FR2960661A1

FR2960661A1 - Dispositif d'alimentation auxiliaire d'un equipement sur un bus d'alimentation limite en courant

Info

Publication number: FR2960661A1
Application number: FR1054063A
Authority: FR
Inventors: Nicolas Dangy-Caye; Christel Prioleau
Original assignee: Sagemcom Broadband SAS
Current assignee: Sagemcom Broadband SAS
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2011-12-02
Anticipated expiration: 2030-05-27
Also published as: US20130062950A1; CN102906664B; FR2960661B1; BR112012028469A2; EP2577420A1; CN102906664A; WO2011147785A1

Abstract

Le dispositif d'alimentation d'un équipement(2) par un bus d'alimentation(1) limité en courant selon une tension nominale (Vb) de l'équipement comporte un dispositif d'alimentation auxiliaire comprenant un organe de stockage d'énergie(5) et un organe(6 ) de déclenchement d'une alimentation auxiliaire de l'équipement(2) à partir de l'organe de stockage (5) par l'intermédiaire d'un convertisseur abaisseur de tension(7) de la tension auxiliaire à la tension nominale.

Description

1 La présente invention concerne un dispositif d' alimentation auxiliaire d'un équipement alimenté par un bus de tension nominale limité en courant. ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION On sait que les machines hôtes de traitement de données, qu'il s'agisse d'ordinateurs ou de plateformes de communication, comprennent généralement un bus d'alimentation régulé en tension limité en courant, par exemple un bus USB comportant des ports USB auxquels peuvent être raccordés des équipements externes. Certains de ces équipements, en particulier les disques durs externes, posent toutefois un problème en raison de l'appel de courant particulièrement élevé qui est engendré au moment d'un démarrage de l'équipement.

La puissance maximale disponible autorisée sur le bus d'alimentation USB (5V, 500mA) est généralement insuffisante pour subvenir à ces équipements. La puissance requise ne pourrait alors être obtenue qu'en fournissant un courant qui est généralement largement supérieur au courant maximum autorisé sur le bus d'alimentation USB. Pour pallier ces insuffisances de puissance nominale du port USB, il est courant d'assurer l'alimentation de l'équipement externe par un dispositif d'alimentation externe autonome. Cette solution est toutefois économiquement très désavantageuse en raison du coût supplémentaire engendré par le dispositif d'alimentation externe tant du point de vue de la fabrication que du point de vue du fonctionnement. En outre un dispositif d'alimentation externe augmente de façon sensible l'encombrement de l'équipement et complique le câblage de l'installation comportant cet équipement. 2 Pour pallier l'insuffisance de puissance nominale d'un port USB on a également proposé d'assurer l'alimentation de l'équipement par deux ports USB en utilisant un câble spécifique en Y. Toutefois cette solution ne peut être mise en oeuvre que si la machine hôte dispose d'un nombre suffisant de ports USB pour permettre le branchement de tous les équipements externes. Pour pallier l'insuffisance de puissance nominale du port USB il a également encore été envisagé de surdimensionner le bus d'alimentation de la machine hôte. Dans ce cas il est toutefois nécessaire d'effectuer un surdimensionnement global de l'ensemble de la machine hôte, ce qui entraîne un surcoût lors de la fabrication de la machine hôte. En outre cette solution ne peut pas être mise en place sur les machines hôtes existantes. OBJET DE L'INVENTION Un but de l'invention est d'assurer le fonctionnement d'un équipement, en particulier un disque dur externe, même lorsque le bus d'alimentation limité en courant n'est pas en mesure de fournir un courant suffisant. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION Partant de l'observation, laquelle fait déjà partie de l'invention, que dans de nombreux cas la demande de courant élevé est seulement ponctuelle au moment du démarrage de l'équipement, on propose selon l'invention un dispositif d'alimentation comprenant non seulement le bus d'alimentation limité en courant selon une tension nominale de l'équipement mais également un dispositif d'alimentation auxiliaire comprenant un organe de stockage d'énergie à une tension supérieure à la tension nominale associé à un régulateur de tension à la tension nominale,et un organe de 3 déclenchement libérant l'énergie stockée vers l'équipement en parallèle au bus d'alimentation. Ainsi l'utilisation d'un organe de stockage à une tension supérieure à la tension nominale permet de fournir brusquement la puissance nécessaire pour le démarrage de l'équipement. Selon une version avantageuse de l'invention l'organe de déclenchement est sensible à une tension effective du bus d'alimentation. On profite ainsi de la baisse de tension effective du bus d'alimentation au moment du démarrage de disque dur pour synchroniser automatiquement un besoin supplémentaire de courant avec le déclenchement de l'alimentation auxiliaire. Selon un autre aspect avantageux de l'invention l'organe de stockage est alimenté par un circuit élévateur de tension relié au bus d'alimentation. Il est ainsi possible d'assurer une charge de l'organe de stockage d'électricité sans avoir recours à une quelconque alimentation externe.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de différents modes de réalisation de l'invention en référence aux figures ci-jointes parmi lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation du dispositif d'alimentation selon l'invention, - la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif d'alimentation analogue à celui de la figure 1 équipé en outre d'un organe de temporisation du déclenchement de l'alimentation auxiliaire, 4 - la figure 3 est une représentation schématique d'une variante de réalisation du dispositif d'alimentation de la figure 1 équipé d'un organe de temporisation du déclenchement de l'alimentation auxiliaire, - la figure 4 est une représentation schématique d'un dispositif d'alimentation analogue à celui de la figure 3 équipé d'une variante d'organe de temporisation, - la figure 5 est une représentation schématique d'un dispositif analogue à celui de la figure 4 équipé d'un circuit de protection contre les surcharges en courant, - la figure 6 est une représentation schématique d'une autre variante de réalisation du dispositif de la figure 1, - la figure 7 est une représentation schématique d'une variante de réalisation du dispositif de la figure 2, - la figure 8 est une représentation schématique d'un dispositif d'alimentation selon l'invention dans lequel l'organe de stockage est alimenté par un circuit élévateur de tension relié au bus d'alimentation. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La figure 1 illustre un premier mode de réalisation selon lequel le dispositif d'alimentation de l'invention est intégré à une machine hôte comprenant un bus d'alimentation 1 selon une tension nominale Vb d'un équipement 2 à alimenter, ici un disque dur externe relié à un port USB 3 de la machine hôte. Le bus d'alimentation 1 est basé sur une conversion tension/tension 7 et est limité en courant. Dans ce premier mode de réalisation le dispositif d'alimentation selon l'invention est intégré à une machine hôte comprenant également une ligne d'alimentation 4 régulée en tension délivrant une tension auxiliaire Va supérieure à la tension du bus d'alimentation. Typiquement le bus d'alimentation limité en courant est un bus USB à une tension de 5 V tandis que la tension auxiliaire est à 12 V. 5 Le dispositif d'alimentation comprend un organe de stockage d'énergie 5 relié à la ligne d'alimentation 4 par l'intermédiaire d'une résistance de charge 8. L'organe de stockage d'énergie 5 est associé à un régulateur de tension 7 délivrant une tension à la tension nominale Vb, et à un organe de déclenchement 6 constituant l'alimentation auxiliaire de l'équipement 1. Dans le mode de réalisation illustrée par la figure 1, l'organe de stockage d'énergie 5 est une capacité ayant une borne reliée à la masse est une borne opposée reliée au drain d'un transistor nMOS formant l'organe de déclenchement 6. Le transistor 6 a par ailleurs sa source reliée au bus USB 1 et sa grille associée à des résistances 9, 10 montées en pont avec la ligne d'alimentation auxiliaire 4 de façon que la différence de potentiel grille/source du transistor MOS 6 soit égale ou supérieure à une tension de seuil du transistor 6 pour laquelle le transistor 6 est conducteur lorsque la tension effective du bus d'alimentation 1 est inférieure ou égale à une tension d'aide Vh pour laquelle l'alimentation auxiliaire doit être déclenchée. Lors de la mise en route de la machine hôte le transistor 6 est bloqué et le condensateur 5 se charge jusqu'à atteindre une tension cible égale à la tension auxiliaire Va.

Lorsqu'un équipement tel qu'un disque dur externe consommant au démarrage un courant supérieur à celui que le 6 bus d'alimentation USB peut délivrer est branché sur le port USB 3, l'appel de courant qui en résulte fait chuter la tension d'alimentation Vb. Lorsque cette tension d'alimentation atteint la valeur de la tension d'aide Vh, le transistor 6 est rendu conducteur et la capacité 5 se décharge dans le circuit en délivrant un courant d'alimentation auxiliaire en complément du courant délivré par le convertisseur 7 et permettant une remontée de la tension du bus d'alimentation USB. Le courant auxiliaire n'est délivré par l'organe de stockage que pendant une brève période de temps au-delà de laquelle l'équipement est supposé fonctionner avec un courant suffisamment faible pour pouvoir être alimenté par le seul bus d'alimentation USB. Typiquement le courant auxiliaire présente un pic d'environ 4 A au moment du branchement de l'équipement, immédiatement suivi d'un plateau à 2 A pendant environ 150 ps alors que le courant nominal de fonctionnement est de 400 mA seulement. On remarquera que dans ce mode de réalisation il est nécessaire de mettre en route la machine hôte avant de brancher l'équipement externe. En effet, si la machine hôte et mise en route alors que l'équipement externe est déjà branché le transistor 6 sera rendu conducteur alors que la capacité 5 n'est pas encore chargée.

La figure 2 illustre un dispositif d'alimentation analogue à celui de la figure 1 équipé en outre d'un organe de temporisation du déclenchement de l'alimentation auxiliaire. Sur la figure 2 les composants identiques au dispositif d'alimentation de la figure 1 portent la même référence numérique. 7 Dans le mode de réalisation illustré par la figure 2 l'organe de temporisation comprend un transistor npn 11 dont l'émetteur est relié à la masse, le collecteur est relié à la grille du transistor MOS 6 en un point intermédiaire entre les résistances 9 et 10, et la base est reliée au travers d'une résistance à la sortie d'un comparateur 12 ayant une entrée inverse maintenue à une tension cible Vc et une entrée directe reliée au condensateur 5 pour en mesurer la tension instantanée.

Ainsi, tant que la tension instantanée du condensateur 5 est inférieure à la tension cible le transistor 11 est conducteur et la grille du transistor MOS 6 est maintenue à zéro de sorte que le transistor MOS est bloqué. Le condensateur 5 est progressivement chargé. Lorsque la tension instantanée du condensateur 5 atteint la tension cible, le transistor 11 est bloqué et le dispositif d'alimentation auxiliaire fonctionne alors comme décrit à propos de la figure 1. La figure 3 illustre une variante de réalisation du dispositif de la figure 2. Comme précédemment les composants identiques aux modes de réalisation précédents portent la même référence numérique. Dans ce mode de réalisation le transistor 11 et le comparateur 12 sont remplacés par une simple capacité 13 ayant une borne reliée à la masse et une borne opposée reliée à la grille du transistor 6 en un point intermédiaire entre les résistances 9 et 10. On notera toutefois qu'au démarrage la capacité vide de ce dispositif représente une charge additionnelle. La figure 4 illustre un dispositif d'alimentation analogue à celui de la figure 3 comportant en outre un circuit 8 comparateur comportant un transistor 11 et un comparateur 12 comme dans le mode de réalisation de la figure 2, et un transistor npn 14 ayant son émetteur relié à la masse, son collecteur relié à la grille du transistor 6, et dont la base reçoit au départ une tension le rendant conducteur puis une tension assurant son blocage. La figure 5 illustre un dispositif analogue à celui de la figure 4 comportant un circuit de protection contre les surcharges en courant. À cet effet le dispositif d'alimentation comporte un transistor pMOS 15 dont la liaison drain/source est montée en série sur la ligne de sortie comportant le port USB 3, et dont la grille est reliée au collecteur d'un transistor npn 16 dont l'émetteur est relié à la masse et la base est reliée à la sortie du comparateur 12 au travers d'une résistance. L'entrée inverse du comparateur 12 et le collecteur du transistor 16 sont reliés à un pont de résistances 17 à 19 fixant la tension cible Vc. Lors du chargement initial le transistor 15 est bloqué tant que la capacité 5 n'a pas atteint la tension cible Vc. Aucun courant ne peut s'écouler vers un éventuel équipement externe connecté au port USB 3. Lorsque la tension cible a été atteinte, le transistor MOS 15 devient passant et autorise l'écoulement d'un courant vers un équipement 2 connecté au port USB 3. Tant que la tension de la capacité 5 ne descend pas en dessous d'une tension critique Vcc définie par les résistances de 17,18 et 19 le courant peut s'écouler vers l'équipement. En cas de surcharge, par exemple en cas de court-circuit, la capacité 5 se vide jusqu'à la tension critique à laquelle le transistor pMOS 15 se bloque de sorte que le système est isolé de la 9 surcharge créée par le court-circuit. Ainsi isolée la capacité 5 se charge et le cycle se renouvelle tant que le court-circuit est présent. Dans les modes de réalisation qui précèdent l'un des paramètres de fonctionnement du dispositif d'alimentation est la tension de seuil du transistor MOS. Cette tension de seuil peut varier en fonction du processus de fabrication du transistor. Cette variation de la tension de seuil peut être gênante dans certains cas.

La figure 6 illustre une variante de réalisation du dispositif d'alimentation selon l'invention dans laquelle le transistor MOS du premier mode de réalisation est remplacé par un transistor npn 21 dont l'émetteur est relié à une diode de Schottky 22, la résistance 10 étant par ailleurs remplacée par une diode Zener 23 reliée d'une part à la masse et d'autre part à la base du transistor 21. La tension de la base du transistor npn 21 est égale à la tension Vz imposée par la diode Zener. On a donc une référence de tension sur la base du transistor 21. Cette référence de tension est fixée en fonction de la tension d'aide que l'on souhaite obtenir, de la tension Vd de la diode Schottky et de la tension Vbe de la liaison base/émetteur du transistor 21. Lorsque la tension du bus d'alimentation est supérieure à la tension d'aide on a : Vbe + Vd < 0.65. Le transistor 21 est bloqué. Aucun courant ne peut s'écouler depuis la capacité vers les équipements externes. Au contraire lorsque la tension du bus USB est inférieure à la tension d'aide, la tension de la liaison base/émetteur du transistor 21 est supérieure à 0.65 et le transistor 21 10 est passant. Le courant peut s'écouler depuis la capacité 5 vers l'équipement 2. Par rapport aux modes de réalisation exposés ci-dessus on notera toutefois que ce mode de réalisation présente l'inconvénient d'une perte de puissance dans la diode de Schottky. La figure 7 illustre une variante de réalisation permettant d'éliminer les conséquences d'une variation du seuil de tension d'un transistor MOS. Partant du dispositif décrit en relation avec la figure 1, la résistance 10 est remplacée par un transistor npn 24 dont le collecteur est relié à la grille du transistor MOS 6, l'émetteur est relié à la masse et la base est reliée à la sortie d'un comparateur 25 au travers d'une résistance dont l'entrée directe est reliée à la source du transistor MOS 6 et dont l'entrée inverse reçoit une tension représentative de la tension d'aide Vh. Le comparateur de tension 25 a pour fonction de commander la mise à disposition de la puissance auxiliaire stockée dans la capacité 5. Si la tension du bus d'alimentation descend en dessous de la tension d'aide, la sortie du comparateur 25 bascule et permet de contrôler la tension de grille du transistor 6 afin que celui-ci conduise. Lorsque l'équipement externe 2 ne requiert plus d'énergie supplémentaire, la tension instantanée du bus revient à sa valeur nominale, c'est-à-dire supérieure à la tension d'aide, de sorte que le comparateur change d'état et bloque à nouveau le transistor MOS 6. Le comparateur 25 permet ainsi de contourner le problème d'incertitude de la tension de seuil du transistor MOS 6. Cette solution étant toutefois plus onéreuse on la 11 choisira seulement lorsque les circonstances la rendent nécessaire. Lorsque la machine hôte ne dispose pas d'une alimentation à une tension supérieure à la tension nominale de l'équipement, on prévoit selon l'invention un circuit élévateur de tension relié au bus d'alimentation. De préférence le dispositif d'alimentation comporte des moyens pour assurer non seulement une charge initiale de la capacité 5 mais également un maintien de cette charge pour combler des courants de fuite. Un exemple de réalisation du circuit élévateur de tension est illustré par la figure 8 en relation avec un dispositif d'alimentation conforme au mode de réalisation illustré par la figure 3.

Partant du schéma de la figure 3, le convertisseur 7 est remplacé par un étage élévateur de tension comprenant une inductance 26 ayant une borne reliée au bus d'alimentation USB et une borne opposée reliée d'une part à l'entrée d'une diode 27 et d'autre part au drain d'un transistor pMOS 28 dont la source est reliée à la masse et dont la grille est reliée à un microcontrôleur 29. La sortie de la diode 27 est reliée d'une part à la borne haute tension de la capacité 5 et d'autre part à une entrée du microcontrôleur 29. Le microcontrôleur 29 est par ailleurs relié à la grille d'un transistor nMOS 30 dont la liaison source/drain est montée en série avec le port USB 3 sur le bus d'alimentation USB. Le transistor MOS 30 sert à assurer un isolement de l'équipement externe tant que la capacité 5 n'est pas chargée.

On notera que le coût de l'étage élévateur de tension peut être particulièrement bas dans la mesure où la 12 rapidité de temps de charge de la capacité 5 n'est pas primordiale. Ainsi, la lente pente d'élévation de tension permet de dimensionner avantageusement l'inductance 26, la diode 27 et le transistor 28 afin de réaliser un étage élévateur de tension à moindre coût. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et est susceptible de modifications qui apparaîtront à l'homme de métier dans le cadre de l'invention telle que définie par les revendications.

En particulier, bien que l'utilisation d'un comparateur 12 ait été illustrée par la figure 4 en relation avec le mode de réalisation de la figure 3, une telle application peut également être réalisée en relation avec le dispositif d'alimentation tel qu'illustré par la figure 1. Il en est de même pour l'utilisation d'un étage élévateur de tension comme illustré par la figure 8. L'invention ne se limite pas aux disques durs externes USB ; elle peut s'étendre et s'appliquer également à d'autres type d'insertion d'éléments externes sur une machine hôte. Un autre exemple est l'insertion d'équipement électroniques dans une cage SFP.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif d'alimentation d'un équipement(2) par un bus d'alimentation(l) limité en courant selon une tension nominale(Vb) de l'équipement caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'alimentation auxiliaire comprenant un organe de stockage d'énergie(5) à une tension(Va) supérieure à la tension nominale (Vb) associé à un régulateur de tension (7;26), et un organe de déclenchement (6 ;21 ) libérant l'énergie stockée vers l'équipement en parallèle au bus d'alimentation.
2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'organe de déclenchement (6 ;21) est sensible à une tension effective du bus d'alimentation.
3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'organe de stockage(5) est alimenté par un circuit élévateur de tension (26-28) relié au bus d'alimentation.
4 Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un organe de temporisation (11 ;13) retardant un déclenchement de l'alimentation auxiliaire.
5. Dispositif selon la revendication 2 et la revendication 4 caractérisé en ce que l'organe de temporisation comporte un comparateur (12) entre une tension instantanée de l'organe de stockage et une tension cible.
6. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'organe de stockage est une capacité (5) associée à un transistor MOS (6) ayant une tension de grille fixée par un pont de résistances (9,10) de façon qu'une différence de potentiel grille/source du transistor MOS soit égale ou supérieure à une tension de seuil du transistor MOS lorsque la tension effective du bus d'alimentation est inférieure 14 ou égale à une tension d'aide (Vh) pour laquelle l'alimentation auxiliaire est déclenchée.
7. Dispositif selon un revendication 4 et la revendication 6 caractérisé en ce que l'organe de temporisation est un transistor de blocage (11)assurant un maintien de la tension de grille du transistor MOS (6) à zéro pendant un temps nécessaire à une charge de l'organe de stockage.
8. Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que le transistor de blocage (11) a une base reliée à la sortie d'un comparateur(12) de la tension cible avec une tension effective de l'organe de stockage.
9. Dispositif selon la revendication 4 et la revendication 6 caractérisé en ce que l'organe de temporisation est une capacité (13) reliée entre un point intermédiaire du pont de résistances et une masse du dispositif.
10. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un organe (16,15) de limitation de courant à travers le dispositif d'alimentation auxiliaire.