Brevet FR3065290A1 — publié le 20181019

, B15736 - 16-GR2-0713 1 AMPLIFICATEUR DE DETECTION DE COURANT A FAIBLE DECALAGE DOMAINE Le présent exposé a trait au domaine des amplificateurs de détection de courant et, plus particulièrement, à un amplificateur de détection de courant à décalage relativement 5 faible. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE Les amplificateurs de détection de courant sont utilisés dans des applications dans lesquelles on souhaite mesurer le niveau d'un courant fourni à une charge. Les amplificateurs de 10 détection de courant comprennent d'une façon générale une résistance de détection de faible valeur ohmique placée sur le trajet du courant et un amplificateur différentiel destiné à amplifier la chute de tension aux bornes de la résistance de détection afin d'estimer le courant. Selon l'application, on 15 pourra ensuite faire appel à un convertisseur analogique-numérique pour convertir le signal de sortie en une valeur numérique. Une difficulté liée aux amplificateurs de détection de courant connus réside dans le fait qu'ils ont tendance à manquer de précision. Il existe donc, pour certaines applications, un 20 besoin d'un amplificateur de détection de courant offrant une meilleure précision. 3065290 ,B15736 - 16-GR2-0713 2 Une autre difficulté réside dans le fait que les amplificateurs de détection de courant connus ne permettent généralement une mesure du niveau d'un courant que si le courant circule dans un sens dans la résistance de détection. Il existe donc un besoin d'un amplificateur de détection de courant susceptible de détecter le niveau de courants circulant dans l'un ou l'autre sens dans la résistance de détection. RÉSUMÉ Un objet de modes de réalisation du présent exposé est 10 de répondre, en partie au moins, à un ou plusieurs besoins de l'état de la technique. Selon un aspect, on propose un amplificateur de détection de courant comprenant : une résistance de détection conduisant un courant à mesurer ; des premier et deuxième noeuds 15 intermédiaires couplés à des premier et deuxième noeuds de la résistance de détection par un hacheur, et à des branches respectives d'un miroir de courant ; un amplificateur différentiel présentant des entrées couplées aux premier et deuxième noeuds intermédiaires et adapté à générer un premier signal de tension 20 lorsque la tension au premier noeud intermédiaire est plus élevée que celle du deuxième noeud intermédiaire, et à générer un deuxième signal de tension lorsque la tension au deuxième noeud intermédiaire est plus élevée que celle du premier noeud intermédiaire ; un premier transistor adapté à être commandé par 25 le premier signal de tension et dont l'un des noeuds conducteurs de courant principaux est couplé à l'un des premier et deuxième noeuds intermédiaires ; et un deuxième transistor adapté à être commandé par le deuxième signal de tension et dont l'un des noeuds conducteurs de courant principaux est couplé à l'autre des premier 30 et deuxième noeuds intermédiaires. Selon un mode de réalisation, l'amplificateur de détection de courant comprend en outre une résistance de sortie couplée à : des noeuds conducteurs de courant principaux supplémentaires des premier et deuxième transistors ; ou à des 35 noeuds conducteurs de courant principaux de troisième et quatrième transistors, les troisième et quatrième transistors étant 3065290 , B15736 - 16-GR2-0713 3 commandés respectivement par les premier et deuxième signaux de tension. Selon un mode de réalisation, l'amplificateur de détection de courant comprend en outre une première résistance 5 d'entrée couplant le hacheur au premier noeud intermédiaire et une deuxième résistance d'entrée couplant le hacheur au deuxième noeud intermédiaire. Selon un mode de réalisation, le hacheur comprend : un premier commutateur couplant le premier noeud de la résistance de détection à la première résistance d'entrée ; un deuxième commutateur couplant le deuxième noeud de la résistance de détection à la deuxième résistance d'entrée ; un troisième commutateur couplant le premier noeud de la résistance de détection à la deuxième résistance d'entrée ; et un quatrième commutateur couplant le deuxième noeud de la résistance de détection à la première résistance d'entrée. Selon un mode de réalisation, l'amplificateur de détection de courant comprend en outre un circuit de commande adapté à générer, en fonction d'un signal d'horloge, un premier signal de phase destiné à commander les premier et deuxième commutateurs ; et un deuxième signal de phase destiné à commander les troisième et quatrième commutateurs. Selon un mode de réalisation, le circuit de commande est adapté à commander le hacheur de façon à ce que son rapport 25 cyclique s'établisse entre 49,5 et 50,5 pour cent. Selon un mode de réalisation, le miroir de courant comprend un cinquième transistor couplant le premier noeud intermédiaire à un rail de tension d'alimentation ou à un rail de mise à terre et un sixième transistor couplant le deuxième noeud 30 intermédiaire au rail de tension d'alimentation ou au rail de mise à la terre, les noeuds de commande des cinquième et sixième transistors étant couplés l'un à l'autre et aux premier et deuxième noeuds intermédiaires. Selon un aspect supplémentaire, on propose un port de 35 bus série universel comprenant l'amplificateur de détection de courant susmentionné. 3065290 B15736 - 16-GR2-0713 4 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Les caractéristiques et avantages susmentionnés, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lumière de la description détaillée qui va suivre de modes de réalisation, donnés à titre 5 illustratif et non limitatif en regard des dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 illustre de façon schématique un amplificateur de détection de courant selon un mode de réalisation qui a été proposé ; 10 la figure 2 illustre de façon schématique un amplificateur de détection de courant selon un mode de réalisation du présent exposé donné à titre d'exemple ; la figure 3 est un chronogramme illustrant des signaux dans le circuit sur la figure 2 selon un mode de réalisation donné 15 à titre d'exemple ; et la figure 4 illustre de façon schématique un amplificateur de détection de courant selon un mode de réalisation supplémentaire du présent exposé. DESCRIPTION DÉTAII:rkw, 20 Le terme "relié" est utilisé ici pour désigner une liaison électrique directe entre des composants, tandis que le terme "couplé" est utilisé ici pour désigner une liaison qui pourra être directe ou s'effectuer via un ou plusieurs éléments intermédiaires tels que des résistances, des condensateurs et/ou des transistors. Il sera clair pour l'homme de métier que lorsque le terme "couplé" est utilisé, une liaison directe est tout aussi envisageable. Le terme "environ" sert à indiquer une tolérance de plus ou moins 10 pour cent de la valeur en question. La figure 1 illustre de façon schématique un amplificateur de détection de courant 100 selon un mode de réalisation donné à titre d'exemple qui a été proposé. Une résistance de détection 102 d'une valeur ohmique R SENSE est placée sur le trajet de courant du courant ILoAD à mesurer. En guise d'exemple, le courant ILoAD est fourni par une tension d'alimentation VpowER, délivrée par exemple par une batterie, et 3065290 B15736 - 16-GR2-0713 5 le courant IL0AD alimente une charge 104, représentée sur la figure 1 comme une source de courant. L'amplificateur de détection de courant 100 mesure la chute de tension V SENSE aux bornes de la résistance de détection 5 102. En guise d'exemple, l'amplificateur 100 comprend une résistance d'entrée 106 couplée entre un noeud 107 de la résistance de détection 102 et un noeud intermédiaire 108, et une résistance d'entrée supplémentaire 110 couplée entre l'autre noeud 111 de la résistance de détection 102 et un noeud intermédiaire 10 supplémentaire 112. Les noeuds intermédiaires 108 et 112 sont couplés à des branches respectives d'un miroir de courant formé par les transistors 114 et 116. Les transistors 114 et 116 sont, par exemple, des transistors NOS à canal N dont les grilles sont 15 couplées l'une à l'autre et au noeud intermédiaire 112. Les noeuds intermédiaires 108 et 112 sont également couplés respectivement à des entrées négative et positive d'un amplificateur différentiel 118. La sortie de l'amplificateur différentiel 118 est couplée à la grille d'un transistor supplémentaire 120, prenant, par 20 exemple, la forme d'un transistor MOS à canal N. Le transistor 120 est couplé en série, via ses noeuds conducteurs de courant principaux, à une résistance de sortie 122, et son drain est couplé au noeud 112. La tension VouT aux bornes de la résistance 122 délivre la tension de sortie de l'amplificateur de détection 25 de courant 100. Les résistances 106 et 110 sont conçues pour présenter une même valeur ohmique RIN, et la valeur ohmique RouT de la résistance 122 est, par exemple, un multiple de la valeur ohmique RIN, ce qui introduit un gain dans la tension de sortie VOUT- 30 En service, en supposant qu'un courant circule dans la résistance de détection 102 depuis le noeud 111 vers le noeud 107, la tension au noeud 111 sera plus élevée que la tension au noeud 107. Les transistors 114 et 116 du miroir de courant sont chacun conçus pour conduire un même courant Im. L'amplificateur 35 différentiel 118 portera les tensions aux noeuds 108 et 112 au même niveau en commandant le transistor 120. La résistance 110 conduira 3065290 B15736 - 16-GR2-0713 6 alors un courant additionnel par rapport à la résistance 106, ce courant additionnel correspondant au courant IouT conduit par le transistor 120. Un inconvénient de l'amplificateur de détection de 5 courant 100 sur la figure 1 réside dans le fait que plusieurs sources d'imprécision ont été identifiées par le présent inventeur. En guise d'exemple, une différence de valeur ohmique entre les résistances 106 et 110, un défaut d'adaptation entre les transistors 114 et 116 et un décalage de tension de 10 l'amplificateur différentiel 118 conduiront tous à un décalage dans le signal de sortie VouT. En guise d'exemple, si l'on désigne par RTN+ARTN/2 et RIN- A'RIN/2, respectivement, la valeur ohmique des résistances 106 et 110, où ARIN est la différence de valeur ohmique entre les résistances 106, 110, Im+AIm/2 et I]4-AIm/2, 15 respectivement, les courants conduits par les transistors 114 et 116, où AIm est la différence entre les courants, et Vos le décalage de tension de l'amplificateur 118, on obtient alors l'équation suivante pour la tension VouT : ROUT VOUT 1LOAD - RSENSE v OFFSET ILIN 20 où : MIN] ROUT VOFFSET = [VOS - Alm - RIN 1M - MIN + 'OUT - 2 RIN Un autre inconvénient de l'agencement sur la figure 1 est que celui-ci repose sur le fait que la tension au noeud 112 est plus élevée que la tension au noeud 108. Le circuit est donc 25 incapable de détecter le niveau de courant si le courant IL0AD à mesurer est négatif. En guise d'exemple, l'amplificateur de détection de courant pourrait, dans certains cas, servir à surveiller le courant absorbé par une charge reliée à un port USB (bus série universel) type C. Comme le sait l'homme de métier, un 30 port USB type C conforme à la norme de fourniture d'alimentation USB est susceptible de délivrer une alimentation à une charge à des tensions pouvant atteindre 20 V. Si le port USB type C adapté 3065290 B15736 - 16-GR2-0713 7 à délivrer une alimentation est couplé par mégarde à une source d'alimentation au lieu d'une charge, la résistance de détection 102 pourra alors être traversée d'un courant circulant dans le sens inverse. La détection d'un tel courant peut déclencher un 5 mécanisme de protection visant à éviter tout endommagement de la source d'alimentation fournissant la tension VpowER. La figure 2 illustre de façon schématique un amplificateur de détection de courant 200 selon un mode de réalisation du présent exposé donné à titre d'exemple. 10 L'amplificateur de détection 200 partageant certaines des caractéristiques de l'amplificateur de détection 100 sur la figure 1, les mêmes caractéristiques portent les mêmes références numériques et ne seront pas décrites à nouveau en détail. Dans l'amplificateur de détection 200 sur la figure 2, 15 le hacheur 201 est placé entre les noeuds 107, 111 de la résistance de détection 102 et les résistances d'entrée 106, 110. En guise d'exemple, le hacheur 201 comprend un commutateur 204 couplé entre le noeud 107 et la résistance 106, et un commutateur 206 couplé entre le noeud 111 et la résistance 110, un commutateur 208 couplé 20 entre le noeud 107 et la résistance 110, et un commutateur 210 couplé entre le noeud 111 et la résistance 106. Les commutateurs 204 et 206 sont, par exemple, commandés par un signal de phase 91, et les commutateurs 208 et 210 sont, par exemple, commandés par un signal de phase (p2. 25 L'amplificateur différentiel 118 sur la figure 1 est remplacé sur la figure 2 par un amplificateur différentiel 202 susceptible d'imposer l'un ou l'autre de deux signaux de sortie Vp et VN en fonction de la polarité des tensions aux noeuds intermédiaires 108, 112. Par ailleurs, dans l'amplificateur de 30 détection de courant 200, le transistor 120 est remplacé par un transistor 212 commandé par le signal Vp pour conduire un courant IOUTP, et un transistor 214 commandé par le signal VN pour conduire un courant IouTN. Le transistor 212 est couplé à ses noeuds conducteurs de courant principaux, par exemple à ses noeuds 35 source/drain, entre le noeud 112 et un noeud de sortie 216. Le transistor 214 est couplé, par ses noeuds conducteurs de courant 3065290 B15736 - 16-GR2-0713 8 principaux, par exemple par ses noeuds source/drain, entre le noeud 108 et le noeud de sortie 216. Le noeud de sortie 216 est, par exemple, couplé à la terre par la résistance de sortie 122 et délivre la tension de sortie VouT de l'amplificateur de détection 5 de courant 200. Lorsque la tension au noeud 112 est plus élevée que la tension au noeud 108, le signal VN est, par exemple, imposé, et le signal Vp reste bas. Le transistor 212, et non le transistor 214, sera donc conducteur. En revanche, lorsque la tension au noeud 108 est plus élevée que celle du noeud 112, le signal Vp est, par 10 exemple, imposé, et le signal VN reste bas. Le transistor 214, et non le transistor 212, sera donc conducteur. Un circuit de commande 218, par exemple, génère les signaux de phase 91 et 92 en fonction d'un signal d'horloge CLK. En service, le hacheur 201 est, par exemple, commandé 15 avec un rapport cyclique s'établissant sensiblement à 50 pour cent, et à une fréquence comprise entre 10 Hz et 1 kHz, voire davantage, et, par exemple, à une fréquence d'environ 100 Hz. L'amplificateur différentiel 202 commute entre la génération du signal Vp et du signal VN en fonction de la polarité des tensions 20 aux noeuds 107, 111. La composante continue de la tension de sortie VOUT présentera donc un niveau correspondant au courant traversant la résistance de détection 102. Dans certains modes de réalisation, bien que cela ne soit pas illustré sur la figure 2, un condensateur pourra être 25 couplé en parallèle avec la résistance 122 afin de filtrer le signal de sortie et d'extraire la composante continue. Un tel condensateur pourra toutefois être omis en fonction des capacités parasites présentes au noeud de sortie 216 et de la fréquence du hacheur. 30 La résistance de détection 102 possède, par exemple, une valeur ohmique comprise entre 10 et 20 milliohms, les résistances d'entrée 106 et 110 possèdent, par exemple, des valeurs ohmiques RIN comprises entre 1 et 20 kohms, la résistance sortie 122 possède, par exemple, une valeur ohmique RouT comprise entre 50 35 et 500 kohms, et le gain fourni par le rapport RouT/RIN est, par exemple, compris entre 2 et 100. 3065290 B15736 - 16-GR2-0713 9 La figure 3 illustre un exemple des signaux de phase 91 et 92 qui commandent le hacheur 201 sur la figure 2. Comme cela est illustré, ces signaux de phase 91, Q2, par exemple, commutent en même temps et prennent des valeurs complémentaires, le signal 5 pi étant haut tandis que le signal 92 est bas, puis, dans une phase suivante, le signal 91 étant bas tandis que le signal 92 est haut. La durée t des impulsions hautes du signal 91 et la durée t' des impulsions hautes du signal 92 sont par exemple égales, si bien que le rapport cyclique s'établit sensiblement à 10 50 pour cent, par exemple avec une tolérance de plus ou moins 1 pour cent. En guise d'exemple, le rapport cyclique s'établit entre 49,5 et 50,5 pour cent. Un avantage du mode de réalisation sur la figure 2 réside dans le fait que les sources d'imprécision évoquées en relation 15 avec l'amplificateur de détection de courant 100 sur la figure 1 sont supprimées, d'où une meilleure précision. En guise d'exemple, si l'on désigne ici encore par R +AR IN.--IN, / 2 et RIN-RIN/2, respectivement, la valeur ohmique des résistances 106 et 110, Im+AIm/2 et Im-AIm/2, respectivement, les courants conduits par 20 les transistors 114 et 116, et Vos le décalage de tension de l'amplificateur 202, on obtient alors les tensions de sortie VOUT 91, VOUT (p2 durant chaque phase 91, 92 comme suit : ROUT VOUT_cp1 1LOAD - RSENSE vOFFSETçpl, et RIN ROUT VOUTçp2 = ILOAD - RSENSE D -I- vOFFSETJ02 IN 25 où : VOFFSETJp1 ={VOS A/m - RIN ± lm - RIN + Jour ARIN1 ROUT 2 RIN et MIN] ROUT VOFF5ET_e2 = -[VOS MM - RIN +1M - MIN ±IOUT - 2 RIN 3065290 B15736 - 16-GR2-0713 10 Ainsi, en prenant la moyenne des tensions de sortie VouT1, VOUT (p2, la tension de sortie VouT devient : VOUT ILOAD RSENSE RIN La figure 4 illustre de façon schématique un 5 amplificateur de détection de courant 400 selon un mode de réalisation supplémentaire donné à titre d'exemple, analogue à celui sur la figure 2, mais correspondant à une mise en oeuvre dans laquelle le noeud 107 de la résistance de détection 102 est couplé à la terre, et la source de courant 104 est remplacée par une 10 source de courant 404 couplée entre la résistance de détection 102 et la tension d'alimentation VpowER. Les caractéristiques partagées avec le mode de réalisation sur la figure 2 portent les mêmes références numériques et ne seront pas décrites à nouveau en détail. 15 Dans le mode de réalisation sur la figure 4, le miroir de courant est, par exemple, formé d'un transistor NOS à canal P 414 couplant le noeud 108 à un rail d'alimentation VDD et d'un transistor MOS à canal P 416 couplant le noeud 112 au rail d'alimentation VDD. L'amplificateur différentiel 202 est inversé, 20 de sorte que son entrée négative est couplée au noeud 112 et son entrée positive est couplée au noeud 108. Par ailleurs, dans le mode de réalisation sur la figure 4, le signal de sortie Vp de l'amplificateur différentiel 202 commande des transistors NOS à canal P 422 et 424, et le signal de sortie VN de l'amplificateur 25 différentiel 202 commande les transistors NOS à canal P 426 et 428. Le transistor 422 est couplé entre le noeud 108 et le rail d'alimentation VDD, et le transistor 426 est couplé entre le noeud 112 et le rail d'alimentation VDD. Les transistors 424 et 428 sont chacun couplés au rail d'alimentation VDD et au noeud de sortie 30 216, et conduisent respectivement des courants IouTp et IouTN. Le fonctionnement de l'amplificateur de détection de courant 400 sur la figure 4 est analogue à celui de l'amplificateur de détection de courant 200 sur la figure 2, et ne sera pas décrit à nouveau en détail. R-UT 3065290 B15736 - 16-GR2-0713 11 Un avantage de l'amplificateur de détection de courant décrit aux présentes est sa meilleure précision. Il permet en outre la détection d'un courant dans l'un ou l'autre sens dans la résistance de détection, ce qui est tout particulièrement 5 avantageux dans les applications où un courant pourra circuler dans le-deux sens dans la résistance de détection, notamment dans le cas d'un port USB type C apte à délivrer une alimentation conformément à la norme USB Power Delivery Specification Rev. 3.0 disponible, par exemple, sur le site 10 http://www.usb.org/developers/powerdelivery/. Avec la description ainsi faite d'au moins un mode de réalisation illustratif, diverses altérations, modifications et améliorations apparaîtront facilement à l'homme du métier. À titre d'exemple, si des modes de réalisation ont été décrits sur la base 15 de la technologie des transistors MOS, il sera toutefois clair pour l'homme du métier que d'autres technologies de transistors seraient envisageables. REVENDICATIONS1. Amplificateur de détection de courant comprenant : une résistance de détection (102) conduisant un courant (ILOAD) à mesurer ; des premier et deuxième noeuds intermédiaires (108, 112) 5 couplés à des premier et deuxième noeuds (107, 111) de la résistance de détection (102) par un hacheur (201), et à des branches respectives d'un miroir de courant (114, 116, 414, 416) ; un amplificateur différentiel (202) présentant des entrées couplées aux premier et deuxième noeuds intermédiaires 10 (108, 112) et adapté à générer un premier signal de tension (Vp) lorsque la tension au premier noeud intermédiaire (108) est plus élevée que celle du deuxième noeud intermédiaire (112), et à générer un deuxième signal de tension (VN) lorsque la tension au deuxième noeud intermédiaire (112) est plus élevée que celle du 15 premier noeud intermédiaire (108) ; un premier transistor (212, 422) adapté à être commandé par le premier signal de tension (Vp) et dont l'un des noeuds conducteurs de courant principaux est couplé à l'un des premier et deuxième noeuds intermédiaires (108, 112) ; et 20 un deuxième transistor (214, 426) adapté à être commandé par le deuxième signal de tension (VN) et dont l'un des noeuds conducteurs de courant principaux est couplé à l'autre des premier et deuxième noeuds intermédiaires (108, 112). 2. Amplificateur de détection de courant selon la 25 revendication 1, comprenant en outre une résistance de sortie (122) couplée à : des noeuds conducteurs de courant principaux supplémentaires des premier et deuxième transistors (212, 214) ; ou des noeuds conducteurs de courant principaux de 30 troisième et quatrième transistors (424, 428), les troisième et quatrième transistors étant commandés respectivement par les premier et deuxième signaux de tension (Vp, VN). 3. Amplificateur de détection de courant selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre une première résistance 3065290 B15736 - 16-GR2-0713 13 d'entrée (106) couplant le hacheur (201) au premier noeud intermédiaire (108) et une deuxième résistance d'entrée (108) couplant le hacheur (201) au deuxième noeud intermédiaire (110). 4. Amplificateur de détection de courant selon la 5 revendication 3, dans lequel le hacheur (201) comprend : un premier commutateur (204) couplant le premier noeud (107) de la résistance de détection (102) à la première résistance d'entrée (106) ; un deuxième commutateur (206) couplant le deuxième noeud 10 (111) de la résistance de détection (102) à la deuxième résistance d'entrée (110) ; un troisième commutateur (208) couplant le premier noeud (107) de la résistance de détection (102) à la deuxième résistance d'entrée (110) ; et 15 un quatrième commutateur (210) couplant le deuxième noeud (111) de la résistance de détection (102) à la première résistance d'entrée (106). 5. Amplificateur de détection de courant selon la revendication 4, comprenant en outre un circuit de commande (218) 20 adapté à générer, en fonction d'un signal d'horloge (CLK) : un premier signal de phase (91) destiné à commander les premier et deuxième commutateurs (204, 206) ; et un deuxième signal de phase (92) destiné à commander les troisième et quatrième commutateurs (208, 210). 25 6. Amplificateur de détection de courant selon la revendication 5, dans lequel le circuit de commande (218) est adapté à commander le hacheur (201) de façon à ce que son rapport cyclique s'établisse entre 49,5 et 50,5 pour cent. 7. Amplificateur de détection de courant selon l'une 30 quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le miroir de courant comprend un cinquième transistor (114, 414) couplant le premier noeud intermédiaire (108) à un rail de tension d'alimentation (VDD) ou à un rail de mise à terre et un sixième transistor (116, 416) couplant le deuxième noeud intermédiaire 35 (112) au rail de tension d'alimentation (VDD) ou au rail de mise à la terre, les noeuds de commande des cinquième et sixième 3065290 B15736 - 16-GR2-0713 14 transistors étant couplés l'un à l'autre et aux premier et deuxième noeuds intermédiaires (108, 112). 8. Port de bus série universel (USB) type C apte à délivrer une alimentation et comprenant l'amplificateur de 5 détection de courant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.