine logicielle lors d'un court circuit à la tension batterie. Cette condition sur le dimensionnement de la résistance 8 de shunt demande des ressources matérielles relativement importantes notamment au niveau de la surface occupée par la résistance 8 de shunt sur la carte électronique du calculateur 4 de contrôle moteur. 10 La présente invention a alors pour but de fournir un dispositif de protection d'un calculateur électronique contre un court-circuit indépendamment de son fonctionnement permettant d'améliorer sa protection contre ledit court-circuit. À cet effet, la présente invention propose un dispositif de protection d'un calculateur électronique contre un court-circuit, le calculateur électronique comprenant 15 une première broche de calculateur, un capteur comprenant une première broche de capteur et une seconde broche de capteur, une résistance de shunt. Selon la présente invention le dispositif de protection comporte en outre un module de pilotage à transistors comprenant une première broche de pilotage couplée à une première broche de shunt, une seconde broche de pilotage couplée à une alimentation positive, une seconde broche 20 de shunt étant couplée d'une part à une première broche de capteur et d'autre part à une première broche de comparateur d'un module comparateur et en ce qu'il est adapté pour ne plus alimenter électriquement le capteur lorsqu'un court-circuit est détecté au niveau du capteur. Ainsi, le calculateur électronique est mieux protégé des courts-circuits pouvant 25 provenir du capteur. Dans un exemple de réalisation, le module de pilotage à transistors est un circuit intégré de type « high side driver » permettant de protéger le calculateur électronique contre un court-circuit batterie avec un temps réaction sensiblement amélioré par rapport aux dispositifs de l'art antérieur. 30 En variante, le module de pilotage à transistors est un circuit intégré de type « low side driver » permettant de protéger le calculateur électronique contre un court-circuit à la tension batterie. Afin de satisfaire les besoins en courant pour un bon fonctionnement du capteur, il est par exemple utilisé au moins un transistor. 35 Pour encore plus améliorer la sensibilité de détection d'un court-circuit du fait de la proximité entre les niveaux de courant aux bornes de la résistance de shunt, il est par exemple proposé que le module comparateur comporte en outre un circuit 3059164 4 comparateur adapté pour comparer une tension aux bornes d'au moins une broche de la résistance de shunt. Par exemple, le module comparateur est adapté pour délivrer sur sa seconde broche de comparateur un premier seuil de comparaison et un second seuil de 5 comparaison distant d'au moins 10mV. Afin d'améliorer la protection du calculateur de contrôle moteur, il est par exemple proposé que l'alimentation électrique du capteur est indépendante du fonctionnement d'un microcontrôleur du calculateur électronique. Dans un second aspect de l'invention il est proposé un calculateur 10 électronique avec au moins un dispositif de protection d'un calculateur électronique contre un court-circuit tel que proposé plus haut. Des détails et avantages de la présente invention apparaitront mieux dans la description qui suit, faite en référence au dessin schématique annexé sur lequel : - la figure 1 est un schéma fonctionnel partiel d'un calculateur de 15 contrôle moteur couplée à un capteur de type source de tension de l'art antérieur, la figure 2 est un schéma fonctionnel partiel d'une solution de protection contre un court-circuit d'un calculateur de contrôle moteur couplée à un capteur de type source de courant de l'art antérieur, 20 la figure 3 est un schéma fonctionnel partiel du dispositif de protection selon un exemple de réalisation de l'invention. Dans un souci de clarté de la description, seulement des éléments utiles à la compréhension de l'invention vont être présentés dans le texte ci-dessous. La figure 3 représente un schéma fonctionnel partiel d'un calculateur pouvant 25 être un calculateur 20 de contrôle moteur ou aussi nommé par l'homme de l'art ECU, de l'acronyme anglais « Engine Control Unit » couplé à un capteur 40. Le capteur 40 est par exemple un capteur d'arbre à cames ou un capteur de vilebrequin. Le capteur 40 est dans un mode de réalisation préféré de l'invention un capteur de type source de courant et comporte seulement deux fils ou broches. 30 Le capteur 40 présente une première broche de capteur 40_1 et une seconde broche de capteur 40_2. Par exemple, le capteur 40 est un capteur magnétique. La structure interne d'un tel capteur ne sera pas décrite ici car elle est bien connue de l'homme de l'art. Le capteur 40 délivre à travers ces deux broches une information sous la forme d'un courant. Ainsi, par exemple le signal délivré par le capteur 40 présente un 35 premier niveau de courant et un second niveau de courant. Le premier niveau de courant présente par exemple une valeur de 8mA (1mA = 0.001A) et le second niveau de courant 3059164 5 présente par exemple une valeur de 14mA. Ces valeurs sont données à titre purement illustratif et ne limitent pas la portée de l'invention. Le calculateur 20 de contrôle moteur est par exemple installé dans un véhicule automobile présentant un moteur combustion interne. Le calculateur 20 de 5 contrôle moteur représenté sur la figure 3 comporte entre autre, une première broche de calculateur 20_1 et une seconde broche de calculateur 20_2. Le calculateur 20 de contrôle moteur comporte en outre un microcontrôleur 60, un module de pilotage à transistors 80, une résistance de shunt 100 et un module comparateur 120. Afin de commander le capteur 40 la première broche de calculateur 20_1 est 10 couplée à la première broche de capteur 40_1 et la seconde broche de calculateur 20_2 est couplée à la seconde broche de capteur 40_2. Ainsi, grâce à l'utilisation d'un capteur deux fils tel que présenté ici mais aussi grâce au dispositif de l'invention seulement deux broches du calculateur 20 de contrôle moteur sont utilisées pour commander le capteur 40 diminuant le besoin en ressource connectique du calculateur 20 de contrôle moteur. 15 Le microcontrôleur 60 est par exemple un microcontrôleur multi-coeur cadencé à une fréquence de l'ordre de la centaine de mégaHertz. Le microcontrôleur 60 présente entre autre, une première broche de microcontrôleur 60_1. Bien entendu, l'homme de l'art comprendra à la lecture du texte que seules les broches utiles à la compréhension et au bon fonctionnement de l'invention sont présentées ici. La première broche de 20 microcontrôleur 60_1 est, par exemple une entrée dédiée à l'acquisition d'un signal électrique. Le module de pilotage à transistors 80 comporte une première broche de pilotage 80_1, une seconde broche de pilotage 80_2. La première broche de pilotage 80_1 est couplée à une première broche de shunt 100_1 de la résistance de shunt 100 et 25 la seconde broche de pilotage 80_2 est couplée à une alimentation positive. Par exemple, l'alimentation positive nommée Va sur la figure 3 peut être une source de tension délivrant 5 volts. Dans un exemple de réalisation de l'invention, le module de pilotage à transistors 80 est un module de type driver HSD, de l'acronyme anglais « High Side 30 Driver ». L'homme de l'art connaît mieux le module de pilotage à transistors 80 sous le nom « Driver HSD ou HSD ». Dans l'exemple de réalisation ici présenté et illustré à la figure 3, le module de pilotage à transistors 80 est un driver HSD et permet avantageusement dans le cas d'une charge connectée par défaut à la masse et lors d'un court-circuit d'appliquer la tension d'alimentation positive à la charge d'où l'appellation 35 High Side Driver. Dans le cas de la figure 3, la charge est le capteur 40. La structure interne d'un tel driver HSD étant bien connue de l'homme de l'art elle ne sera que très succinctement présentée ici. Un driver HSD peut être constitué de 3059164 6 composants passifs discrets, de transistors mais peut aussi présenter une structure hybride. Dans un exemple de réalisation, la structure interne du module de pilotage à transistors 80 comprend un transistor de type MOSFET, de l'acronyme anglais « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ». Ce type de transistor est connu de 5 l'homme de l'art pour ses capacités à conduire des courants pouvant facilement couvrir la gamme de 100mA nécessaire pour alimenter le capteur 40. Avantageusement, le module de pilotage à transistors 80, c'est-à-dire le driver HSD, comporte également une fonction d'auto protection contre des forts courants. Cette fonction d'auto protection d'un driver HSD est bien connue de l'homme de l'art et permet 10 de « couper » le courant qui le traverse lorsque par exemple la valeur du courant est supérieure à une valeur seuil haute. Avantageusement, l'utilisation du driver HSD pour alimenter le capteur 40 permet d'une part d'alimenter le capteur 40 avec des courants relativement élevés, et d'autre part, permet la protection du calculateur 20 de contrôle moteur contre un court-circuit batterie au niveau du capteur 40. 15 En variante, le module de protection à transistors 80 peut être un driver de type LSD de l'acronyme anglais « Low Side Driver ». L'utilisation d'un tel driver sera utile lorsque la charge est alimentée par défaut à la tension d'alimentation positive ou tension batterie. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, le module de protection à 20 transistors 80 présente au moins un transistor MOSFET 81 avec une grille 81_1, une source 81_2 et un drain 81_3. La source 81_2 est couplée à la seconde broche de pilotage 80_2 et le drain 81_3 est couplé à la première broche de pilotage 80_3 du module de protection à transistors 80. La résistance de shunt 100 présente également une seconde broche de shunt 25 100_2 qui est couplée d'une part à la première broche de calculateur 20_1 et d'autre part à une première broche de comparateur 120_1. La résistance de shunt 100 est par exemple une résistance implémentée en technologie CMS, de l'acronyme français « Composant Monté en Surface ». Avantageusement, la présente invention permet grâce à la combinaison du driver HSD et de la circuiterie présentée plus haut de dimensionner 30 ladite résistance de shunt 100 en prenant en considération uniquement les courants typiques de fonctionnement du capteur 40 contrairement à un dispositif de l'art antérieur. Ainsi, il n'est plus nécessaire de dimensionner la résistance de shunt 100 en prenant en considération un courant maximal pouvant circuler lorsque le capteur 40 est en court-circuit batterie. 35 En outre, grâce au temps de réaction de coupure rapide du module de protection à transistors 80 en cas de court-circuit batterie, le courant qui traverse la résistance de shunt 100 n'arrive pas à atteindre une forte valeur. Ainsi, la puissance à 3059164 7 dissiper dans la résistance de shunt 100 est sensiblement plus faible que celle d'une résistance de shunt d'une structure de l'art antérieur. Avantageusement, la surface occupée par la résistance de shunt 100 sur une carte électronique du calculateur de contrôle moteur 20 est sensiblement diminuée et permet ainsi une diminution du coût de 5 production. En outre, grâce au temps de réaction très rapide du driver HSD le calculateur 20 de contrôle moteur est mieux protégé contre les courts-circuits. La seconde broche de calculateur 20_2 est couplée à une masse électrique pouvant être celle de la batterie du véhicule automobile fermant ainsi une boucle de courant nécessaire au bon fonctionnement du capteur 40. 10 La première broche de comparateur 120_1 est d'une part couplée à la seconde broche de shunt 100_2 et d'autre part couplée à la première broche de calculateur 20_1. Le module comparateur 120 est adapté pour comparer une tension image du courant traversant la résistance de shunt 100 à une valeur de seuil de référence. Comme mentionné plus haut dans le texte de la description, il est dans cet 15 exemple de réalisation émis comme hypothèse que le capteur 40 délivre deux seuils de courant avec un premier seuil bas de courant à 8mA et un second seuil haut de courant à 14mA. Afin d'avoir un fonctionnement optimal du module comparateur 120, la valeur de la tension de référence est déterminée pour quelle soit entre les deux valeurs de 20 courant du capteur 40. Avantageusement, il est ainsi possible grâce au module comparateur 120 de générer sur une seconde broche de comparateur 120_2 un signal logique présentant une première valeur de comparaison et une seconde valeur de comparaison qui sont respectivement les images de la première valeur de courant et de la seconde valeur de courant traversant la résistance de shunt 100. Dans un exemple de 25 réalisation, la première valeur de comparaison est égale à OV et la seconde valeur de comparaison est égale à 5V. La seconde broche 120_2 de comparaison est couplée à la première broche 60_1 de microcontrôleur. La structure interne du module comparateur 120 pour répondre à un tel cahier des charges est bien connue de l'homme de l'art et ne sera pas plus présentée ici. Dans 30 une variante de réalisation, la structure interne du module comparateur 120 peut être une structure différentielle et la valeur de tension à comparer peut être celle présente aux bornes de la résistance de shunt 100. Grâce à la présente invention et grâce à l'alimentation du capteur 40 par le module de protection 80 à transistors à travers la résistance de shunt 100, il est 35 maintenant possible lors de la présence d'un court-circuit batterie au niveau du capteur 40 de couper l'alimentation en courant du capteur 40 et de l'isoler électriquement du 3059164 8 calculateur électronique 20 avant d'en informer le microcontrôleur 60 indépendamment du fonctionnement du microcontrôleur 60. Grâce au dispositif de l'invention, le calculateur électronique 20 dispose d'une meilleure protection contre les courts-circuits sur des broches couplées au capteur 40. En 5 effet, l'invention propose une protection matérielle indépendante du fonctionnement du microcontrôleur 40 ce qui lui confère un temps de réaction plus court que les dispositifs de protection de l'art antérieur lors de la présence d'un court-circuit batterie du capteur 40. Avantageusement, grâce à cette indépendance de fonctionnement et à l'alimentation du capteur 40 par le module de pilotage à transistors 80, le calculateur 20 10 de contrôle moteur présente une meilleure protection contre les courts-circuits pouvant survenir lors d'une phase d'initialisation ou de reset. En effet, durant une phase d'initialisation du calculateur 20 de contrôle moteur le capteur 40 est alimenté par le module de pilotage à transistors 80 indépendamment de la phase d'initialisation du calculateur 20 de contrôle moteur. Ainsi, si un problème survient au niveau du capteur 40 15 celui-ci sera immédiatement détecté et si cela est nécessaire, son alimentation sera coupée avant que le microcontrôleur 60 en soit informé après sa phase d'initialisation. En outre, grâce à l'invention la résistance de shunt 100 présente une surface réduite car elle est dimensionnée en prenant en considération que les courants nominaux de fonctionnement du capteur 40. 20 En variante, la résistance de shunt 100 et le module de protection à transistors 80 peuvent être inversés. Dans un autre mode de réalisation, le dispositif de l'invention est implémenté dans des circuits ASICS où les transistors sont déjà intégrés. Ces ASICS sont généralement intégrés dans l'ECU. 25 En variante, le module de pilotage à transistors 80 utilise une structure de type driver HSD implémentée pour piloter des bobines d'allumage intelligentes. Dans une autre variante les différents modules du dispositif de l'invention sont partiellement ou totalement implémentés dans des modules électriques extérieurs et distants du calculateur 20 de contrôle moteur. 30 Bien entendu, la présente invention ne se limite pas au mode de réalisation préféré décrit ci-dessus et illustré sur le dessin et aux variantes de réalisation évoquées mais s'étend à toutes les variantes à la portée de l'homme du métier. REVENDICATIONS1. Dispositif de protection d'un calculateur (20) électronique contre un court-circuit, le calculateur (20) électronique comprenant une première broche de calculateur (20_1), un capteur (40) comprenant une première broche de capteur (40_1) et une seconde broche de capteur (40_2), une résistance de shunt (100) caractérisé en ce qu'il comporte en outre un module de pilotage à transistors (80) comprenant une première broche de pilotage (80_1) couplée à une première broche de shunt (100_1), une seconde broche de pilotage (80_2) couplée à une alimentation positive, une seconde broche de shunt (100_2) étant couplée d'une part à une première broche de capteur (40_1) et d'autre part à une première broche de comparateur (120_1) d'un module comparateur (120) et en ce qu'il est adapté pour ne plus alimenter électriquement le capteur (40) lorsqu'un court-circuit est détecté au niveau du capteur (40). 2. Dispositif de protection d'un calculateur (20) électronique contre un court-circuit, selon la revendication 1 caractérisé en ce que le module de pilotage à transistors (80) 15 est un circuit intégré de type « high side driver ». 3. Dispositif de protection d'un calculateur (20) électronique contre un court-circuit, selon la revendication 1 caractérisé en ce que le module de pilotage à transistors (80) est un circuit intégré de type « low side driver ». 4. Dispositif de protection d'un calculateur (20) électronique contre un court-circuit, 20 selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un transistor (81). 5. Dispositif de protection d'un calculateur (20) électronique contre un court-circuit, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le module comparateur (120) comporte en outre un circuit comparateur adapté pour comparer une 25 tension aux bornes d'au moins une broche de la résistance de shunt (100). 6. Dispositif de protection d'un calculateur (20) électronique contre un court-circuit, selon la revendication 5 caractérisé en ce que le module comparateur (120) est adapté pour délivrer sur sa seconde broche de comparateur (120_2) un premier seuil de comparaison et un second seuil de comparaison distant d'au moins 10mV. 30 7. Dispositif de protection d'un calculateur (20) électronique contre un court-circuit, selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'alimentation électrique du capteur est indépendante du fonctionnement d'un microcontrôleur (60) du calculateur (20) électronique. 3059164 10 8. Calculateur électronique caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif de protection d'un calculateur électronique contre un court-circuit selon l'une des revendications 1 à 7.