ES2342645B1 - Circuito limitador de tension. - Google Patents

Abstract

Circuito limitador de tensión, formado por un bloque integrado por transistores (M_{1}-M_{4}) que compara una señal de referencia (VBGN) con una tensión (V_{L}) que es proporcional a la señal de aplicación (V_{SUPPLY}), y que es proporcionada por un divisor de tensión (R_{1}-R_{2}), yendo en la salida de dicho bloque comparador un condensador (C_{1}) que hace la función de filtro paso bajo, mientras que en un grupo de transistores (M_{7}-M_{9}) se aplica a través de un interruptor (M_{6}) la diferencia entre las señales (VBGN) y (V_{SUPPLY}) cuando esta última es mayor que la primera, de modo que el interruptor (M_{9}) absorbe la corriente que corresponde a esa diferencia entre las señales (VBGN) y (V_{SUPPLY}).

Description

Circuito limitador de tensión.

Sector de la técnica

El objeto de la presente invención pertenece al campo de los dispositivos que son utilizados como circuitos auxiliares de otros de propósito más especifico y les proporcionan protección frente a sobretensiones, como en circuitos integrados, proponiendo un limitador de tensión basado en una realización que le hace adecuado para aplicaciones de bajo consumo que tengan que protegerse de altos valores de tensión.

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Estado de la técnica

El ámbito del diseño de circuitos integrados es muy amplio, así como el número de aplicaciones e implementaciones en los que tienen cabida. La miniaturización de los componentes y el avance de la tecnología permiten a los circuitos integrados jugar un papel relevante en la electrónica actual.

Uno de los puntos comunes de casi todos los diseños de circuitos integrados es la necesidad de protección. Esta protección puede ser de distinta índole, pero casi siempre tiene que ver con la protección frente a sobretensiones que podrían dañar o incluso malograr los circuitos.

Los factores más relevantes a considerar en el diseño de estos circuitos son: el bajo consumo cuando no están activados y el mantenimiento de una tensión máxima permitida (V_{L}), que debe mantenerse estable frente a aumentos por encima del límite de la tensión de alimentación.

En ese sentido el documento EP 0524425 describe un circuito de protección contra sobretensiones que cuenta con un amplificador diferencial mediante el que se compara un valor de referencia (entrada no inversora) y el valor real (entrada inversora) de la tensión, yendo en la salida de dicho amplificador diferencial un circuito serie RC, de modo que, cuando ocurre una sobretensión, un condensador absorbe la tensión y en la salida no existe corriente.

El documento US 5091818 describe un circuito de protección contra sobretensiones, que comprende un transistor entre la tensión de entrada y tierra, al que va conectado un elemento interruptor para mantener la tensión por debajo de un valor de referencia y un circuito de control que controla al elemento interruptor.

El documento WO 0163737 describe un circuito en el que la tensión se rectifica y es comparada con una tensión de referencia, de modo que cuando ésta es superada se activa un interruptor electrónico, y cuando esto ocurre se carga un condensador suavizando la señal e impidiendo las sobretensiones.

El documento US 6483683 describe una protección de sobretensiones que utiliza un amplificador diferencial como comparador, en donde los transistores de entrada se protegen mediante otros transistores conectados como diodos.

El documento DE 19546132 describe un circuito limitador de la corriente de entrada y protector de las sobretensiones para un convertidor de tensión, en donde la corriente extra, en caso de sobretensión, es absorbida por un semiconductor de efecto de campo controlado.

Sin embargo, el bajo consumo cada día adopta mayor importancia con la proliferación de los dispositivos y aplicaciones inalámbricas. Este hecho ha inducido a desarrollar dispositivos de bajo consumo, con mayor autonomía de las baterías. De ahí la importancia de que un circuito como un limitador de tensión, que se implementa como protector, no consuma cuando no está funcionando como tal. Por otra parte, es también muy importante que la tensión que proporcione el limitador cuando esté activado, sea constante e independiente de que la tensión de alimentación siga aumentando. De esta manera, el diseño y el comportamiento de los bloques a los que protege se simplifica.

Una de las aplicaciones donde se reflejan claramente estas necesidades es el campo del RFID (Identificación por Radio Frecuencia). Se trata de una tecnología inalámbrica donde los receptores son pasivos (sin batería) y se alimentan de forma inalámbrica de la energía que procede del emisor. La necesidad de circuitos limitadores es evidente, ya que la excesiva proximidad entre emisor y receptor podría llegar a elevar la tensión en este último hasta valores peligrosos para su integridad. Por otra parte, el diseño de muy bajo consumo también es necesario ya que se trata de dispositivos pasivos.

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Objeto de la invención

En vista de lo anterior, la presente invención describe un circuito limitador de tensión muy estable frente a posibles variaciones de la señal a limitar, proporcionando una señal limitada con un valor máximo predeterminado que no se supera.

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La arquitectura utilizada proporciona al circuito limitador una notable invarianza a las posibles dispersiones del proceso de fabricación. Esta característica hace más interesante al circuito pues lo independiza del proceso de fabricación. Esto se consigue gracias a la utilización de una referencia de tensión (VBGN) compensada frente a posibles variaciones del proceso de fabricación.

El hecho de que el limitador ejerza sus funciones limitantes hasta valores muy elevados de tensión le dota de una versatilidad necesaria para poder ser implementado en aplicaciones que tengan que protegerse frente a grandes variaciones de señales. Por otra parte, cuando no está actuando como limitador, su consumo es muy reducido. Por ello, este circuito también es válido para aplicaciones de bajo consumo que tengan que protegerse frente a posibles altos valores de tensión, como es el caso de sistemas RFID.

El esquema del diseño se divide, principalmente, en una fuente de corriente que viene proporcionada por un transistor, un circuito comparador formado por transistores y un divisor de tensión. Por último, un grupo de transistores se hacen cargo de absorber la corriente extra necesaria para que la tensión limitada permanezca constante a pesar del aumento de tensión.

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Descripción de las figuras

La figura 1 representa en un bloque esquemático el limitador de tensión objeto de la invención, mostrando todas las señales que intervienen en su funcionamiento.

La figura 2 representa la arquitectura del circuito limitador de tensión acorde con la presente invención.

La figura 3 muestra el comportamiento real del circuito limitador de tensión, representando una gráfica del consumo de corriente en función de la tensión de alimentación, donde (V_{L}) es la máxima tensión permitida.

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Descripción detallada de la invención

La figura 1 muestra en un bloque esquemático el limitador, en donde se presentan todas las señales implicadas en el funcionamiento del limitador de tensión, que son las siguientes:

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V_{SUPPLY}: Es la alimentación del circuito. También es la señal que se desea limitar.

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POR: Se trata de una señal que sigue a (V_{SUPPLY}) una vez que ésta ha alcanzado un valor determinado de tensión. La señal (POR) es necesaria para evitar un consumo innecesario de la parte limitante del circuito cuando éste no está funcionando como tal. Se puede asemejar a una señal enable que permite el paso de la señal (V_{SUPPLY}) una vez que ésta última ha alcanzado un determinado valor de tensión. Con ello se consigue que el resto de los circuitos del sistema donde se implementa este limitador no consuman hasta que la tensión de alimentación no tenga un cierto valor mínimo.

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VBGN: Es una señal de tensión proveniente de una referencia de tensión. Es una tensión estable e invariante (tanto a dispersiones de proceso, temperatura o tensión de alimentación), que se utiliza como referencia en el comparador implementado en el circuito. Esta señal se activa después de haberlo hecho la señal (POR).

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G_{NMOS}: Es una señal proveniente de una fuente de corriente externa que tiene su rama espejo en un transistor (M_{5}), que hace las funciones de fuente de corriente para el circuito limitador, y específicamente para el comparador.

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V_{REG}: Es una señal regulada en tensión que puede provenir, por ejemplo, de un circuito regulador de tensión. En este caso es una tensión más elevada que (VBGN)y también aparece tras hacerlo la señal (POR).

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La figura 2 muestra la arquitectura del circuito limitador de tensión. El funcionamiento del mismo es bastante sencillo, ya que se basa en un simple comparador. En él se comparan dos señales: una de ellas es una tensión de referencia (VBGN) y la otra es una tensión (V_{L}) proporcional a la señal a limitar (V_{SUPPLY}). Mientras ésta última se mantenga por debajo de la señal de referencia (VBGN), el limitador no actúa. Pero cuando la señal de referencia (VBGN) es menor que la señal de entrada (V_{SUPPLY}), el limitador se activa, impidiendo que ésta aumente por encima de la tensión máxima permitida (V_{L}).

La forma de fijar la máxima tensión permitida (V_{L}) es dimensionar el divisor de tensión que forman las resistencias (R_{1}) y (R_{2}). Una vez determinada (V_{L}) los valores de las resistencias se calculan según la siguiente fórmula:

\frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}} = \frac{VBGN}{V_{L}}

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A la salida del comparador se ha añadido un condensador (C_{1}). Éste hace las funciones de un filtro paso bajo. Se encarga de filtrar un posible rizado que seria transmitido directamente a la señal de salida del comparador, y por tanto a la propia señal limitada. Así, se asegura la estabilidad del lazo de retroalimentación y se evita la posible oscilación.

Para evitar que se produzca un pico de consumo muy grande cuando el limitador de tensión comience a funcionar, debido a la carga del condensador (C_{1}), se ha añadido el transistor PMOS (M_{6}). Este transistor hace que desde un principio el condensador (C_{1}) esté cargado, antes incluso de que el limitador de tensión empiece a funcionar como tal. El transistor (M_{6}) permite el paso de alimentación al condensador (C_{1}) directamente hasta que aparezca la señal (POR), momento en el cual el transistor (M_{6}) se corta y a partir de entonces el limitador puede funcionar como tal una vez se den las condiciones necesarias.

Por otra parte, una vez la señal (POR) se ha activado, los transistores (M_{7}) y (M_{8}) se activan. Esta rama, a su vez activa al transistor (M_{9}), que será el encargado de absorber toda la corriente (I_{D}) extra para que no afecte al resto de los circuitos a los que protege. De hecho, el dimensionamiento del transistor (M_{9}) es clave, ya que tiene que ser lo suficientemente grande como para ser capaz de soportar las corrientes que tiene que absorber sin llegar a ser dañado.

La puerta del transistor (M_{8}) está conectada a (V_{REG}) por diversos motivos. Uno de ellos es el ahorro de energía. Esta señal es posterior en el tiempo a la aparición de la señal (POR), así que esa rama no consumirá hasta que (V_{REG}) aparezca. Además, su tensión es más alta que (VBGN), así se evita que el limitador deje de asumir corriente cuando ésta sea muy grande. Esto podría ocurrir si la tensión de fuente se hiciera muy grande y lograra poner en corte el transistor. Esto podría malograr el funcionamiento del circuito. Por ello, utilizando (V_{REG}), la corriente máxima será mayor que si utilizáramos una tensión menor en la puerta del transistor (M_{8}).

La figura 3 muestra el comportamiento del circuito limitador. Cuando el limitador está desactivado, el consumo de éste es nulo. Una vez que es activado, empieza a consumir corriente para evitar que la señal aumente de tensión. La máxima tensión que puede alcanzar (V_{SUPPLY}) viene determinada (limitada) por (V_{L}), como se aprecia en la gráfica.

Claims (3)

1. Circuito limitador de tensión, del tipo

destinado para aplicaciones de bajo consumo, caracterizado porque comprende un bloque comparador formado por transistores (M_{1}-M_{4}), mediante el cual se comparan una tensión de referencia (VBGN) y una tensión (V_{L}) proporcionada por un divisor de tensión (R_{1}-R_{2}) calculado para evitar que dicha tensión (V_{L}) sobrepase un valor máximo determinado, siendo la tensión (V_{L}) proporcional a la señal (V_{SUPPLY}) que se trata de limitar, aplicándose la diferencia entre las señales (VBGN) y (V_{SUPPLY}), cuando ésta última es mayor que la primera, a un grupo de transistores (M_{7}-M_{9}) que absorbe, mediante el transistor (M_{9}), la corriente que corresponde a esa diferencia entre las señales (VBGN) y (V_{SUPPLY}), estableciéndose el paso de la corriente de dicha diferencia al grupo de transistores (M_{7}-M_{9}) a través de un interruptor (M_{6}) que solo se activa cuando se da esa situación de que (V_{SUPPLY}) es mayor que (VBGN).

2. Circuito limitador de tensión, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque el bloque comparador (M_{1}-M_{4}) se alimenta con una señal (G_{NMOS}) procedente de una fuente de corriente externa, yendo a la salida de dicho bloque comparador (M_{1}-M_{4}) un condensador (C_{1}) que hace de filtro paso bajo.

3. Circuito limitador de tensión, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque el transistor intermedio (M_{8}) del conjunto (M_{7}-M_{9}) se alimenta con una señal (V_{REG}) regulada en tensión proveniente de una fuente externa, mayor que la tensión (VBGN) de referencia.