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WO2003019779A1 - Circuit de communication de puissance permettant le montage d'une charge du cote de la masse - Google Patents

Circuit de communication de puissance permettant le montage d'une charge du cote de la masse Download PDF

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Publication number
WO2003019779A1
WO2003019779A1 PCT/FR2002/002971 FR0202971W WO03019779A1 WO 2003019779 A1 WO2003019779 A1 WO 2003019779A1 FR 0202971 W FR0202971 W FR 0202971W WO 03019779 A1 WO03019779 A1 WO 03019779A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
self
switch
supply voltage
load
protected
Prior art date
Application number
PCT/FR2002/002971
Other languages
English (en)
Inventor
Lionel Bitauld
Eric Rabasse
Guy Razurel
Original Assignee
Dav
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dav filed Critical Dav
Publication of WO2003019779A1 publication Critical patent/WO2003019779A1/fr

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0822—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in field-effect transistor switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/06—Modifications for ensuring a fully conducting state
    • H03K17/063—Modifications for ensuring a fully conducting state in field-effect transistor switches

Definitions

  • the invention relates to power switching, for example for switching on-board loads in vehicles such as window actuators, air conditioners, servomechanisms and other conveniences or functional members.
  • These self-protected switches generally consist of a power transistor of the MOS type whose source-drain channel is connected in series with the load.
  • the gate of the transistor is connected to a switching signal input via one or more control and protection circuits integrated in the switch housing. These circuits are used to block the transistor in the open state in the event of detection of overvoltage, abnormal temperature or any other parameter under control.
  • MOS switches There are two types of self-protected MOS switches depending on whether they are intended to be interposed between the load and the supply voltage line (generally positive) or between the load and ground.
  • FIG. 1 schematically and simplified illustrates the conventional mounting of a self-protected MOS switch 2 of the type intended to be interposed between the load to be switched 4 and the supply voltage line (ie the "high” voltage relative to the ground), here connected to the positive terminal of a 12V battery 6 for vehicle.
  • the supply voltage line ie the "high” voltage relative to the ground
  • this type of switch will be designated hereinafter “high side self-protected switch” (also known by the Anglo-Saxon designation “smart high side “, or” TOPFET ",” PROFET “, or the like).
  • Switch 2 comprises a power MOS transistor Ql of type N, whose drain d is connected to the supply voltage and whose source s is connected to the positive terminal "+" of the load 4.
  • the negative terminal "-" of the load is connected to ground 8, itself connected to the negative terminal of battery 6.
  • the gate g of the transistor Q1 is controlled by a set of control and protection circuits 10 which is an integral part of the self-protected MOS switch 2.
  • This set 10 has an Ecom switching input compatible with logic signals evolving between 0 and 5 volts.
  • the assembly 10 ensures that the gate g is polarized so as to put the transistor Ql in the conductive state in the presence of a logic signal at the high level (for example + 5 volts relative to the positive voltage of power supply) on the Ecom input, and to put the transistor in the off state when the logic signal is at low level (for example 0 volts).
  • the "high side" switches must include their own means of raising the bias voltage of the gate g beyond their supply voltage for setting the conductive state. This arrangement is typically obtained by a charge pumping circuit functionally integrated into the control and protection circuits 10.
  • the circuits 10 also act to force the transistor Ql in the off state when it occurs a malfunction: overheating of transistor Ql (return to normal operation then being automatically after cooling below a. hysteresis threshold), overload at load level 4 (with limitation of supply current), or overvoltage or undervoltage of the supply.
  • a terminal Stat of the assembly 10 makes it possible to signal an intervention during a detected anomaly.
  • the assembly which constitutes the circuits 10 is supplied directly from the voltage source, namely the battery 6, via an input Ev provided for this purpose.
  • Self-protected "high side" switches have the advantage of making it possible to connect the load 4 directly and permanently to ground 8. However, they have the drawback of being relatively expensive, in particular because they incorporate the aforementioned means voltage rise to control grid g
  • FIG. 2 illustrates schematically and simplified the conventional mounting of a self-protected MOS switch 12, also provided with a transistor of power Ql of the type N, intended to be interposed between the load to be switched 4 and the ground 8. Because of its planned positioning on the side of the mass with respect to the load 4, this type of switch will be designated hereinafter “low side self-protected switch” (also known as “smart low side”). In addition to this mounting reversal, the self-protected low side switch
  • This self-protected MOS switch 12 includes protection circuits formed by:
  • a logic and protection block 16 which controls the grounding of the gate g (and therefore the blocking of the transistor Ql) in the event of an incident. This blocking is achieved by a control output Cb which acts on the gate of a MOS transistor Q2 connected between the gate g of the transistor Ql and the ground.
  • the power supply of the logic and protection block 16 is produced internally by connection respectively to the terminal connected to the source s (for ground) and to the node which connects the gate g of the transistor Ql and the overvoltage protection device 14 .
  • a Zener diode 18 is connected in parallel with these internal supply connections to stabilize the input voltage.
  • the transistor Q1 is made conductive by applying a voltage of the order of + 10 volts on the gate g, the source s being referenced to ground 8, ie at 0 volts. In this case, however, the gate voltage is referenced relative to the ground, which is ON. This voltage is therefore lower than the supply voltage (+ 10N to compare with + 12V in the example).
  • a "low side” switch does not need the voltage raising means to control the gate g. This is a characteristic difference between a "high side” switch and a “low side” switch.
  • Controls ", Components, Siemens Aktiengesellschaft. Munchen, DE, vol.31, no.3, May 1, 1996, pages 21-23 discloses a switching module intended for mounting between load and high voltage, and which therefore corresponds to a smart high side device as presented in the introductory part of the application.
  • the devices described in this state of the art bear the designation PROFET, and are self-powered. When ordered, the inputs are compatible with MOS outputs, ie "signal" voltage level lower than the supply voltage.
  • the object of the invention is to provide for the use of a self-protected switch of the low side type, but in an assembly where it is, unlike a conventional assembly, between the switched load and the supply voltage.
  • a first object of the invention is to provide a switching circuit for a load supplied by a potential difference between a ground connection point and a voltage connection point supply, comprising:
  • the switch being controlled by a switching signal
  • - control means for selectively producing said switching signal to the self-protected switch, characterized in that the self-protected switch is of the "low side" type, the control means delivering the switching signal, for setting the self-protected switch to a conductive state, at a voltage whose magnitude is greater than that of the supply voltage source.
  • the term “low side” type self-protected switch includes in particular self-protected switches conventionally designed for mounting between earth and load, and which do not have means enabling their switching input to be polarized. a voltage whose magnitude is greater than that of the supply voltage (which corresponds to the switched voltage).
  • These "low side” self-protected switches thus group together the family of components bearing the Anglo-Saxon designation of “smart low side” (“low side smart MOS”) and the like. They are typically self-protected by internal means of protection against overvoltage and / or thermal protection.
  • supply voltage designates the potential which establishes the potential difference with respect to ground, the mass being defined as the point of zero potential from which the potential differences of the circuit are established.
  • the supply voltage is generally positive, especially in automotive applications where the supply voltage comes from the positive terminal of a battery, the negative terminal of which is connected to ground.
  • the supply voltage can also be negative, for example in the case of a ground connection by the positive terminal of the battery.
  • the circuit further comprises a second source of supply voltage for supplying the control means, in order to allow the latter to produce the switching signal at the required voltage level.
  • This second supply voltage source can be a voltage booster, used to raise the voltage of the supply voltage source.
  • the circuit may include a plurality of switches self-protected, with the same second source of supply voltage which supplies the control means delivering the switching signal for each self-protected switch of the plurality, so that this second voltage source serves in common for the plurality of self-protected switches.
  • the control means in this case can comprise a plurality of independent channels, each channel delivering the respective switching signal to a respective switch.
  • the mass connection point of the load is connected to ground by a permanent link independent of the switching state of the self-protected switch of the "low side" type.
  • the switch comprises a MOS transistor whose source-drain channel is connected in series with the load, and whose gate receives the switching signal.
  • This MOS transistor can be of type N, the drain being connected to the supply voltage source, the source being connected to the load supply connection point, the source-drain channel being put in the conductive state by a positive bias voltage with respect to the potential at said power connection point.
  • the control means preferably comprise a logic level converter making it possible to control the self-protected switch of the "low side" type from a logic signal of level below the switching threshold, and compatible with logic low voltage signaling circuits.
  • control means and / or the power supply can be produced in the form of an integrated circuit in a pre-broadcast network of the "ASIC" type.
  • a second object of the invention relates to the use of a circuit as defined above in an interconnection unit to carry out the switching and load protection functions in a vehicle.
  • - Figure 1 already described, shows a conventional arrangement of a self-protected MOS switch of the high side type, installed between the load to be switched and the high supply voltage;
  • - Figure 2 already described, shows a conventional arrangement of a self-protected MOS switch of the low side type, installed between the load to be switched and the ground;
  • FIG. 3 is a block diagram of the self-protected MOS switch of the low side type of Figure 2, in an assembly allowing its installation between the load to be switched and the high supply voltage, according to the invention.
  • FIG. 4 is a block diagram of an assembly based on that of FIG. 3, but with several self-protected MOS switches of the low side type, the respective switching signals of which are produced by a multi-channel voltage converter supplied by a single source of voltage for obtaining all of the switching voltages.
  • FIG. 3 An example of a preferred embodiment of the invention will be described with reference to FIG. 3.
  • the elements of this figure which are common with those already described in the context of FIG. 2, in particular as regards the internal configuration of the switch Self-protected MOS of the low side type 12, the load 4 and the battery 6, are designated by the same references and will not be described again for the sake of brevity.
  • the low side type switch 12 and the load 4 are connected in series between earth 8 and a positive supply voltage. More particularly, the load 4 has a first connection point (designated "-") connected to ground 8 and a second connection point (designated "+”) connected to the source s of the transistor Ql of the switch of the low side type 12 , the drain d of this transistor being connected to the supply voltage, in this case the positive terminal of the battery 6 12N for vehicle. As in the previous case of FIGS. 1 and 2, the negative terminal of the battery 6 is connected to the ground 8.
  • the switching voltage Scom to be applied to the Ecom terminal of the switch 12 - and therefore at the gate g - to make the transistor Ql conductive must be higher by approximately 10 volts compared to the source s, that is to say of the order of + 22 volts compared to the mass under the conditions d '' switching to the conductive state on a grid-source polarization Ngs of + 10 volts.
  • This switching voltage is provided by a high voltage output
  • the switching of the transistor Ql to the conducting state, making it possible to supply the load 4 is then carried out by applying to the input I L of the converter 20 a logic signal S L in the state 1 equal to 5 volts. Conversely, the switching of the transistor Ql in the blocked state, making it possible to interrupt the supply of the load, is carried out by applying this logic signal S L to the logic state 0 equal to 0 volts on the entry I L.
  • the converter 20 thus makes it possible to switch the transistor Ql from low voltage logic signals S L compatible with the integrated logic signaling circuits CMOS, for example. It is therefore possible to control the switching directly from outputs of microcontrollers, wired logic, or the like on the input I L.
  • the design of the logic level converter 20 is known in itself, being for example a so-called "translator" circuit.
  • This voltage Nconv is supplied by an auxiliary power supply 22 with voltage rise of the DC-DC converter type with voltage rise.
  • the auxiliary power supply 22 has two inputs 22a, 22b connected respectively to the positive terminal of + 12 volts of the battery 6 and to the ground 8, serving to supply its internal circuits, and an output 22c which presents the voltage Vconv, connected to the supply voltage input of the converter 20.
  • the auxiliary supply 22 is of conventional design, for example being a switching power supply or the like.
  • the invention can be implemented in a particular way advantageous in an application where several loads must be controlled by respective electronic switches. In fact, it is possible in this case to use self-protected MOS switches of the low side type according to the configuration shown in FIG. 3, with a single auxiliary power supply, the latter serving in common for all of the switches.
  • each switch 12-1 to 12-n comprises a drain terminal d connected to the positive pole of a voltage source (here again a 12 N battery) and a source terminal s connected to the positive terminal + of its load. respective 4-1 to 4-n, which has its negative terminal connected to ground 8.
  • Each switch 12-1 to 12-n is controlled on its Ecom switching input by a common logic level converter 20 ⁇ having a number n of independent channels.
  • Each channel includes a switching logic control signal input (with one of the designations I L -1 to I L -n) and a switching voltage output (with one of the designations Scoml to Scomn) for Ecom input of its respective switch 12-1 to 12-n.
  • the converter 20N is supplied by a single auxiliary power supply 22 with voltage rise which supplies the voltage Nconv necessary for its operation from the voltage of the battery 6 of 12 volts. Note that the cost of the auxiliary power supply 22 is more than offset by the savings, n times multiplied, obtained by the use of a switch of the "low side” type rather than the "high side” type.
  • the voltage output Nconv of the auxiliary supply 22 is simply connected in parallel to each of the supply voltage inputs of the n converters 20. Thanks to the invention, it is possible to benefit from the advantages of the low cost of a self-protected MOS switch of the low side type 12, while making it possible to connect the load 4 to ground 8.
  • This arrangement thus authorizes the use of "low side" switches to control a very large number of loads to be switched, for example: - in cars: lamps (headlights, horns), amenities (window regulator motors, door locks, rear view mirrors, seat adjustment ), brake actuators, power steering), especially for type interconnection boxes (BSI, BSM, UPC, UCH, ...) etc. ;
  • servomechanism control servomechanism control
  • automation control servomechanism control
  • peripherals printers, readers, etc.
  • the implementation of the logic level converter 20 or 20 ⁇ and of the auxiliary power supply 22 is easy and adds only little cost, so that the assembly based on the self-protected MOS switch of the low side type 12, even taking account of these additional elements 20 or 20N and 22, remains very advantageous from the economic point of view compared to the use of a self-protected MOS switch of the high side type 2 as described with reference to FIG. 1, especially if several switches low side depend on the same converter and / or the same auxiliary power supply.
  • the logic level converter 20 or 20N and or the auxiliary power supply 22 can / can be produced in the form of a specific integrated circuit from a pre-distributed network (known also by the Anglo-Saxon term of ASIC
  • the specific integrated circuit can also incorporate other functional elements, for example the control logic producing the switching signals at input I L.
  • auxiliary power supply 22 can be used to power several converters 20.
  • a logic level converter. 20 can be used to control several self-protected switches of the "low side" type 12, depending on the applications envisaged.

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  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

Le circuit permet la commutation d'une charge (4), tel qu'un organe d'un véhicule automobile, alimentée par une différence de potentiel entre un point ( -) de connexion de masse et un point (+) de connexion à une tension d'alimentation, comprenant : -au moins un commutateur autoprotégé (12) interposé entre le point (+) de connexion à la tension d'alimentation de la charge (4) et une source de la tension d'alimentation (6), le commutateur étant commande par un signal de commutation (Scom), et -des moyens de commande (20; 20N) pour produire sélectivement ledit signal de commutation (Scom) audit commutateur autoprotégé (12). Le circuit est caractérisé par le fait que le commutateur autoprotégé (12) est du type "côté bas", les moyens de commande (20; 20N) délivrant le signal de commutation (Scoml-Scomn), pour une mise à l'état conducteur du commutateur autoprotégé, à une tension dont la grandeur est supérieure à celle de la source de tension d'alimentation (6).Cette disposition permet de relier la charge du côté de la masse. Le commutateur comprend de préférence un transistor MOS (Ql) de type N dont la grille 9 reçoit le signal de commutation (Scom) via un convertisseur de signaux logiques permettant de polariser la grille.

Description

CIRCUIT DE COMMUTATION DE PUISSANCE PERMETTANT LE MONTAGE D'UNE CHARGE DU COTE
DE LA MASSE
L'invention concerne la commutation de puissance, par exemple pour la commutation de charges embarquées en véhicule telles que des actionneurs de lève vitres, des climatiseurs, des servomécanismes et autres commodités ou organes fonctionnels.
Il est maintenant courant dans ce type d'application d'utiliser des commutateurs autoprotégés en technologie MOS, qui remplacent avantageusement le couple relais et fusible classique dans les boîtes d'interconnexion.
Ces commutateurs autoprotégés, connus par le terme anglo-saxon de "smart MOS", sont généralement constitués d'un transistor de puissance du type MOS dont le canal source-drain est connecté en série avec la charge. La grille du transistor est reliée à une entrée de signal de commutation via un ou plusieurs circuits de commande et de protection intégrés dans le boîtier du commutateur. Ces circuits servent à bloquer le transistor à l'état ouvert en cas de détection de surtension, de température anormale ou de tout autre paramètre sous contrôle.
On distingue deux types de commutateurs MOS autoprotégés selon qu'ils sont destinés à s'interposer entre la charge et la ligne de tension d'alimentation (généralement positive) ou entre la charge et la masse.
La figure 1 illustre de manière schématique et simplifiée le montage classique d'un commutateur MOS autoprotégé 2 du type destiné à s'interposer entre la charge à commuter 4 et la ligne de tension d'alimentation (soit la "haute" tension relativement à la masse), ici reliée à la borne positive d'une batterie 6 de 12V pour véhicule. En raison de son positionnement prévu du côté de la haute tension vis-à-vis de la charge 4, ce type de commutateur sera désigné ci-après "commutateur autoprotégé côté haut" (aussi connu par l'appellation anglo-saxonne "smart high side", ou "TOPFET", "PROFET", ou analogue).
Le commutateur 2 comprend un transistor MOS de puissance Ql de type N, dont le drain d est relié à la tension d'alimentation et dont la source s est reliée au terminal positif "+" de la charge 4. Le terminal négatif "-" de la charge est reliée à la masse 8, elle-même raccordée à la borne négative de la batterie 6.
La grille g du transistor Ql est pilotée par un ensemble de circuits de commande et de protection 10 qui fait partie intégrante du commutateur MOS autoprotégé 2. Cet ensemble 10 présente une entrée de commutation Ecom compatible avec les signaux logiques évoluant entre 0 et 5 volts. En fonctionnement normale, l'ensemble 10 assure que la grille g est polarisée de manière à mettre le transistor Ql à l'état conducteur en présence d'un signal logique au niveau haut (par exemple + 5 volts par rapport à la tension positive de l'alimentation) sur l'entrée Ecom, et à mettre le transistor à l'état bloqué lorsque le signal logique est au niveau bas (par exemple 0 volt).
On note donc que les commutateurs "côté haut" doivent comprendre leurs propres moyens d'élever la tension de polarisation de la grille g au-delà de leur tension d'alimentation pour la mise à l'état conducteur. Cette disposition est obtenue typiquement par un circuit de pompage de charge fonctionnellement intégré aux circuits de commande et protection 10.
Les circuits 10 agissent en outre pour forcer le transistor Ql à l'état bloqué lorsqu'il se produit une anomalie de fonctionnement : surchauffe du transistor Ql (le retour en. mode de fonctionnement normal étant alors automatique après refroidissement en-dessous d'un seuil d'hystérésis), surcharge au niveau de la charge 4 (avec limitation de courant d'alimentation), ou surtension ou soustension de l'alimentation. Un terminal Stat de l'ensemble 10 permet de signaler une intervention lors d'une anomalie détectée.
On note que l'ensemble que constitue les circuits 10 est alimenté directement à partir de la source de tension, soit la batterie 6, via une entrée Ev prévue à cet effet.
Un exemple d'un tel type de commutateur MOS autoprotégé du type côté haut 2 est commercialisé par la société Philips Semiconductors sous la désignation produit BUK204-50X.
Les commutateurs autoprotégés "côté haut" ont l'avantage de permettre de connecter la charge 4 directement et en permanence à la masse 8. Cependant, ils ont l'inconvénient d'être relativement onéreux, du fait notamment qu'ils incorporent les moyens précités d'élévation de la tension pour commander la grille g
La figure 2 illustre de manière schématique et simplifiée le montage classique d'un commutateur MOS autoprotégé 12, également doté d'un transistor de puissance Ql du type N, destiné à s'interposer entre la charge à commuter 4 et la masse 8. En raison de son positionnement prévu du côté de la masse vis-à-vis de la charge 4, ce type de commutateur sera désigné ci-après "commutateur autoprotégé côté bas" (aussi connu par l'appellation "smart low side"). Outre cette inversion de montage, le commutateur autoprotégé côté bas
12 diffère de celui de la figure 1 par le fait qu'il ne présente que trois terminaux, qui constituent des liaisons directes respectivement avec le drain d, la source s et la grille g de son transistor de puissance Ql. Le terminal relié à la grille g constitue l'entrée de commande Ecom, analogue à celle de la figure 1. Ce commutateur MOS autoprotégé 12 comporte des circuits de protection formés par :
- un dispositif de protection contre les surtensions 14 du type "clamp", interposé entre le drain d et la grille g, et
- un bloc de logique et de protection 16 qui commande la mise à la masse de la grille g (et donc le blocage du transistor Ql) en cas d'incident. Ce blocage est réalisé par une sortie de commande Cb qui agit sur la grille d'un transistor MOS Q2 connecté entre la grille g du transistor Ql et la masse.
L'alimentation électrique du bloc logique et de protection 16 est réalisée en interne par connexion respectivement au terminal relié à la source s (pour la masse) et au nœud qui relie la grille g du transistor Ql et le dispositif de protection contre les surtensions 14.
Une diode Zener 18 est connectée en parallèle avec ces connexions internes d'alimentation pour stabiliser la tension d'entrée.
En condition normale, le transistor Ql est rendu conducteur par application d'une tension de l'ordre de + 10 volts sur la grille g, la source s étant référencée à la masse 8, soit à 0 volt. Dans ce cas, cependant, la tension de la grille est référencée par rapport à la masse, qui est à ON. Cette tension est donc inférieure à la tension d'alimentation (+10N à comparer à +12V dans l'exemple).
De ce fait, un commutateur "côté bas" n'a pas besoin des moyens d'élévation de la tension pour commander la grille g. Ceci constitue une différence caractéristique entre un commutateur "côté haut" et un commutateur "côté bas".
Un exemple d'un tel type de commutateur MOS autoprotégé côté bas
12, est commercialisé par la société Philips Semiconductors sous la désignation produit BUK110-50GL. Les commutateurs autoprotégés côté bas sont plus simples et moins chers que ceux du type côté haut, notamment en raison du fait qu'ils ne requièrent pas des moyens d'élévation de la tension pour commander la grille g, mais ne sont pas adaptés aux applications qui nécessitent que la charge 4 soit reliée directement et en permanence -à la masse 8. En effet, on constate aisément que lorsque le transistor Ql est bloqué, soit par commande d'arrêt sur l'entrée Ecom, soit par intervention du bloc de logique et protection 16, le terminal négatif de la charge 4 est isolé de la masse 8. Or, certaines charges 4 n'acceptent pas un tel isolement pour des raisons fonctionnelles ou liées à la sécurité ou à la fiabilité.
Dans l'état de la technique, le document Lemme H. "Sichere Schaltungen mit TOPFET./Intelligenter Leistungs-MOSFET mit Schutzfunktionen,
Elektroni , Franzis Nerlag GmBH. Muchen, DE, vol.. 42, no.4, 23 février 1993, pages 24-27, concerne un module de commutation spécifique, en l'occurrence un transistor dit "TOPFET" intégrant une protection thermique et anti surcharge, qui est prévu à l'origine pour un montage du côté de la tension positive élevée par rapport à la charge commutée. A ce titre, il peut être assimilé à un composant "côté haut" décrit dans la partie introductive de la présente demande, et donc au montage selon le préambule de la revendication 1. La tension de commutation fourni à ce module de l'extérieur n'est donc pas prévu pour être supérieure à la tension d'alimentation de ce module. Le document Brauschke P. "Smart Power Switches for Industrial
Controls", Components, Siemens Aktiengesellschaft. Munchen, DE, vol.31, no.3, 1 mai 1996, pages 21- 23 divulgue un module de commutation prévu pour un montage entre la charge et la tension élevée, et qui correspond donc à un dispositif smart high side tel que présenté dans la partie introductive de la demande. Les dispositifs décrits dans cet état de la technique portent la désignation PROFET, et sont autoalimentés. Au niveau de leur commande, les entrées sont compatibles avec des sorties MOS, soit de niveau de tension "signal" inférieur à la tension d'alimentation..
Au vu de ce qui précède, l'invention a pour objet de prévoir l'utilisation d'un commutateur autoprotégé du type côté bas, mais dans un montage où il se trouve, au contraire d'un montage classique, entre la charge commutée et la tension d'alimentation.
Plus particulièrement, un premier objet de l'invention est de prévoir un circuit de commutation pour une charge alimentée par une différence de potentiel entre un point de connexion de masse et un point de connexion à une tension d'alimentation, comprenant :
- au moins un commutateur autoprotégé interposé entre le point de connexion à la tension d'alimentation de la charge et une source de la tension d'alimentation, le commutateur étant commandé par un signal de commutation, et - des moyens de commande pour produire sélectivement ledit signal de commutation au commutateur autoprotégé, caractérisé en ce que le commutateur autoprotégé est du type "côté bas", les moyens de commande délivrant le signal de commutation, pour une mise à l'état conducteur dudit commutateur autoprotégé, à une tension dont la grandeur est supérieure à celle de la source de tension d'alimentation.
Ainsi qu'expliqué en partie introductive, le terme commutateur autoprotégé du type "côté bas" comprend notamment les commutateurs autoprotégés classiquement conçus pour un montage entre la masse et la charge , et qui ne disposent pas de moyens permettant de polariser leur entrée de commutation à une tension dont la grandeur est supérieure à celle de la tension d'alimention (laquelle correspond à la tension commutée). Ces commutateurs autoprotégés "côté bas" regroupent ainsi la famille de composants portant l'appellation anglo-saxonne de "smart low side" ("low side smart MOS") et analogues. Ils sont autoprotégés typiquement par des moyens internes de protection contre des surtensions et/ou de protection thermique.
On comprendra que le terme tension d'alimentation désigne le potentiel qui établit la différence de potentiel vis-à-vis de la masse, la masse étant définie comme le point de potentiel zéro à partir duquel sont établies les différences de potentiel du circuit. La tension d'alimentation est généralement positive, notamment dans les applications automobiles où la tension d'alimentation provient de la borne positive d'une batterie dont la borne négative est reliée à la masse. Cependant, la tension d'alimentation peut aussi être négative, par exemple dans le cas d'une connexion à la masse par la borne positive de la batterie.
Dans un mode de réalisation, le circuit comprend en outre une deuxième source de tension d'alimentation pour alimenter les moyens de commande, afin de permettre à ces derniers de produire le signal de commutation au niveau de tension requis.
Cette deuxième source de tension d'alimentation peut être un élévateur de tension, servant à élever la tension de la source de tension d'alimentation. Le circuit peut comprendre une pluralité de commutateurs autoprotégés, avec une même deuxième source de tension d'alimentation qui alimente les moyens de commande délivrant le signal de commutation pour chaque commutateur autoprotégé de la pluralité, de sorte que cette deuxième source de tension sert en commun pour la pluralité de commutateurs autoprotégés. Les moyens de commande dans ce cas peuvent comprendre une pluralité de canaux indépendants, chaque canal délivrant à un commutateur respectif le signal de commutation.
Avantageusement, le point de connexion de masse de la charge est relié à la masse par une liaison permanente indépendante de l'état de commutation du commutateur autoprotégé du type "côté bas".
Dans le mode de réalisation préféré, le commutateur comprend un transistor MOS dont le canal source-drain est connecté en série avec la charge, et dont la grille reçoit le signal de commutation.
Ce transistor MOS peut être de type N, le drain étant connecté à la source de tension d'alimentation, la source étant connectée au point de connexion d'alimentation de la charge, le canal source-drain étant mis à l'état conducteur par une tension de polarisation positive par rapport au potentiel audit point de connexion d'alimentation.
Les moyens de commande comprennent de préférence un convertisseur de niveaux logiques permettant de commander le commutateur autoprotégé du type "côté bas" à partir d'un signal logique de niveau inférieur au seuil de commutation, et compatible avec des circuits logiques de signalisation basse tension.
Les moyens de commande et/ou l'alimentation peuvent être réalisés sous forme de circuit intégré en réseau prédiffusé du type "ASIC".
Un second objet de l'invention concerne l'utilisation d'un circuit tel que défini supra dans un boîtier d'interconnexion pour réaliser les fonctions de commutation et de protection de charges dans un véhicule.
L'invention et les avantages qui en découlent apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation préféré, donné purement à titre d'exemple non-limitatif par référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1, déjà décrite, représente un montage classique d'un commutateur MOS autoprotégé du type côté haut, installé entre la charge à commuter et la tension haute d'alimentation; - la figure 2, déjà décrite, représente un montage classique d'un commutateur MOS autoprotégé du type côté bas, installé entre la charge à commuter et la masse ;
- la figure 3 est un schéma bloc du commutateur MOS autoprotégé du type côté bas de la figure 2, dans un montage permettant son installation entre la charge à commuter et la tension haute d'alimentation, conformément à l'invention ; et
- la figure 4 est un schéma bloc d'un montage basé sur celui de la figure 3, mais avec plusieurs commutateurs MOS autoprotégés du type côté bas, dont les signaux de commutation respectifs sont produits par un tranlateur de tensions à plusieurs canaux alimenté par une seule source de tension pour pemettre d'obtenir l'ensemble des tensions de commutation.
Un exemple de mode de réalisation préféré de l'invention sera décrit par référence à la figure 3. Les éléments de cette figure qui sont communs avec ceux déjà décrits dans le cadre de la figure 2, notamment en ce qui concerne la configuration interne du commutateur MOS autoprotégé du type côté bas 12, la charge 4 et la batterie 6, sont désignés par les mêmes références et ne seront pas décrits à nouveau pour souci de concision.
Dans cet exemple, le commutateur du type côté bas 12 et la charge 4 sont connectés en série entre la masse 8 et une tension d'alimentation positive. Plus particulièrement, la charge 4 présente un premier point de connexion (désigné "-") relié à la masse 8 et un second point de connexion (désigné "+") relié à la source s du transistor Ql du commutateur du type côté bas 12, le drain d de ce transistor étant relié à la tension d'alimentation, en l'occurrence la borne positive de la batterie 6 12N pour véhicule. Comme dans le cas précédent des figures 1 et 2, la borne négative de la batterie 6 est reliée à la masse 8.
Le positionnement mutuel de la charge 4 et du commutateur du type côté bas 12 vis-à-vis de l'alimentation est donc inversé relativement au montage classique de la figure 2. En conséquence, la source s du transistor Ql, lorsque celui-ci est conducteur, se trouve à un niveau de potentiel voisin de la tension d'alimentation, soit de 12 volts dans l'exemple, du fait que la résistance de la charge 4 est sensiblement plus élevée que celle du canal source-drain du transistor Ql en mode conducteur. La tension de commutation Scom à appliquer au terminal Ecom du commutateur 12 - et donc à la grille g - pour rendre le transistor Ql conducteur doit être plus élevée d'environ 10 volts par rapport à la source s, soit de l'ordre de + 22 volts par rapport à la masse dans les conditions d'une commutation vers l'état conducteur sur une polarisation grille-source Ngs de + 10 volts. Cette tension de commutation est fournie par une sortie haute tension
OH d'un convertisseur de niveaux logiques 20, reliée à l'entrée Ecom du commutateur autoprotégé du type côté bas 12. Ainsi, la tension de commutation Scom reproduit les états d'un signal logique SL présenté sur une entrée basse tension IL du convertisseur 20, avec élévation de tension comme suit : SL = O volt → Scom = 0 volt ; SL = + 5 volts → Scom = + 22 volts.
La commutation du transistor Ql à l'état conducteur, permettant d'alimenter la charge 4, s'effectue alors en appliquant sur l'entrée IL du convertisseur 20 un signal logique SL à l'état 1 égal à 5 volts. A l'inverse, la commutation du transistor Ql à l'état bloqué, permettant d'interrompre l'alimentation de la charge, s'effectue en appliquant ce signal logique SL à l'état logique 0 égal à 0 volt sur l'entrée IL.
Le convertisseur 20 permet ainsi de commuter le transistor Ql à partir de signaux logiques basse tension SL compatibles avec les circuits logiques de signalisation intégrés CMOS, par exemple. Il est donc possible de commander la commutation directement à partir de sorties de microcontrôleurs, de logiques câblées, ou analogues sur l'entrée IL.
La conception du convertisseur de niveaux logiques 20 est connue en elle-même, s'agissant par exemple d'un circuit dit "translateur".
Le fonctionnement d'un tel convertisseur requiert une tension de fonctionnement Nconv égale (ou légèrement supérieure) au maximum de la tension présentée à la sortie OH, soit + 22 volts dans l'exemple.
Cette tension Nconv est fournie par une alimentation auxiliaire 22 à élévation de tension du type convertisseur continu-continu à élévation de tension. L'alimentation auxiliaire 22 présente deux entrées 22a, 22b reliées respectivement à la borne positive de + 12 volts de la batterie 6 et à la masse 8, servant à alimenter ses circuits internes, et une sortie 22c qui présente la tension Vconv, reliée à l'entrée de tension d'alimentation du convertisseur 20. L'alimentation auxiliaire 22 est de conception classique, s'agissant par exemple d'une alimentation à découpage ou analogue. L'invention peut être mise en œuvre de manière particulière avantageuse dans une application où plusieurs charges doivent être commandées par des commutateurs électroniques respectifs. En effet, il est possible dans ce cas d'utiliser des commutateurs autoprotégés MOS du type côté bas selon la configuration représentée à la figure 3, avec une seule alimentation auxiliaire, celle-ci servant de manière commune pour l'ensemble des commutateurs.
Un exemple d'un tel montage est représenté sous forme de schéma bloc à la figure 4, où les éléments communs avec le circuit de la figure 3 portent les mêmes références (éventuellement avec un suffixe) et ne seront décrits de nouveau en détail par souci de concision. Dans l'exemple, une pluralité n de charges indépendantes 4-1 à 4-n sont commandées chacune par un commutateur protégé de type "smart lowside" 12-1 à 12-n, tel que décrit dans le cadre de la figure 3. Ainsi, chaque commutateur 12-1 à 12-n comprend un terminal de drain d reliée au pôle positif d'une source de tension (ici encore une batterie de 12 N) et un terminal de source s relié au terminal positif + de sa charge respective 4-1 à 4-n, laquelle a son terminal négatif relié à la masse 8.
Chaque commutateur 12-1 à 12-n est commandé sur son entrée de commutation Ecom par un convertisseur de niveaux logiques commun 20Ν ayant un nombre n de canaux indépendants. Chaque canal comprend une entrée de signal de commande logique de commutation (portant l'une des désignations IL-1 à IL-n) et une sortie de tension de commutation (portant l'une des désignations Scoml à Scomn) pour l'entrée Ecom de son commutateur respectif 12-1 à 12-n. De même que pour le convertisseur 20 de la figure 3, le convertisseur 20N produit pour chaque canal i les états d'un signal logique SLi présenté sur son entrée basse tension ILi , avec élévation de tension comme suit : SLi = O volt -» Scomi = 0 volt ; SLi = + 5 volts - Scom = + 22 volts, où i est index de 1 à n.
Le convertisseur 20N est alimenté par une seule alimentation auxiliaire 22 à élévation de tension qui fournit la tension Nconv nécessaire à son fonctionnement à partir de la tension de la batterie 6 de 12 volts. On remarque que le coût de l'alimentation auxiliaire 22 est très largement compensé par l'économie, n fois multipliée, obtenue par l'utilisation d'un commutateur de type "côté bas" plutôt que du type "côté haut".
En variante, on peut prévoir de remplacer le convertisseur de niveaux logiques 20Ν de la figure 4 par un nombre n de convertisseurs tels que présentés dans le cadre de la figure 3, chacun des n convertisseurs recevant sa tension de fonctionnement Nconv à partir d'une seule et même alimentation auxiliaire 22. Dans ce cas, la sortie de tension Nconv de l'alimentation auxiliaire 22 est simplement connectée en parallèle à chacune des entrées de tension d'alimentation des n convertisseurs 20. Grâce à l'invention, il est possible de bénéficier des avantages du faible coût d'un commutateur autoprotégé MOS du type côté bas 12, tout permettant d'effectuer un branchement de la charge 4 à la masse 8. Cette disposition autorise ainsi l'utilisation de commutateurs "côté bas" pour commander un très grand nombre de charges à commuter, par exemple: - en automobile : lampes (phares, avertisseurs), commodités (moteurs de lève-vitres, de condamnation de portières, de réglage de rétroviseurs, de siège), actionneurs de freins, de direction assistée), notamment pour les boîtes d'interconnexion du type (BSI, BSM, UPC, UCH, ...) etc. ;
- en contrôle de systèmes : commande de servomécanismes, pilotage d'automatismes,
- en informatique : périphériques (imprimantes, lecteurs, etc.).
On note que de nombreuses charges, notamment dans le domaine de l'automobile, ont un corps ou un carter destiné à être relié de manière directe et permanente à la masse 8 (généralement en commun avec la borne négative de la batterie 6).
La mise en œuvre du convertisseur de niveaux logiques 20 ou 20Ν et de l'alimentation auxiliaire 22 est aisée et n'ajoute que peu de frais, si bien que le montage basé sur le commutateur MOS autoprotégé du type côté bas 12, même en tenant compte de ces éléments supplémentaires 20 ou 20N et 22, demeure très avantageux du point de vu économique par rapport à l'utilisation d'un commutateur MOS autoprotégé du type côté haut 2 tel que décrit par référence à la figure 1, surtout si plusieurs commutateurs côté bas dépendent d'un même convertisseur et/ou d'une même alimentation auxiliaire.
Pour une plus grande économie et simplicité de mise en œuvre, le convertisseur de niveaux logiques 20 ou 20N et ou l'alimentation auxiliaire 22 peut/peuvent être réalisé(s) sous forme de circuit intégré spécifique à partir d'un réseau prédiffusé (connu également par le terme anglo-saxon de ASIC
("application spécifie integrated circuit").
Le circuit intégré spécifique peut également incorporer d'autres éléments fonctionnels, par exemple la logique de commande produisant les signaux de commutation à l'entrée IL.
Par ailleurs, une même alimentation auxiliaire 22 peut servir à alimenter plusieurs convertisseurs 20. De même, un convertisseur de niveaux logiques. 20 peut être utilisé pour commander plusieurs commutateurs autoprotégés du type "côté bas" 12, selon les applications envisagées.
Bien entendu, on peut se dispenser de l'alimentation auxiliaire 22 spécifique si une source de tension adéquate (soit + 22 volts dans l'exemple) est disponible à partir d'une source existante pour faire fonctionner le convertisseur 20. De nombreuses variantes peuvent être envisagées dans le cadre de l'invention, notamment en prévoyant une résistance entre la sortie OH du convertisseur 20 et l'entrée Ecom du commutateur 12, et/ou entre la masse 8 et la charge 4.
Enfin, on comprendra que par simple inversion de moyens, les enseignements de l'invention peuvent s'appliquer également à des circuits à masse positive.

Claims

REVENDICATIONS
1. Circuit de commutation pour une charge (4) alimentée par une différence de potentiel entre un point (-) de connexion de masse et un point (+) de connexion à une tension d'alimentation, comprenant :
- au moins un commutateur autoprotégé (12) interposé entre le point (+) de connexion à la tension d'alimentation de la charge (4) et une source de la tension d'alimentation (6), le commutateur étant commandé par un signal de commutation (Scom), et
- des moyens de commande (20; 20N) pour produire sélectivement ledit signal de commutation (Scom) audit commutateur autoprotégé (12), caractérisé en ce que le commutateur autoprotégé (12) est du type "côté bas", les moyens de commande (20; 20N) délivrant le signal de commutation
(Scom; Scoml-Scomn), pour une mise à l'état conducteur dudit commutateur autoprotégé, à une tension dont la grandeur est supérieure à celle de la source de tension d'alimentation (6).
2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une deuxième source de tension d'alimentation (22) pour alimenter les moyens de commande (20; 20N), afin de permettre à ces derniers de produire le signal de commutation (Scom; Scoml - Scomn) au niveau de tension requis.
3. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite deuxième source de tension d'alimentation (22) est un élévateur de tension, servant à élever la tension de ladite source de tension d'alimentation (6).
4. Circuit selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de commutateurs autoprotégés (12-1 -12n), et en ce qu'une même deuxième source de tension d'alimentation (22) alimente les moyens de commande (20N) délivrant le signal de commutation (Scoml-Scomn) pour chaque commutateur autoprotégé de ladite pluralité, de sorte que ladite deuxième source de tension sert en commun pour ladite pluralité de commutateurs autoprotégés.
5. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de commande (20N) comprennent une pluralité de canaux indépendants, chaque canal délivrant à un commutateur respectif (12-1 - 12n) ledit signal de commutation (Scoml - Scomn).
6. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le point (-) de connexion de masse de la charge (4) est relié à la masse (8) par une liaison permanente indépendante de l'état de commutation du commutateur autoprotégé du type "côté bas" (12).
7. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le commutateur comprend un transistor MOS (Ql) dont le canal source- drain est connecté en série avec la charge (4), et dont la grille g reçoit le signal de commutation (Scom).
8. Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce que le transistor MOS est de type N, le drain (d) étant connecté à la source de tension d'alimentation (6), la source (s) étant connectée au point (+) de connexion de tension d'alimentation de la charge (4), le canal source-drain étant mis à l'état conducteur par une tension de polarisation positive par rapport au potentiel audit point d'alimentation.
9. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens de commande comprennent un convertisseur de niveaux logiques (20 ; 20N) permettant de commander le commutateur autoprotégé du type "côté bas" (12) à partir d'un signal logique (SL) de niveau inférieur au seuil de commutation, et compatible avec des circuits logiques de signalisation basse tension.
10. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens de commande (20 ; 20N) sont réalisés sous forme de circuit intégré en réseau prédiffusé du type "ASIC".
11. Circuit selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que la deuxième source de tension d"alimentation (22) est réalisée sous forme de circuit intégré en réseau prédiffusé du type "ASIC".
12. Utilisation d'un circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 dans un boîtier d'interconnexion pour réaliser les fonctions de commutation et de protection de charges (4) dans un véhicule.
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