FR3065290A1 - Amplificateur de detection de courant a faible decalage - Google Patents

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Abstract

L'invention porte sur un amplificateur de détection de courant comportant : des premier et deuxième nœuds intermédiaires (108, 112) couplés à des premier et deuxième nœuds (107, 111) d'une résistance de détection (102) par un hacheur (201), et à des branches respectives d'un miroir de courant (114, 116) ; un amplificateur différentiel (202) présentant des entrées couplées aux premier et deuxième nœuds intermédiaires (108, 112) et adapté à générer des premier et deuxième signaux de tension (VP, VN) ; et des premier et deuxième transistors (212, 214) adaptés à être commandés respectivement par les premier et deuxième signaux de tension (VP, VN) et chacun dont l'un des nœuds conducteurs de courant principaux est couplé à un nœud respectif des premier et deuxième nœuds intermédiaires (108, 112).

Description

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 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 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 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 besoin d'un amplificateur de détection de courant offrant une meilleure précision.
,B15736 - 16-GR2-0713
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 de répondre, en partie au moins, à un ou plusieurs besoins de 1'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 nœuds intermédiaires couplés à des premier et deuxième nœuds 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 nœuds intermédiaires et adapté à générer un premier signal de tension lorsque la tension au premier nœud intermédiaire est plus élevée que celle du deuxième nœud intermédiaire, et à générer un deuxième signal de tension lorsque la tension au deuxième nœud intermédiaire est plus élevée que celle du premier nœud intermédiaire ; un premier transistor adapté à être commandé par le premier signal de tension et dont l'un des nœuds conducteurs de courant principaux est couplé à l'un des premier et deuxième nœuds intermédiaires ; et un deuxième transistor adapté à être commandé par le deuxième signal de tension et dont l'un des nœuds conducteurs de courant principaux est couplé à l'autre des premier et deuxième nœuds intermédiaires.
Selon un mode de réalisation, l'amplificateur de détection de courant comprend en outre une résistance de sortie couplée à : des nœuds conducteurs de courant principaux supplémentaires des premier et deuxième transistors ; ou à des nœuds conducteurs de courant principaux de troisième et quatrième transistors, les troisième et quatrième transistors étant
B15736 - 16-GR2-0713 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 d'entrée couplant le hacheur au premier nœud intermédiaire et une deuxième résistance d'entrée couplant le hacheur au deuxième nœud intermédiaire.
Selon un mode de réalisation, le hacheur comprend : un premier commutateur couplant le premier nœud de la résistance de détection à la première résistance d'entrée ; un deuxième commutateur couplant le deuxième nœud de la résistance de détection à la deuxième résistance d'entrée ; un troisième commutateur couplant le premier nœud de la résistance de détection à la deuxième résistance d'entrée ; et un quatrième commutateur couplant le deuxième nœud 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 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 nœud intermédiaire à un rail de tension d'alimentation ou à un rail de mise à terre et un sixième transistor couplant le deuxième nœud intermédiaire au rail de tension d'alimentation ou au rail de mise à la terre, les nœuds de commande des cinquième et sixième transistors étant couplés l'un à l'autre et aux premier et deuxième nœuds intermédiaires.
Selon un aspect supplémentaire, on propose un port de bus série universel comprenant l'amplificateur de détection de courant susmentionné.
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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 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 ;
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 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 DÉTAIT.T.RR
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 RsENSE est placée sur le trajet de courant du courant IpoAD à mesurer. En guise d'exemple, le courant IloAD ast fourni par une tension d'alimentation VpQ^pR, délivrée par exemple par une batterie, et
B15736 - 16-GR2-0713 le courant IpOAD 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 VggjqsE aux bornes de la résistance de détection
102. En guise d'exemple, l'amplificateur 100 comprend une résistance d'entrée 106 couplée entre un nœud 107 de la résistance de détection 102 et un nœud intermédiaire 108, et une résistance d'entrée supplémentaire 110 couplée entre l'autre nœud 111 de la résistance de détection 102 et un nœud intermédiaire supplémentaire 112.
Les nœuds 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 MOS à canal N dont les grilles sont couplées l'une à l'autre et au nœud intermédiaire 112. Les nœuds 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 exemple, la forme d'un transistor MOS à canal N. Le transistor 120 est couplé en série, via ses nœuds conducteurs de courant principaux, à une résistance de sortie 122, et son drain est couplé au nœud 112. La tension aux bornes de la résistance
122 délivre la tension de sortie de l'amplificateur de détection de courant 100. Les résistances 106 et 110 sont conçues pour présenter une même valeur ohmique Rjn, et la valeur ohmique RouT de la résistance 122 est, par exemple, un multiple de la valeur ohmique Rjn, ce qui introduit un gain dans la tension de sortie Vqut·
En service, en supposant qu'un courant circule dans la résistance de détection 102 depuis le nœud 111 vers le nœud 107, la tension au nœud 111 sera plus élevée que la tension au nœud 107. Les transistors 114 et 116 du miroir de courant sont chacun conçus pour conduire un même courant IJ4. L'amplificateur différentiel 118 portera les tensions aux nœuds 108 et 112 au même niveau en commandant le transistor 120. La résistance 110 conduira
B15736 - 16-GR2-0713 alors un courant additionnel par rapport à la résistance 106, ce courant additionnel correspondant au courant Iqut conduit par le transistor 120.
Un inconvénient de l'amplificateur de détection de 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 l'amplificateur différentiel 118 conduiront tous à un décalage dans le signal de sortie Vogy. En guise d'exemple, si l'on désigne par Rjn+ARin/2 et Rjjq-ARjjq/2, respectivement, la valeur ohmique des résistances 106 et 110, où ARjg est la différence de valeur ohmique entre les résistances 106, 110, Ιμ+ΔΙμ/2 et Ιμ-ΔΙμ/2, respectivement, les courants conduits par les transistors 114 et 116, où Δΐ^ est la différence entre les courants, et Vqs le décalage de tension de 1'amplificateur 118, on obtient alors l'équation suivante pour la tension Vqut : ou
OFFSET —
Vos-Mm- Rjm + 1m ’ + I,
Un ‘out
AR
IN
R,
OUT
IN
Un autre inconvénient de l'agencement sur la figure 1 est que celui-ci repose sur le fait que la tension au nœud 112 est plus élevée que la tension au nœud 108. Le circuit est donc incapable de détecter le niveau de courant si le courant Iload 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 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
B15736 - 16-GR2-0713 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 mécanisme de protection visant à éviter tout endommagement de la source d'alimentation fournissant la tension VpQpjpp.
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. 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, le hacheur 201 est placé entre les nœuds 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 nœud 107 et la résistance 106, et un commutateur 206 couplé entre le nœud 111 et la résistance 110, un commutateur 208 couplé entre le nœud 107 et la résistance 110, et un commutateur 210 couplé entre le nœud 111 et la résistance 106. Les commutateurs 204 et 206 sont, par exemple, commandés par un signal de phase φρ, et les commutateurs 208 et 210 sont, par exemple, commandés par un signal de phase <p£.
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 Vjj en fonction de la polarité des tensions aux nœuds intermédiaires 108, 112. Par ailleurs, dans l'amplificateur de détection de courant 200, le transistor 120 est remplacé par un transistor 212 commandé par le signal Vp pour conduire un courant IOUTP' et U11 transistor 214 commandé par le signal VN pour conduire un courant IoUTN· Le transistor 212 est couplé à ses nœuds conducteurs de courant principaux, par exemple à ses nœuds source/drain, entre le nœud 112 et un nœud de sortie 216. Le transistor 214 est couplé, par ses nœuds conducteurs de courant
B15736 - 16-GR2-0713 principaux, par exemple par ses nœuds source/drain, entre le nœud 108 et le nœud de sortie 216. Le nœud de sortie 216 est, par exemple, couplé à la terre par la résistance de sortie 122 et délivre la tension de sortie de l'amplificateur de détection de courant 200. Lorsque la tension au nœud 112 est plus élevée que la tension au nœud 108, le signal 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 nœud 108 est plus élevée que celle du nœud 112, le signal Vp est, par exemple, imposé, et le signal V^j 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 <py et tp2 en fonction d'un signal d'horloge CLK.
En service, le hacheur 201 est, par exemple, commandé 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 en fonction de la polarité des tensions aux nœuds 107, 111. La composante continue de la tension de sortie Vqut 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 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 nœud de sortie 216 et de la fréquence du hacheur.
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 Rjn comprises entre 1 et 20 kohms, la résistance sortie 122 possède, par exemple, une valeur ohmique Rout comprise entre 50 et 500 kohms, et le gain fourni par le rapport Rqut/^IN est/ par exemple, compris entre 2 et 100.
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La figure 3 illustre un exemple des signaux de phase φχ et tp2 Çpi commandent le hacheur 201 sur la figure 2. Comme cela est illustré, ces signaux de phase φχ, (pg, par exemple, commutent en même temps et prennent des valeurs complémentaires, le signal <ρχ étant haut tandis que le signal φχ est bas, puis, dans une phase suivante, le signal φχ étant bas tandis que le signal q>2 est haut. La durée t des impulsions hautes du signal <ρχ et la durée t des impulsions hautes du signal <P2 sont par exemple égales, si bien que le rapport cyclique s'établit sensiblement à 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 avec 1'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 Rin+ARjN/2 et RIN-ARIN/2, respectivement, la valeur ohmique des résistances 106 et 110, Ij4+AIm/2 et Ιρ4-Δΐρ4/2, respectivement, les courants conduits par les transistors 114 et 116, et Vqq le décalage de tension de l'amplificateur 202, on obtient alors les tensions de sortie VOUT <pl, VOUT <p2 durant chaque phase φχ, φ2 comme suit :
ou
VoUT_<pl — HoAD ‘ ^SENSE
OUT_tp2 — Ho AD ‘ R SENSE ’
OUT
IN
Rqut
Rin + V<
OFFSET_<pl ,et 'OFFSET_<pl
VoFFSET_<p2 —
Vos ΔΙμ · Rin + IM · ARin + H UT àR
IN
OUT
IN ,et · Rin + 1M · ARjN + I0UT &R,n1
Rqut
Rin
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Ainsi, en prenant la moyenne des tensions de sortie Vggæ φρ, Vqut φ2' 2a tension de sortie Vgup devient :
koirr — 7
LOAD
SENSE
Rqut &IN
La figure 4 illustre de façon schématique un 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 œuvre dans laquelle le nœud 107 de la résistance de détection 102 est couplé à la terre, et la source de courant 104 est remplacée par une source de courant 404 couplée entre la résistance de détection 102 et la tension d'alimentation VpQWER. 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.
Dans le mode de réalisation sur la figure 4, le miroir de courant est, par exemple, formé d'un transistor MOS à canal P 414 couplant le nœud 108 à un rail d'alimentation Vpp et d'un transistor MOS à canal P 416 couplant le nœud 112 au rail d'alimentation Væ. L'amplificateur différentiel 202 est inversé, de sorte que son entrée négative est couplée au nœud 112 et son entrée positive est couplée au nœud 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 MOS à canal P 422 et 424, et le signal de sortie de l'amplificateur différentiel 202 commande les transistors MOS à canal P 426 et 428. Le transistor 422 est couplé entre le nœud 108 et le rail d'alimentation VgD, et le transistor 426 est couplé entre le nœud 112 et le rail d'alimentation Væ. Les transistors 424 et 428 sont chacun couplés au rail d'alimentation Væ et au nœud de sortie 216, et conduisent respectivement des courants IoUTP et loUTNLe fonctionnement de 1'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.
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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 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 Spécification Rev. 3.0 disponible, par exemple, sur le site 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 de la technologie des transistors MOS, il sera toutefois clair pour l'homme du métier que d'autres technologies de transistors seraient envisageables.
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Claims (8)

  1. REVENDICATIONS
    1. Amplificateur de détection de courant comprenant : une résistance de détection (102) conduisant un courant (xLOAD) à mesurer ;
    des premier et deuxième nœuds intermédiaires (108, 112) couplés à des premier et deuxième nœuds (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 nœuds intermédiaires (108, 112) et adapté à générer un premier signal de tension (Vp) lorsque la tension au premier nœud intermédiaire (108) est plus élevée que celle du deuxième nœud intermédiaire (112), et à générer un deuxième signal de tension (Vjq) lorsque la tension au deuxième nœud intermédiaire (112) est plus élevée que celle du premier nœud intermédiaire (108) ;
    un premier transistor (212, 422) adapté à être commandé par le premier signal de tension (Vp) et dont l'un des nœuds conducteurs de courant principaux est couplé à l'un des premier et deuxième nœuds intermédiaires (108, 112) ; et un deuxième transistor (214, 426) adapté à être commandé par le deuxième signal de tension (Vjj) et dont l'un des nœuds conducteurs de courant principaux est couplé à 1'autre des premier et deuxième nœuds intermédiaires (108, 112).
  2. 2. Amplificateur de détection de courant selon la revendication 1, comprenant en outre une résistance de sortie (122) couplée à :
    des nœuds conducteurs de courant principaux supplémentaires des premier et deuxième transistors (212, 214) ;
    ou des nœuds conducteurs de courant principaux de troisième et quatrième transistors (424, 428), les troisième et quatrième transistors étant commandés respectivement par les premier et deuxième signaux de tension (Vp, Vjç) .
  3. 3. Amplificateur de détection de courant selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre une première résistance
    B15736 - 16-GR2-0713 d'entrée (106) couplant le hacheur (201) au premier nœud intermédiaire (108) et une deuxième résistance d'entrée (108) couplant le hacheur (201) au deuxième nœud intermédiaire (110).
  4. 4. Amplificateur de détection de courant selon la revendication 3, dans lequel le hacheur (201) comprend :
    un premier commutateur (204) couplant le premier nœud (107) de la résistance de détection (102) à la première résistance d'entrée (106) ;
    un deuxième commutateur (206) couplant le deuxième nœud (111) de la résistance de détection (102) à la deuxième résistance d'entrée (110) ;
    un troisième commutateur (208) couplant le premier nœud (107) de la résistance de détection (102) à la deuxième résistance d'entrée (110) ; et un quatrième commutateur (210) couplant le deuxième nœud (111) de la résistance de détection (102) à la première résistance d'entrée (106).
  5. 5. Amplificateur de détection de courant selon la revendication 4, comprenant en outre un circuit de commande (218) adapté à générer, en fonction d'un signal d'horloge (CLK) :
    un premier signal de phase (<ρχ) destiné à commander les premier et deuxième commutateurs (204, 206) ; et un deuxième signal de phase (ψ>2) destiné à commander les troisième et quatrième commutateurs (208, 210).
  6. 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. 7. Amplificateur de détection de courant selon l'une quelconque des revendications là 6, dans lequel le miroir de courant comprend un cinquième transistor (114, 414) couplant le premier nœud 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 nœud intermédiaire (112) au rail de tension d'alimentation (VDD) ou au rail de mise à la terre, les nœuds de commande des cinquième et sixième
    B15736 - 16-GR2-0713 transistors étant couplés l'un à l'autre et aux premier et deuxième nœuds intermédiaires (108, 112) .
  8. 8. Port de bus série universel (USB) type C apte à délivrer une alimentation et comprenant l'amplificateur de
    5 détection de courant selon 1'une quelconque des revendications 1 à 7.
    B 15736 16-GR2-0713
    1/2
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