FR2798480A1 - Regulateur de tension - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un régulateur de tension (10) comprenant un condensateur (CREG ) délivrant sur son anode une tension régulée (VREG ), un interrupteur de régulation (SW1) pour connecter le condensateur (CREG ) à une source de tension (VDD ), et des moyens de régulation (11) agencés pour fermer l'interrupteur (SW1) quand la tension régulée (VREG ) est inférieure à une première tension de référence (VREF1 ). Selon l'invention, le régulateur (10) comprend au moins un interrupteur ballast (SW2) en parallèle avec l'interrupteur de régulation (SW1), et des moyens (11) pour ouvrir l'interrupteur de régulation (SW1) et fermer l'interrupteur ballast (SW2) pendant une phase de démarrage du régulateur.
Description
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REGULATEUR DE TENSION
La présente invention concerne un régulateur de tension comprenant un condensateur délivrant sur son anode une tension régulée, un interrupteur de régulation pour connecter le condensateur à une source de tension et des moyens de régulation agencés pour fermer l'interrupteur quand la tension régulée est inférieure à
une première tension de référence.
Les régulateurs de tension trouvent diverses applications dans le domaine de l'électronique, par exemple pour délivrer une tension régulée servant à
alimenter électriquement les ports d'un microprocesseur.
La figure 1 représente un régulateur de tension classique 1, incorporé dans un microprocesseur 2. Le microprocesseur 2 est alimenté par une pile électrique 3 de résistance interne ri, délivrant une tension VDD. Le régulateur 1 comprend un condensateur externe CREG délivrant sur son anode une tension régulée VREG. L'anode du condensateur CREG est reliée à l'anode de la pile 3 par l'intermédiaire d'un interrupteur de régulation SW1 présentant une résistance série R1 nulle ou de faible valeur. L'interrupteur SW1 est piloté par la sortie d'un circuit suiveur CP recevant sur son entrée positive la tension régulée VREG et sur son entrée négative une tension de référence VREF. La tension VREF est classiquement une tension dite de band-gap présentant une bonne stabilité en fonction de la température, générée au
moyen de diodes à jonction PN et de miroirs de courant.
Le circuit suiveur CP est contrôlé par un signal PDW (Power-Down) et l'anode du condensateur CREG est reliée à la masse par un interrupteur SWOFF piloté par le signal PDW. Lorsque le signal PDW est égal à 1, le circuit
suiveur CP est bloqué et l'interrupteur SWOFF est fermé.
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Le régulateur 1 est à l'arrêt et le condensateur CREG est déchargé. L'inconvénient d'un tel régulateur est de présenter une forte consommation de courant au démarrage. Ainsi, lorsque le signal PDW est mis à 0, le condensateur CREG est déchargé et la tension VREG est nulle. La sortie du circuit suiveur CP passe à 0 et l'interrupteur SW1 se ferme. L'application de la tension VDD sur le condensateur CREG provoque un fort appel de courant et une chute importante de la tension d'alimentation VDD du microprocesseur 2, en raison de la résistance interne ri de la pile 3. Si au même instant d'autres éléments du microprocesseur 2 consomment un courant non négligeable, il peut se produire que la tension VDD devienne inférieure à la tension minimale de fonctionnement du microprocesseur 2, de sorte que le microprocesseur 2 se bloque. La présente invention vise à pallier cet inconvénient. Plus particulièrement, la présente invention vise à limiter le courant de démarrage d'un régulateur sans augmenter la résistance série de l'interrupteur de régulation. A cet effet, la présente invention prévoit un régulateur du type décrit ci-dessus, comprenant au moins un interrupteur ballast en parallèle avec l'interrupteur de régulation, et des moyens pour ouvrir l'interrupteur de régulation et fermer l'interrupteur ballast au moins pendant une phase de démarrage du régulateur, jusqu'à ce
que le condensateur soit au moins partiellement chargé.
Selon un mode de réalisation, le régulateur comprend des moyens pour ouvrir l'interrupteur de régulation et fermer l'interrupteur ballast quand la tension régulée est inférieure à une deuxième tension de
référence inférieure à la première tension de référence.
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Selon un mode de réalisation, la deuxième tension de référence est une fraction de la première tension de référence. Selon un mode de réalisation, un signal commun de commande de l'interrupteur de régulation et de l'interrupteur ballast est appliqué à l'interrupteur de régulation par l'intermédiaire d'un interrupteur inhibiteur. Selon un mode de réalisation, l'interrupteur inhibiteur est piloté par un signal délivré par un comparateur recevant en entrée la tension régulée et une deuxième tension de référence inférieure à la première
tension de référence.
Selon un mode de réalisation, le régulateur comprend un circuit suiveur recevant en entrée la tension régulée et la première tension de référence, le circuit suiveur délivrant un signal de régulation, et un comparateur recevant en entrée la tension régulée et une deuxième tension de référence inférieure à la première tension de référence. Le signal de régulation est appliqué sur l'entrée de commande de l'interrupteur ballast et est appliqué sur l'entrée de commande de l'interrupteur de régulation par l'intermédiaire d'un interrupteur inhibiteur. La sortie du comparateur est appliquée sur l'entrée de commande de l'interrupteur inhibiteur. Selon un mode de réalisation, l'interrupteur ballast est un transistor MOS comprenant une résistance
intrinsèque non négligeable.
Selon un mode de réalisation, la source de tension
est une pile électrique.
La présente invention concerne également un circuit intégré, notamment un microprocesseur, comprenant un
régulateur selon l'invention.
Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés plus en détail dans la
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description suivante d'un régulateur de tension selon
l'invention, en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: - la figure 1 précédemment décrite est le schéma électrique d'un régulateur de tension classique, - la figure 2 est le schéma de principe d'un régulateur de tension selon l'invention, et - la figure 3 est le schéma électrique d'un mode de
réalisation d'un régulateur de tension selon l'invention.
La figure 2 représente un régulateur de tension selon l'invention. Le régulateur 10 comprend de façon classique un condensateur CREG dont l'anode est reliée à une source de tension VDD par un interrupteur de régulation SW1, ici un transistor PMOS, comportant une résistance série Ri nulle ou de faible valeur. L'anode du condensateur CREG, qui délivre une tension régulée VREG, est reliée à la masse par un interrupteur SWOFF piloté par
un signal de remise à zéro PDW (Power-Down).
Selon l'invention, un interrupteur ballast SW2 est
connecté en parallèle avec l'interrupteur SW1.
L'interrupteur SW2 présente une résistance série R2 non négligeable, par exemple de l'ordre de quelques centaines d'ohms. L'interrupteur SW2 est ici un transistor PMOS et la résistance R2 est la résistance intrinsèque du transistor, c'est-à-dire sa résistance série (RON) à l'étant passant. La valeur de la résistance R2 est ainsi déterminée par le choix du rapport W/L entre la largeur W
et la longueur L de la grille du transistor.
Les interrupteurs SW1, SW2 sont pilotés par un circuit 11, représenté ici sous forme de bloc, contrôlé par le signal PDW. Le circuit 11 reçoit en entrée la tension VREG, une première tension de référence VREF1 et une deuxième tension de référence VREF2. La tension VREF2 est inférieure à VREF1 et est par exemple égale à 0,75 VREF1. Le circuit 11 délivre un signal Si de commande de l'interrupteur SW1 et un signal S2 de commande de
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l'interrupteur SW2 (les signaux Sl, S2 étant ici
appliqués sur les grilles des transistors PMOS).
Lorsque le signal PDW est à 1, le circuit 11 est bloqué et l'interrupteur SWOFF est fermé. Le condensateur CREG est déchargé et la tension VREG est nulle. Lorsque le signal PDW est mis à 0, le circuit 11 démarre et le condensateur CREG se charge. Le fonctionnement du régulateur 10 et du circuit 11 est décrit par le tableau 1 ci-après. Les interrupteurs SW1, SW2 étant ici des transistors PMOS, la valeur active des signaux S1, S2 correspondant à la fermeture des interrupteurs SW1, SW2 (état passant) est la valeur 0 (grille des transistors à la masse). Lorsque les signaux S1, S2 sont à 1 (tension VDD), les interrupteurs sont ouverts (transistors dans
l'état bloqué).
Tableau 1
VRsi SWl S2 SW2 (El) VpE < VE 1 ouvert O fermé (E2) VREF2 < VpR < V A 0 fermé 0 ou 1 fermé ou ouvert (E3) VRE > VRF 1 ouvert ouvert Ainsi, au démarrage du régulateur 10, le
condensateur CREG se charge en deux périodes El, E2.
Pendant la période El, l'interrupteur ballast SW2 est fermé et l'interrupteur de régulation SW1 est ouvert. La charge du condensateur CREG s'effectue par l'intermédiaire de l'interrupteur ballast SW2 et le courant de démarrage est limité par la résistance R2. Le risque de voir la tension d'alimentation VDD diminuer fortement est ainsi supprimé, notamment lorsque la tension VDD est délivrée
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par une pile électrique ou un générateur de tension ayant
une résistance interne non négligeable.
La période E2 intervient quand la tension VREG dépasse le seuil VREF2. L'interrupteur SW1 se ferme et le cycle de charge du condensateur CREG se termine rapidement
puisque la résistance R1 est nulle ou de faible valeur.
Pendant la période E2, l'interrupteur ballast SW2 peut,
indifféremment, être maintenu ouvert ou fermé.
Lorsque le condensateur CREG est chargé, le régulateur 10 fonctionne de façon classique, l'interrupteur de régulation SW1 étant fermé (période E2) ou ouvert (période E3) selon que la tension VREG est inférieure ou supérieure à VREF1. La tension VREG est ainsi asservie au voisinage de VREF1 avec alternance des périodes E2 et E3. Pendant les périodes de dépassement
E3, l'interrupteur ballast SW2 est toujours ouvert.
Un mode de réalisation avantageux du circuit 11 est représenté sur la figure 3. De façon non limitative, le régulateur 10 est représenté incorporé dans un circuit intégré 20, par exemple un microprocesseur, et la tension VDD est délivrée par une pile électrique 21 de résistance
interne ri.
Le circuit 11 comprend un amplificateur opérationnel Cl agencé en circuit suiveur et un comparateur CP2. Le circuit suiveur CP1 et le comparateur CP2 sont contrôlés par le signal PDW. Le circuit suiveur CP1 reçoit sur son entrée négative la tension VREF1 et sur son entrée positive la tension régulée VREG. La sortie du circuit suiveur CP1 délivre le signal S2 qui est appliqué sur l'entrée de commande de l'interrupteur SW2. Le comparateur CP2 reçoit sur son entrée positive la tension VREF2 et sur son entrée négative la tension VREG. La tension VREF2 est obtenue ici par division de la tension VREF1 au moyen d'un pont diviseur comprenant deux résistances ra, rb. La sortie du comparateur CP2 délivre un signal S3 qui est appliqué sur l'entrée de commande
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d'un interrupteur SW3, ici un transistor PMOS, ainsi qu'à l'entrée d'une porte inverseuse INV1. La sortie de la porte INV1 est connectée à l'entrée de commande d'un interrupteur SW4, ici un transistor PMOS. L'entrée de l'interrupteur SW4 (source du transistor) reçoit la tension VDD et l'entrée de l'interrupteur SW3 reçoit le signal S2. Les sorties des interrupteurs SW3 et SW4 (drains) sont connectées ensemble et délivrent le signal Si qui est appliqué sur l'entrée de commande de
l'interrupteur SW1.
Le fonctionnement du circuit 11, décrit par le tableau 2 ci-après, est équivalent au fonctionnement décrit par le tableau 1 ci-dessus. Pendant la première période El de charge du condensateur CREG le signal Si est égal à 0 et le signal S3 égal à 1. L'interrupteur ballast SW2 est fermé, l'interrupteur SW3 ouvert (transistor bloqué) et l'interrupteur SW4 fermé. Le signal Si est à 1 (tension VDD) et l'interrupteur de régulation SW1 est maintenu ouvert. Pendant la deuxième période de charge E2, le signal S2 reste à 0, le signal S3 passe à 0, l'interrupteur SW3 se ferme et l'interrupteur SW4 s'ouvre. Le signal Si recopie le signal S2 par l'intermédiaire de l'interrupteur SW3 et l'interrupteur
de régulation SW1 se ferme.
Tableau 2
VRW S2 SW2 S3 SW3 SW4 Si SWl (El) VRm < VE- O0 fermé 1 ouvert fermé 1 ouvert (E2) 0 fermé 0 fermé ouvert 0 fermé
VREF2 < VRS < VR__ _
(E3) VR > VRE 1 ouvert 0 fermé ouvert 1 ouvert
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On voit dans le tableau 2 que l'interrupteur SW3 est un interrupteur inhibiteur permettant, pendant la première période de charge El, de ne pas transmettre à l'interrupteur SW1 le signal de régulation S2, de sorte que l'interrupteur SW1 ne se ferme pas. L'interrupteur SW4 est un élément auxiliaire permettant d'éviter que la grille du transistor interrupteur SW1 soit portée à un potentiel flottant (haute impédance) quand l'interrupteur SW3 est ouvert. Bien entendu, diverses variantes sont envisageables selon le mode de fonctionnement des interrupteurs utilisés, qui peuvent être du type normalement ouvert, du type normalement fermé, ou du type n'acceptant pas un signal indéfini sur l'entrée de commande. Ce mode de réalisation du circuit 11 peut également faire l'objet de diverses variantes en ce qui concerne la commande de l'interrupteur inhibiteur SW3. Par exemple, le signal S3 peut être délivré par une minuterie que l'on active au démarrage du régulateur 10, ou être délivré par le microprocesseur 20 après exécution d'un programme de temporisation. Dans ce cas, l'interrupteur de régulation SW1 reste ouvert jusqu'à ce que le signal S3 soit mis à 0 par la minuterie ou le microprocesseur. En pratique, la durée de la temporisation doit être calculée en fonction
de la capacité du condensateur CREG-
Ce mode de réalisation du circuit 11 présente toutefois l'avantage de garantir une mise en service automatique de l'interrupteur de régulation SW1 lorsque le seuil VREF2 est atteint, quelle que soit la capacité CREG et sans qu'il soit nécessaire de générer un signal de
temporisation au moyen d'une minuterie ou d'un programme.
Comme autre avantage, le signal S3 délivré par le comparateur CP2 peut être utilisé par le microprocesseur pour surveiller l'état du régulateur 10. Par exemple, le passage à 1 du signal Sl en cours de fonctionnement est représentatif d'une surcharge du régulateur. Enfin, dans
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certaines applications, le signal S3 peut être combiné de façon logique à d'autres signaux émis par le microprocesseur avant d'être appliqué à l'interrupteur inhibiteur SW3, pour que le microprocesseur puisse forcer à l'état ouvert ou fermé l'interrupteur régulateur SWl si
cela s'avère nécessaire.
Enfin, bien que l'on ait indiqué ci-dessus que la résistance R2 est la résistance intrinsèque de l'interrupteur ballast SW2, il va de soi que le terme
"interrupteur ballast" peut désigner, dans la description
et les revendications, un interrupteur de résistance
nulle connecté en série avec une résistance R2, ou un interrupteur de résistance intrinsèque R2a connecté en
série avec une résistance complémentaire R2b.
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Claims (10)
1. Régulateur de tension (10) comprenant un condensateur (CREG) délivrant sur son anode une tension régulée (VREG), un interrupteur de régulation (SWl) pour connecter le condensateur (CREG) à une source (21) de tension (VDD), et des moyens de régulation agencés pour fermer l'interrupteur (SW1) quand la tension régulée (VREG) est inférieure à une première tension de référence (VREF1), caractérisé en ce qu'il comprend: - au moins un interrupteur ballast (SW2) en parallèle avec l'interrupteur de régulation (SW1), et - des moyens (11, CP1, CP2, SW3, SW4) pour ouvrir l'interrupteur de régulation (SW1) et fermer l'interrupteur ballast (SW2) au moins pendant une phase de démarrage du régulateur, jusqu'à ce que le
condensateur (CREG) soit au moins partiellement chargé.
2. Régulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (11, CP1, CP2, SW3, SW4) pour ouvrir l'interrupteur de régulation (SW1) et fermer l'interrupteur ballast (SW2) quand la tension régulée (VREG) est inférieure à une deuxième tension de référence (VREF2) inférieure à la première tension de référence
(VREF1) À
3. Régulateur selon la revendication 2, dans lequel la deuxième tension de référence (VREF2) est une fraction
de la première tension de référence (VREF1).
4. Régulateur selon l'une des revendications 1 à 3,
dans lequel un signal (S2) commun de commande de l'interrupteur de régulation (SW1) et de l'interrupteur ballast (SW2) est appliqué à l'interrupteur de régulation (SW1) par l'intermédiaire d'un interrupteur inhibiteur
(SW3).
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5. Régulateur selon la revendication 4, dans lequel l'interrupteur inhibiteur (SW3) est piloté par un signal (S3) délivré par un comparateur (CP2) recevant en entrée la tension régulée (VREG) et une deuxième tension de référence (VREF2) inférieure à la première tension de
référence (VREF1) -
6. Régulateur selon l'une des revendications 1 à 5,
comprenant un circuit suiveur (CP1) et un comparateur (CP2), dans lequel le circuit suiveur (CP1) reçoit en entrée la tension régulée (VREG) et la première tension de référence (VREF1) et délivre un signal de régulation (S2), le comparateur (CP2) reçoit en entrée la tension régulée (VREG) et une deuxième tension de référence (VREF2) inférieure à la première tension de référence (VREF1), le signal de régulation (S2) est appliqué sur l'entrée de commande de l'interrupteur ballast (SW2) et est appliqué sur l'entrée de commande de l'interrupteur de régulation (SW1) par l'intermédiaire d'un interrupteur inhibiteur (SW3), et la sortie du comparateur (CP2) est appliquée sur l'entrée de commande de l'interrupteur inhibiteur
(SW3).
7. Régulateur selon l'une des revendications 1 à 6,
dans lequel l'interrupteur ballast (SW2) est un transistor MOS comprenant une résistance intrinsèque (R2)
non négligeable.
8. Régulateur selon l'une des revendications 1 à 7,
dans lequel la source (21) de tension (VDD) est une pile électrique.
9. Circuit intégré (20), comprenant un régulateur
selon l'une des revendications 1 à 8.
10. Microprocesseur (20), comprenant un régulateur
selon l'une des revendications 1 à 8.
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- 2000-09-08 DE DE60015882T patent/DE60015882T2/de not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
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