EP2174200A1

EP2174200A1 - Dispositif de commutation d'alimentation electrique a reponse rapide et reseau alimentation electrique equipe d'un tel commutateur.

Info

Publication number: EP2174200A1
Application number: EP08786268A
Authority: EP
Inventors: Michel Harrand
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2010-04-14
Also published as: JP2010534992A; WO2009016052A1; FR2919446B1; US8803503B2; FR2919446A1; US20100213912A1

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de commutation d'alimentation à réponse rapide. Elle concerne également un réseau d'alimentation électrique équipé d'un tel commutateur. L'alimentation électrique étant reliée à un ensemble de blocs, le dispositif comporte au moins un commutateur (3) reliant l'alimentation (VDD) et le bloc (1), la valeur du courant d'alimentation passant dans le commutateur étant commandée en fonction de la différence entre la tension de l'alimentation (VDD) au niveau des autres blocs et un seuil de tension. L'invention s'applique notamment à tous les circuits intégrés de technologie récente dans lesquelles il importe de réduire les courants de fuite des transistors des parties de circuits non utilisées. L'invention s'applique ainsi particulièrement pour la plupart des systèmes alimentés par pile ou batterie et plus particulièrement pour les circuits de téléphones portables.

Description

DISPOSITIF DE COMMUTATION D'ALIMENTATION ELECTRIQUE A REPONSE RAPIDE ET RESEAU ALIMENTATION ELECTRIQUE EQUIPE

D'UN TEL COMMUTATEUR

La présente invention concerne un dispositif de commutation d'alimentation à réponse rapide. Elle concerne également un réseau d'alimentation électrique équipé d'un tel commutateur. L'invention s'applique notamment à tous les circuits intégrés de technologie récente dans lesquelles il importe de réduire les courants de fuite des transistors des parties de circuits non utilisées. L'invention s'applique ainsi particulièrement pour la plupart des systèmes alimentés par pile ou batterie et plus particulièrement pour les circuits de téléphones portables.

Dans les circuits intégrés de technologie 130 nm ou inférieure, les transistors présentent un courant de fuite non négligeable lorsqu'ils sont dans l'état ouvert. Il en résulte une consommation électrique des circuits même lorsqu'ils sont inactifs. Cette consommation peut être très gênante notamment pour les circuits alimentés par piles ou batteries, surtout lorsqu'ils sont une grande partie du temps dans un mode veille où seule une petite partie du circuit est active. Ceci est particulièrement vrai pour les téléphones portables. Une technique efficace pour réduire ce courant de fuite lorsque le circuit est inactif consiste à couper l'alimentation électrique de ce circuit. D'autres techniques, notamment celle consistant à alimenter le substrat ou caisson d'un circuit CMOS à une tension négative afin d'augmenter la tension de seuil des transistors NMOS, sont possibles mais plus délicates à mettre en œuvre. Un problème de la technique de coupure d'alimentation est que lors de la remise sous tension, l'appel de courant créé par la recharge de la capacité présente entre les grilles d'alimentation d'un bloc commuté ne doit pas faire chuter la tension de l'alimentation en amont du commutateur afin de ne pas gêner le fonctionnement des autres blocs. Il convient alors de limiter cet appel de courant lors de la mise sous tension.

Diverses solutions sont connues pour limiter ce courant. En particulier, une solution consiste à réaliser un commutateur d'alimentation constitué de plusieurs transistors en parallèle avec une commutation progressive de ces transistors à l'aide d'une suite de circuits retardateurs. Une telle solution est notamment décrite dans le document "Techniques for Wireless Applications de Philippe Royannez et al., ISSCC2005, paper 7.6, pages 138 et 139". Dans les deux cas, ce temps de commutation est déterminé par simulation et il faut prendre une marge importante pour tenir compte de la dispersion des caractéristiques des transistors. A cause de cette marge le temps de remise sous tension peut être élevé, interdisant d'utiliser ces solutions pour des durées de mise hors tension trop faibles ou dans le cas où une réponse rapide du système est nécessaire.

Un but de l'invention est notamment de permettre un temps de commutation beaucoup plus faible autorisant la suppression de la marge nécessaire aux solutions antérieures, tout en n'augmentant pas la surface ou l'encombrement du circuit. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de commutation d'une alimentation électrique reliée à un ensemble de blocs, comportant au moins un commutateur reliant l'alimentation générale VDD à celle du bloc, la valeur du courant d'alimentation passant dans le commutateur étant commandée en fonction de la différence entre la tension de l'alimentation VDD au niveau des autres blocs et un seuil de tension.

Lorsque la tension de l'alimentation passe en dessous du seuil, le commutateur est par exemple commandé pour limiter le courant d'alimentation qui le traverse. Avantageusement, ce seuil de tension peut être supérieur à la tension nécessaire au fonctionnement des autres blocs.

Le résultat de la différence de tension entre la tension de l'alimentation VDD au niveau des autres blocs et le seuil de tension est par exemple fourni par un amplificateur différentiel, la tension de l'alimentation VDD étant connectée à une entrée de l'amplificateur et le seuil étant connecté à une autre entrée. Le commutateur étant un transistor, la tension de sortie de l'amplificateur commande par exemple la valeur du courant traversant le transistor. Si le commutateur est un transistor MOS P, la tension d'alimentation VDD est par exemple connectée à l'entrée négative de l'amplificateur et le seuil de tension étant alors connecté à l'entrée positive. Le transistor est par exemple mis à l'état bloqué en coupant la borne d'alimentation électrique adéquate de l'amplificateur. Dans le cas d'un commutateur réalisé par un MOS P, la coupure de l'alimentation négative de l'amplificateur provoque l'apparition d'une tension positive à la sortie de l'amplificateur qui bloque le transistor de commutation.

L'amplificateur est par exemple relié à l'alimentation via un transistor, l'alimentation de l'amplificateur étant coupée en mettant ce transistor à l'état bloqué.

Dans un autre mode de réalisation, l'alimentation de l'amplificateur est par exemple coupée en coupant l'alimentation de son transistor de pied.

La tension de seuil est par exemple égale à un pourcentage d'une tension de référence VDDref correspondant à la valeur nominale de l'alimentation VDD.

L'invention a également pour objet un réseau d'alimentation électrique d'un ensemble de blocs. Chaque bloc étant relié à une source d'alimentation VDD par un bus de puissance, un bloc est alors relié au bus via un dispositif de commutation tel que décrit précédemment. La source d'alimentation est par exemple une batterie.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent :

- la figure 1 , une illustration du principe de fonctionnement d'un dispositif selon l'invention ;

- la figure 2, un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention ; - La figure 3, une variante de l'un des éléments de l'exemple de réalisation donné par la figure 2.

La figure 1 illustre le principe de fonctionnement d'un dispositif selon l'invention. La figure 1 présente donc un bloc 1 alimenté par une tension électrique VDD. Cette tension est par exemple transmise à plusieurs blocs, non représentés, par un bus de puissance 2. Un bloc comprend un circuit, analogique ou numérique, correspondant par exemple à un composant ou à une unité fonctionnelle comportant plusieurs composants. Un tel bloc 1 , même à l'état inactif peut continuer à consommer un courant électrique s'il reste relié électriquement à l'alimentation VDD. Comme il a été indiqué précédemment, une solution efficace pour empêcher cette consommation parasite consiste à couper l'alimentation électrique du bloc 1. A cet effet, un commutateur 3 est connecté entre le bloc 1 et l'alimentation VDD. Le commutateur est par exemple un transistor à effet de champ. Un transistor bipolaire pourrait être utilisé. Dans l'exemple de la figure 1 , lorsque le transistor 3 est passant le bloc 1 est alimenté à la tension VDD, à la tension drain-source du transistor près. En particulier, si on note Vs la tension d'alimentation aux bornes 5 du bloc, Vs = VDD - V_Ds où V_Ds est la tension entre le drain et la source du transistor. Pour un transistor bipolaire, la tension V_Ds serait remplacée par la tension entre le collecteur et l'émetteur.

Pour couper la tension aux bornes 5 du bloc, on commute le transistor 3 à l'état bloqué, puis pour rétablir la tension on commute le transistor à l'état passant. Un appel de courant est alors produit au niveau de l'alimentation électrique faisant chuter la tension VDD avant que celle-ci ne remonte.

Selon l'invention, au lieu notamment de déterminer une durée de montée d'alimentation électrique a priori, le commutateur 3 est commandé de telle sorte que la tension à l'extérieur du bloc concerné 1 reste supérieure à la tension nécessaire au bon fonctionnement des autres blocs en comparant directement cette tension à une tension de référence. Si la tension à l'extérieur du bloc 1 est inférieure à un seuil donné, on limite le courant passant dans le commutateur 3. La tension mesurée est la tension de l'alimentation VDD au niveau des autres bloc, la comparaison se fait alors en amont du commutaeur 3. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1 , le comparateur utilisé est un amplificateur différentiel 4 dont la sortie commande le commutateur 3 qui dans ce cas est un transistor à effet de champ de type MOS P. A cet effet, l'entrée négative de l'amplificateur différentiel 4 est connectée à la tension d'alimentation VDD et l'entrée positive est connectée à la tension de référence VDDréf, formant le seuil de comparaison. La tension de référence est par exemple égale à la tension nominale d'alimentation des blocs moins 5%, par exemple 1 ,05V. Les technologies où l'invention peut être avantageusement utilisée sont par exemple des technologies où l'alimentation est de l'ordre de 1 ,3V pour la technologie 130nm, à 1 ,1 V pour la technologie 65nm. Cette tension de référence peut être soit connectée directement à l'entrée de l'amplificateur 4 soit reliée par l'intermédiaire d'un pont diviseur 6. Dans ce cas, le pont diviseur permet de faire une comparaison avec un seuil correspondant à un pourcentage de la tension d'alimentation nominale, et la tension de référence peut être avantageusement fournie par la tension d'alimentation du circuit prise directement sur les plots d'alimentation (ou mieux, un plot d'alimentation spécial), de manière à ne pas être impactée par les chutes de tension provoquées par les courants circulant dans les impédances parasites du réseau d'alimentation. Le pont diviseur peut permettre aussi notamment d'obtenir par exemple un seuil réglable en entrée du pont diviseur en jouant sur ses paramètres, en particulier à l'aide d'une résistance variable. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1 , la tension à l'entrée de l'amplificateur différentiel 4 et en sortie de pont diviseur 6 est sensiblement égale à 95% de la tension de référence VDDref. Le transistor 3 étant de type MOS P, il est commandé à l'état passant lorsque sa tension grille-source est négative. Cette tension de grille est fournie par la sortie de l'amplificateur différentiel 4. Eventuellement une interface non représentée est placée entre la sortie de l'amplificateur 4 et la grille du transistor 3.

En régime établi, la tension d'alimentation est égale à VDD, supérieure à 95% de la tension VDDref, elle-même égale à la tension d'alimentation nominale. La tension présente à l'entrée négative de l'amplificateur opérationnel 4, égale à la tension VDD, est supérieure à la tension présente à l'entrée positive, égale à 0,95 x VDDref. La sortie de l'amplificateur est alors négative et le transistor 3 est alors à l'état passant. Pour couper l'alimentation au niveau du bloc 1 il faut notamment mettre le transistor 3 à l'état bloqué. A cet effet le dispositif peut comporter une commande 7 de mise en marche du bloc. Cette commande agit par exemple sur l'alimentation négative de l'amplificateur 4. En particulier pour couper la commande du transistor 3, l'alimentation de l'amplificateur 4 est par exemple coupée au moyen de la commande 7 précitée. L'alimentation du bloc 1 est rétablie lorsque l'alimentation de l'amplificateur 4 est rétablie. Le transistor 3 repasse alors à l'état passant. Lors de cette commutation rétablissant l'alimentation du bloc, si la tension VDD, partagée avec les autres blocs, reste supérieure au seuil donné, 0,95 x VDDref par exemple, il n'y a pas de problème de chute d'alimentation. La tension en sortie de l'amplificateur 4 commandant la grille du transistor 3 reste inférieure à VDD, conduisant à une tension grille-source du transistor 3 négative. Cependant dans le cas général, la tension chute. Dans ce cas, si la tension VDD passe en deçà de 0,95 x VDDref, la tension présente à l'entrée positive de l'amplificateur devenant supérieure à la tension présente à l'entrée négative, la tension de sortie de l'amplificateur devient positive, et proportionnelle à la différence VDDref - VDD. Le courant passant dans le transistor 3 est alors limité, la limitation croissant avec la différence VDDref - VDD.

Lorsque la tension d'alimentation Vs aux bornes 5 du bloc 1 se rapproche de nouveau de la tension d'alimentation générale VDD, l'appel de courant diminue et le transistor peut être rendu plus passant. Puis lorsque la tension VDD repasse au-dessus de 0,95 x VDDref, le transistor revient à l'état passant nominal. En pratique, si l'amplificateur différentiel a un gain suffisant, le courant dans le transistor 3 est ainsi régulé de telle sorte que la chute de tension sur VDD est exactement de 5% pendant la quasi-totalité de la durée de la charge de la capacité parasite de la grille d'alimentation du bloc 1.

Avantageusement, un dispositif selon l'invention permet la commutation du bloc 1 la plus rapide possible sans que la tension d'alimentation externe VDD chute de plus de 5% de la tension nominale de référence VDDref, dans le cas où ce seuil a été réglé à 95% de VDDref. D'autres réglages sont bien sûr possibles.

Si les autres blocs sont aussi connectés à l'alimentation VDD par un commutateur, on tient compte de la tension interne au commutateur, par exemple V_Ds_, pour la comparaison. En d'autres termes, la tension d'alimentation externe au niveau de ces blocs considérée tient compte des tensions internes des commutateurs utilisés.

La figure 2 présente un mode de réalisation possible avec un exemple de mise en œuvre de la commande 7 du transistor 3. Cette commande comporte un transistor 21 , par exemple à effet de champ, reliant l'alimentation basse de l'amplificateur 4 et celle du pont diviseur 6 au potentiel nul, notamment la masse mécanique. Le transistor 21 est lui-même commandé par une tension de commande 22. Dans ce cas la coupure, ou mise hors tension du bloc, se fait très simplement en bloquant le transistor de commande 21 qui coupe alors l'alimentation basse de l'amplificateur ainsi que celle du pont diviseur. Dans cet état la tension de sortie de l'amplificateur ne peut être que la tension VDD bloquant le transistor 3 MOS P de commutation de l'alimentation du bloc, la tension VDD étant la tension d'alimentation haute de l'amplificateur 4. Le courant circulant dans le circuit 7 est suffisamment faible pour qu'il ne soit pas nécessaire de prendre des précautions particulières lors de sa mise en fonction. Cette solution a notamment comme avantage de couper aussi les courants de fuite de l'amplificateur différentiel 4.

La figure 3 présente une variante de réalisation où on utilise le transistor de pied 21 1 de l'amplificateur différentiel. Dans cette variante de réalisation, on coupe le transistor de pied 21 1 déjà existant de l'amplificateur différentiel pour couper son alimentation, au lieu de rajouter le transitor 21 en série comme illustré sur la figure 2. La figure 3 présente une structure typique d'un amplificateur différentiel. Celui-ci comporte deux transitors 31 , 32 en parallèle, par exemple du type MOS, reliés par leur drain, via une résistance de charge 33, 34, à la tension VDD et par leurs sources au drain du transistor de pied 21 1. Les entrées de l'amplificateur sont formées des grilles des transistors 31 , 32. La source du transistor de pied est reliée à la masse et sa grille est commandée par la tension de commande 22. Les résistances de charges 31 et 32 peuvent être réalisées au moyen de transistors.

Une solution duale à celle présentée aux figures 1 et 2 est bien sûr possible. Dans cette solution duale l'alimentation négative (masse) du bloc 1 est commutée par un transistor MOS N, les entrées de la tension VDD et de la tension VDDref étant inversées au niveau de l'amplificateur.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif de commutation d'une alimentation électrique reliée à un ensemble de blocs, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un commutateur (3) reliant l'alimentation (VDD) et un bloc (1 ), la valeur du courant d'alimentation passant dans le commutateur étant commandée en fonction de la différence entre la tension de l'alimentation (VDD) au niveau des autres blocs et un seuil de tension.

2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que lorsque la tension de l'alimentation passe en dessous du seuil, le commutateur (3) est commandé pour limiter le courant d'alimentation qui le traverse.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le seuil de tension est supérieur à la tension nécessaire au fonctionnement des autres blocs.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le résultat de la différence de tension entre la tension de l'alimentation (VDD) au niveau des autres blocs et le seuil de tension est fourni par un amplificateur différentiel (4), la tension de l'alimentation (VDD) étant connectée à une entrée de l'amplificateur et le seuil étant connecté à une autre entrée.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le commutateur (3) étant un transistor, la tension de sortie de l'amplificateur (4) commande la valeur du courant traversant le transistor.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le commutateur (3) étant un transistor MOS P, la tension d'alimentation (VDD) est connectée à l'entrée négative de l'amplificateur (4) et le seuil de tension est connecté à l'entrée positive.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le transistor (3) est mis à l'état bloqué en coupant l'alimentation électrique de l'amplificateur (4).

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'amplificateur est relié à l'alimentation via un transistor (21 ), l'alimentation de l'amplificateur étant coupée en mettant ce transistor (21 ) à l'état bloqué.

9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'alimentation de l'amplificateur (4) est coupée en coupant l'alimentation de son transistor de pied (21 1 ).

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tension de seuil est égale à un pourcentage d'une tension de référence VDDref correspondant à la valeur nominale de l'alimentation VDD.

11. Réseau d'alimentation électrique d'un ensemble de blocs, caractérisé en ce que chaque bloc est relié à une source d'alimentation (VDD) par un bus de puissance (2), un bloc étant relié au bus (2) via un dispositif de commutation selon l'une quelconque des revendications précédentes.

12. Réseau selon la revendication 10, caractérisé en ce que la source d'alimentation est une batterie.