FR3011700A1

FR3011700A1 - Systeme de regulation de tension

Info

Publication number: FR3011700A1
Application number: FR1359587A
Authority: FR
Inventors: Jean-Pierre Delcol; Aurore Desgeorge
Original assignee: Continental Automotive GmbH; Continental Automotive France SAS
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2013-10-03
Filing date: 2013-10-03
Publication date: 2015-04-10
Anticipated expiration: 2033-10-03
Also published as: US20150097427A1; CN104516386A; FR3011700B1; US10207662B2; CN104516386B

Abstract

Un système de régulation de tension, en particulier pour véhicule automobile, adapté pour être relié à une source de tension afin de fournir une tension régulée Vdd à au moins un organe fonctionnel F, le système de régulation comportant un pré-régulateur adapté pour être relié à une source de tension et un régulateur REG comportant au moins un port de pré-régulation PPR adapté pour être relié audit pré-régulateur et un port fonctionnel Pdd adapté pour être relié à un organe fonctionnel, ledit régulateur comportant un dispositif d'adaptation Q reliant directement le port de pré-régulation au port fonctionnel dudit régulateur, le dispositif d'adaptation étant constitué d'un unique transistor de puissance MOS comprenant un drain D, une source S et une grille G. Le transistor MOS comporte une diode intrinsèque DIODE entre son drain et sa source qui est orientée de manière à bloquer la circulation d'un courant entre ledit port fonctionnel et ledit port de pré-régulation.

Description

La présente invention concerne le domaine des régulateurs de tension, en particulier, pour une application automobile. De manière connue, en référence à la figure 1, un véhicule automobile comporte une batterie d'alimentation BAT reliée à un système de régulation de tension 1 5 afin de fournir une tension d'alimentation régulée à une pluralité d'organes fonctionnels F1-F3, par exemple des injecteurs de carburant. Pour adapter la tension d'alimentation fournie aux organes fonctionnels F1-F3, le système de régulation de tension 1 comporte ordinairement, pour chaque organe fonctionnel F1-F3, un pré-régulateur de tension PR1-PR3 et un régulateur de tension REG1-REG3. A titre 10 d'exemple, les organes fonctionnels F1-F3 nécessitent respectivement des tensions d'alimentation Vddi, Vdd2, Vdd3 égales à 1,9 V, 3,3 V et 5,0 V alors que la tension de la batterie Vbat est égale à 12 V. De manière avantageuse, l'utilisation d'un pré-régulateur permet d'optimiser la dissipation de puissance afin d'obtenir un système de régulation à coût réduit. 15 Chaque pré-régulateur PR1-PR3 permet de délivrer une tension pré- régulée Vpp1-VpR3 à partir de la tension Vbat fournie par la batterie BAT avant d'alimenter le régulateur REG1-REG3 auquel il est associé. La tension VpR1-VpR3 fournie par un pré-régulateur PR1-PR3 est ensuite adaptée par le régulateur REG1-REG3 afin de fournir une tension d'alimentation adaptée Vddi-Vdd3 aux besoins des organes fonctionnels F1-F3. 20 A cet effet, en référence à la figure 2, un régulateur REG comporte au moins un port de pré-régulation Ppp adapté pour être relié à un pré-régulateur PR et un port fonctionnel Pdd adapté pour être relié à un organe fonctionnel F. De manière ordinaire, un régulateur REG comporte un dispositif d'adaptation 01 reliant directement le port de pré-régulation Ppp au port fonctionnel du 25 régulateur Pdd. Le dispositif d'adaptation 01 a pour fonction de fournir une tension d'alimentation Vdd au port fonctionnel Pdd à partir de la tension pré-régulée Vpp du port de pré-régulation PPR Dans l'art antérieur, selon une première forme de réalisation représentée à la figure 2, un dispositif d'adaptation 01 comporte un unique transistor de 30 puissance NMOS1 qui comprend de manière classique un drain D1, une source Si et une grille G1. De manière ordinaire, le transistor NMOS1 comporte un canal de circulation de courant qui est modulé par une tension appliquée à la grille G1. En outre, un transistor NMOS1 comporte de manière intrinsèque une résistance interne RDs entre son 35 drain D1 et sa source Si, connue de l'homme du métier.

De manière connue, le transistor NMOS1 comporte de manière intrinsèque une diode DIODE1 , connue sous sa dénomination anglaise « body diode », comprenant une cathode reliée au drain D1 du transistor NMOS1 et une anode reliée à la source Si du transistor NMOS1. En fonction normale, lors de la régulation, un courant circule du drain D1 vers la source Si via le canal de circulation de courant qui est modulé par la tension de grille G1. Pour permettre un réglage précis de la tension d'alimentation Vdd, le drain D1 du transistor NMOS1 est relié au port de pré-régulation Ppp tandis que la source Si du transistor NMOS1 est reliée au port d'alimentation Pdd. Selon cette configuration, le dispositif d'adaptation 01 est adapté pour offrir une large plage de tension d'alimentation Vdd à partir d'une tension pré-régulée Vpp donnée. A titre d'exemple, l'écart entre la tension d'alimentation Vdd et la tension pré-régulée Vpp peut atteindre plusieurs volts. Un tel dispositif d'adaptation 01 ne protège pas le régulateur REG contre un 15 éventuel court-circuit au niveau du port d'alimentation Pdd. En effet, si la tension d'alimentation Vdd devient supérieure à la tension pré-régulée Vpp du fait d'un court-circuit, un courant de court-circuit l' peut circuler au travers de la diode DIODE1 qui devient passante, du port d'alimentation Pdd jusqu'au port de pré-régulation PpR, ce qui peut endommager le système de régulation dans son ensemble. 20 Afin d'éliminer cet inconvénient, en référence à la figure 3, il a été proposé un dispositif d'adaptation 02 constitué de deux transistors de puissance NMOS1, NMOS2 placés en série selon une disposition « dos à dos », plus connue sous sa dénomination anglaise « back to back ». Dans la deuxième forme de réalisation de la figure 3, le dispositif d'adaptation 02 est constitué d'un premier transistor NMOS1 dont le drain D1 25 est relié au port de pré-régulation Ppp et d'un deuxième transistor NMOS2 dont le drain D2 est relié au port d'alimentation Pdd, les sources 51, S2 des transistors NMOS1, NMOS2 étant reliées ensemble. Selon cette deuxième forme de réalisation, tout courant de court-circuit l' issu du port d'alimentation Pdd est bloqué par la diode DIODE2 du deuxième 30 transistor NMOS2. En effet, comme le deuxième transistor NMOS2 est inversé par rapport au premier transistor NMOS1, la diode DIODE2 du deuxième transistor NMOS2 bloque tout courant issu du port d'alimentation Pdd. Autrement dit, le deuxième transistor NMOS2 remplit une fonction de protection du système de régulation, ce qui est avantageux. 35 Cette forme de réalisation présente néanmoins l'inconvénient de doubler la résistance interne RDs du dispositif d'adaptation 02 par comparaison à l'art antérieur, ce qui est préjudiciable, en particulier, pour la génération de chaleur. En effet, les résistances internes RDs des transistors NMOS1, NMOS2 s'additionnent en série. Aussi, pour éliminer cet inconvénient, il a été proposé de réduire de moitié la résistance interne RDs de chaque transistor NMOS1, NMOS2 afin d'obtenir une résistance équivalente à la première forme de réalisation de la figure 2. Néanmoins, un tel dispositif d'adaptation 02 possède un coût de fabrication élevé. En effet, le régulateur est classiquement formé sur une carte ASIC à base de silicium. Plus la résistance interne d'un transistor NMOS1/NMOS2 est faible, plus la surface de silicium utilisée est importante.

Aussi, par comparaison avec le dispositif d'adaptation 01 de la figure 2 constitué d'un unique transistor NMOS1 de résistance interne RDs, un dispositif d'adaptation 02 constitué de deux transistors NMOS1, NMOS2 de résistance interne RDs/2 nécessite une surface de silicium quatre fois plus importante, ce qui pénalise l'encombrement du système de régulation ainsi que son prix. Il a été présenté des dispositifs d'adaptation 01, 02 avec des transistors de puissance NMOS à canal N mais il va de soi que les inconvénients sont similaires avec des transistors de puissance PMOS à canal P. L'invention a pour but de fournir un système de régulation qui permette une protection contre un court-circuit tout en possédant un coût de fabrication faible.

A cet effet, l'invention concerne un système de régulation de tension, en particulier pour véhicule automobile, adapté pour être relié à une source de tension afin de fournir une tension régulée à au moins un organe fonctionnel, le système de régulation comportant : - un pré-régulateur adapté pour être relié à une source de tension - un régulateur comportant au moins un port de pré-régulation adapté pour être relié audit pré-régulateur et un port fonctionnel adapté pour être relié à un organe fonctionnel, ledit régulateur comportant un dispositif d'adaptation reliant directement le port de pré-régulation au port fonctionnel dudit régulateur, le dispositif d'adaptation étant constitué d'un unique transistor de puissance MOS comprenant un drain, une source et une grille. L'invention est remarquable en ce que le transistor MOS (NMOS ou PMOS) comporte une diode intrinsèque, entre son drain et sa source, qui est orientée de manière à bloquer la circulation d'un courant entre ledit port fonctionnel et ledit port de pré-35 régulation. Autrement dit, par comparaison à la deuxième forme de réalisation de la figure 3, le premier transistor de puissance, utilisé pour permettre l'adaptation de tension, a été retiré et seul le deuxième transistor de puissance, utilisé pour assurer la protection contre un court-circuit, est conservé. Grâce à l'invention, on utilise un transistor de manière « inversée » afin de protéger le circuit tout en limitant la quantité de silicium consommée. En effet, par comparaison à la deuxième forme de réalisation de la figure 3, la quantité de silicium consommée est quatre fois moins importante étant donné que le dispositif d'adaptation est constitué d'un unique transistor. Un transistor de puissance utilisé de manière « inversée » possède une plage plus étroite d'adaptation par comparaison à un transistor de puissance utilisé de manière 10 « classique » comme illustré à la figure 2. Néanmoins, cette particularité peut être adressée en contrôlant le pré-régulateur. De manière préférée, ledit transistor MOS comportant une diode intrinsèque de tension directe Vdiode, le port fonctionnel du régulateur étant adapté pour recevoir une tension fonctionnelle Vdd, le pré-régulateur est configuré pour fournir au port de pré-15 régulation une tension de pré-régulation Vpp de manière à ce que : Vpp G Vdd + Vdiode De manière connue, la tension directe Vdiode correspond à la tension à partir de laquelle la diode autorise la circulation d'un courant selon son sens passant. Ainsi, en imposant une condition sur la tension de pré-régulation Vpp en 20 fonction des caractéristiques de l'organe fonctionnel (Vdd) à alimenter et du régulateur (Vdiode), on obtient un système de régulation robuste, protégé et de coût faible. De préférence, le pré-régulateur comportant au moins un transistor MOS de pré-régulation, le régulateur comporte un dispositif de contrôle adapté pour contrôler la 25 grille dudit transistor MOS de pré-régulation de manière à régler la tension de pré-régulation Vpp, de préférence, conformément à la formule mathématique ci-dessus. Ainsi, le régulateur permet de paramétrer le pré-régulateur en fonction de l'organe fonctionnel à alimenter. Le système de régulation est avantageusement paramétrable pour s'adapter à tout type de besoin. 30 Selon un aspect préféré de l'invention, le dispositif de contrôle comporte au moins un amplificateur opérationnel. Selon un aspect de l'invention, ledit transistor MOS dudit dispositif d'adaptation est un transistor NMOS à canal N et la source dudit transistor NMOS est reliée au port de pré-régulation tandis que le drain dudit transistor NMOS est relié au port 35 fonctionnel dudit régulateur. Un tel transistor NMOS possède une diode intrinsèque orientée de manière à bloquer la circulation d'un courant entre ledit port fonctionnel et ledit port de pré-régulation.

Selon un autre aspect de l'invention, ledit transistor MOS dudit dispositif d'adaptation est un transistor PMOS à canal P, la source dudit transistor PMOS est reliée au port fonctionnel tandis que le drain dudit transistor PMOS est relié au port de pré-régulation dudit régulateur. Un tel transistor PMOS possède une diode intrinsèque orientée de manière à bloquer la circulation d'un courant entre ledit port fonctionnel et ledit port de pré-régulation. L'invention concerne en outre un véhicule de transport, en particulier automobile, comportant un système de régulation de tension tel que présenté précédemment.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et se référant aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d'un système de régulation connecté à une batterie et à un organe fonctionnel ; la figure 2 est une représentation schématique d'un système de régulateur comportant un pré-régulateur et un régulateur comprenant un dispositif d'adaptation comprenant un unique transistor NMOS dont le drain est relié au port de pré-régulation ; la figure 3 est une deuxième forme de réalisation schématique d'un dispositif d'adaptation selon l'art antérieur comprenant deux transistors NMOS placés « dos à dos » ; la figure 4 est une représentation schématique d'un dispositif d'adaptation selon une forme de réalisation de l'invention avec un transistor NMOS ; la figure 5 est une représentation schématique d'un régulateur comportant un dispositif d'adaptation et un dispositif de contrôle selon une forme de réalisation de l'invention ; et la figure 6 est une représentation schématique d'un dispositif d'adaptation selon une forme de réalisation de l'invention avec un transistor PMOS. Il faut noter que les figures exposent l'invention de manière détaillée pour mettre en oeuvre l'invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir 30 l'invention le cas échéant. En référence à la figure 4, pour adapter la tension d'alimentation fournie aux organes fonctionnels d'un véhicule automobile, le système de régulation 1 comporte pour chaque organe fonctionnel, un pré-régulateur de tension PR et un régulateur de tension REG. Dans cet exemple, le système de régulation 1 se présente sous la forme 35 d'une carte électronique comportant du silicium. Le système de régulation 1 comporte un pré-régulateur PR adapté pour être relié à une source de tension, ici une batterie d'alimentation BAT, et un régulateur REG comportant un port de pré-régulation Ppp adapté pour être relié audit pré-régulateur PR et un port fonctionnel Pdd adapté pour être relié à un organe fonctionnel F. Dans cet exemple de réalisation, le régulateur REG comporte un dispositif d'adaptation Q reliant directement le port de pré-régulation Ppp au port fonctionnel Pdd du 5 régulateur REG, le dispositif d'adaptation Q étant constitué d'un unique transistor de puissance NMOS comprenant un drain D, une source S et une grille G. De manière connue, le transistor NMOS comporte un canal de circulation de courant qui est modulé par une tension appliquée à la grille G. En outre, le transistor NMOS comporte de manière intrinsèque une résistance interne RDs entre son drain D et sa source S, connue de 10 l'homme du métier. Un dispositif d'adaptation Q avec un unique transistor NMOS permet de limiter la quantité de silicium utilisée pour la carte électronique, ce qui est avantageux. Selon cette forme de réalisation de l'invention, en référence à la figure 4, la source S dudit transistor NMOS est reliée au port de pré-régulation Ppp tandis que le 15 drain D dudit transistor NMOS est relié au port fonctionnel Pdd dudit régulateur REG. Le transistor NMOS comporte une diode intrinsèque DIODE, appelée « body diode » de tension directe Vdiode, par exemple, de l'ordre de 0,6V. Ainsi, de manière avantageuse, lorsque la tension aux bornes de la diode DIODE est supérieure à la tension directe Vdiode, la diode DIODE conduit le courant depuis la source S vers le 20 drain D du transistor NMOS. Lorsqu'un courant de court-circuit Icc circule depuis le drain D vers la source S du transistor NMOS, la diode DIODE bloque sa circulation. Autrement dit, le transistor NMOS remplit une fonction de protection du système de régulation 1, ce qui est avantageux. 25 Dans cet exemple de mise en oeuvre, le port fonctionnel Pdd du régulateur REG est adapté pour recevoir une tension fonctionnelle Vdd, le pré-régulateur PR est configuré pour fournir au port de pré-régulation Ppp une tension de pré-régulation Vpp de manière à ce que : Vpp < Vdd + Vdiode (1) 30 De manière avantageuse, une telle gestion du pré-régulateur PR permet d'éviter tout dépassement de la tension de seuil Vdiode tout en permettant d'atteindre la tension d'alimentation Vdd adaptée aux besoins de l'organe fonctionnel F. Autrement dit, en respectant cette condition, le courant circulant depuis la source S vers le drain D du transistor NMOS ne circule pas via la diode DIODE mais via 35 le canal de circulation de courant qui est modulé par la grille G. Ainsi, le transistor NMOS peut contrôler tension d'alimentation Vdd par modulation de la tension de grille G. De plus, tout courant de court-circuit lcc est bloqué par la diode DIODE.

De manière préférée, en référence à la figure 5, le régulateur REG comporte au moins un transistor MOS de pré-régulation MOSpR configuré pour définir la tension de pré-régulation Vpp, le régulateur REG comporte un dispositif de contrôle K adapté pour réguler la grille G dudit transistor MOS de pré-régulation MOSpR de manière à régler la tension de pré-régulation Vpp conformément à la l'équation (1). Dans cet exemple, le dispositif de contrôle K comporte au moins un amplificateur opérationnel afin de régler avec précision la tension de pré-régulation Vpp Dans cet exemple, le transistor MOS de pré-régulation est un transistor NMOS mais il va de soi qu'un transistor PMOS pourrait également convenir.

Autrement dit, le dispositif d'adaptation Q selon l'invention bénéficie de l'ensemble des bénéfices des formes de réalisation de l'art antérieur sans être doté des inconvénients. De manière préférée, le dispositif d'adaptation Q impose que la tension de pré-régulation Vpp soit proche de la tension fonctionnelle Vdd alors qu'une telle condition n'était pas nécessaire dans l'art antérieur. Bien que le dispositif d'adaptation Q nécessite un meilleur contrôle de la tension de pré-régulation Vpp, les bénéfices en termes de protection contre un court-circuit, de compacité et de coût sont importants. En pratique, pour une protection équivalente, le dispositif de régulation Q possède une surface quatre fois moins importante.

L'invention est d'autant plus inventive qu'elle répond à un besoin ancien dans le domaine de la régulation de tension. Enfin, la solution consistant à retirer un transistor NMOS d'un dispositif d'adaptation va à contre-pied des solutions de l'art antérieur qui visaient à ajouter de nouveaux éléments à un dispositif d'adaptation pour résoudre un problème. Ainsi, il a été proposé dans l'art antérieur de mettre deux transistors NMOS dos à dos pour éviter un court-circuit. Un préjugé a été ainsi vaincu. L'invention a été présentée pour une application de régulation de tension pour l'alimentation d'organes fonctionnels d'un véhicule automobile, par exemple, des injecteurs de carburant, etc. Néanmoins, il va de soi que l'invention s'applique à tout système de régulation de tension, en particulier, dans tous les domaines du transport ou de l'industrie. L'invention a été présentée pour un transistor NMOS, c'est-à-dire, un transistor MOS à canal N. Il va de soi que l'invention s'applique de manière similaire à un transistor PMOS à canal P comme illustré à la figure 6. Selon cette configuration, la source S dudit transistor PMOS est reliée au port fonctionnel Pdd tandis que le drain D dudit transistor PMOS est relié au port de pré-régulation Ppp dudit régulateur REG.

De même, l'invention s'applique également à un transistor DMOS ou VDMOS qui sont des types particuliers de transistors de puissance MOS.

Claims

REVENDICATIONS1. Système de régulation de tension (1), en particulier pour véhicule automobile, adapté pour être relié à une source de tension (BAT) afin de fournir une tension régulée (Vdd) à au moins un organe fonctionnel (F), le système de régulation comportant : - un pré-régulateur (PR) adapté pour être relié à une source de tension (BAT) ; et - un régulateur (REG) comportant au moins un port de pré-régulation (PpR) adapté pour être relié audit pré-régulateur (PR) et un port fonctionnel (Pdd) adapté pour être relié à un organe fonctionnel (F), ledit régulateur (REG) comportant un dispositif d'adaptation (Q) reliant directement le port de pré-régulation (PpR) au port fonctionnel (Pdd) dudit régulateur (REG), le dispositif d'adaptation (Q) étant constitué d'un unique transistor de puissance MOS comprenant un drain (D), une source (S) et une grille ; système caractérisé en ce que, le transistor MOS comporte une diode intrinsèque (DIODE) entre son drain (D) et sa source (S) qui est orientée de manière à bloquer la circulation d'un courant entre ledit port fonctionnel (Pdd) et ledit port de pré-15 régulation (PpR).
2. Système de régulation de tension selon la revendication 1, dans lequel, ledit transistor NMOS comportant une diode intrinsèque (DIODE) de tension directe Vdiode, le port fonctionnel (Pdd) du régulateur (REG) étant adapté pour recevoir une tension fonctionnelle Vdd, le pré-régulateur (PR) est configuré pour fournir au port de pré- 20 régulation (PpR) une tension de pré-régulation Vpp de manière à ce que : Vpp G Vdd + Vdiode
3. Système de régulation de tension selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel le pré-régulateur (PR) comportant au moins un transistor MOS de pré-régulation (MOSpR), le régulateur comporte un dispositif de 25 contrôle (K) adapté pour contrôler la grille dudit transistor MOS de pré-régulation (MOSpR) de manière à régler la tension de pré-régulation Vpp.
4. Système de régulation de tension selon la revendication 3, dans lequel le dispositif de contrôle (K) comporte au moins un amplificateur opérationnel.
5. Système de régulation de tension selon l'une quelconque des 30 revendications 1 à 4, dans lequel, ledit transistor MOS étant un transistor NMOS à canal N, la source (S) dudit transistor NMOS est reliée au port de pré-régulation (PpR) tandis que le drain (D) dudit transistor NMOS est relié au port fonctionnel (Pdd) dudit régulateur (REG).
6. Système de régulation de tension selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel, ledit transistor MOS étant un transistor PMOS à canal P, la source (S) dudit transistor PMOS est reliée au port fonctionnel (Pdd) tandis que le drain (D) dudit transistor PMOS est relié au port de pré-régulation (PpR) dudit régulateur (REG).
7. Véhicule de transport, en particulier automobile, comportant un système de régulation de tension selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.