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120 V
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300 ms
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de 40 V
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de 60 V
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de 30 V
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Gene Or Protein
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Etre
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CES
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Molecule
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DES
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SEMI
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monter
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Organism
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2512598A1
Family ID 8006251
Probable Assignee Texas Instruments France
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title CIRCUIT POUR PROTEGER UN CIRCUIT INTEGRE CONTRE LES
SURTENSIONS
EN Title ON-CHIP OVERVOLTAGE PROTECTION FOR BIPOLAR INTEGRATED
CIRCUITS - USES ZENER ARRAY IN BASE OF POWER TRANSISTOR SHUNT ACROSS
INPUT OF BIPOLAR CIRCUIT TO DIVERT OVERVOLTAGE
Abstract
_________________________________________________________________
CIRCUIT DESTINE A PROTEGER CONTRE LES SURTENSIONS UN CIRCUIT INTEGRE 1
DU TYPE BIPOLAIRE APPARTENANT NOTAMMENT A UN EQUIPEMENT POUR VEHICULE
AUTOMOBILE, LES DEUX CIRCUITS ETANT INTEGRES SUR UNE MEME PASTILLE
SEMI-CONDUCTRICE, LE CIRCUIT DE PROTECTION 7 ETANT CONNECTE EN
PARALLELE A DEUX BORNES DE CONNEXION 2, 3 DU CIRCUIT A PROTEGER ET
COMPORTANT UN GROUPE DE N COMPOSANTS EN SERIE 10-1 A 10-5 REMPLISSANT
UNE FONCTION DE ZENER, CE CIRCUIT DE PROTECTION ETANT CARACTERISE EN
CE QUE LESDITS COMPOSANTS 10-1 A 10-5 DU GROUPE DE N COMPOSANTS EN
SERIE SONT DE FAIBLE PUISSANCE COMPARATIVEMENT A L'ENERGIE DES
SURTENSIONS A NEUTRALISER ET EN CE QUE CES COMPOSANTS SONT RELIES A
L'ELECTRODE DE COMMANDE D'UN COMPOSANT DE PUISSANCE 8 CAPABLE DE
DISSIPER L'ENERGIE DES SURTENSIONS A SUPPRIMER, LE CIRCUIT PRINCIPAL
DE CE COMPOSANT DE PUISSANCE ETANT MONTE EN PARALLELE SUR LESDITES
BORNES DE CONNEXION 2, 3 DU CIRCUIT A PROTEGER 1.
The overvoltage circuit (7) is connected in parallel to the two
connection terminals (2,3) of the circuit to be protected, and
comprises n series connected components (10-1 to 10-5) fulfilling the
function of a zener diode. The individual components (10-1 to 10-5)
have a low power rating relative to the levels of overvoltage and are
coupled to the control terminal of a power switching device of high
power rating. An overvoltage causes a turn-on signal to occur,
switching the power device into conduction, thus clamping the voltage
between the input terminals to a safe level. A resistor is integrated
with the device to be protected and is connected in series with a
power transistor.
Description
_________________________________________________________________
La presente invention est relative a la protection des circuits
integres du type bipolaire contre les surtensions. Plus
particulierement, l'invention concerne un circuit de protection
pouvant etre integre sur une pastille semi-conductrice avec le circuit
qu'il est charge de proteger.
On sait qu'en technologie bipolaire, les circuits integres peuvent
supporter'des surtensions assez importantes qui sont de l'ordre de 40
V pour un regime stationnaire et de 60 V pour des periodes breves mais
repetees. Toutefois, l'application des circuits bipolaires a la
technique de l'electronique appliquee aux automobiles a ete
considerablement limitee en raison du fait que dans cette application
particuliere, les circuits doivent pouvoir supporter des surtensions
pouvant aller jusqu'! 120 V pendant 300 ms.
Bien entendu, il est possible de recourir a des techniques classiques
de protection utilisant des montages a diode Zener montee a
l'exterieur du circuit integre, mais il est evident que cette solution
bien que technique ment satisfaisante, n'est pas appropriee car elle
augmente le cout du circuit electronique, necessite un montage
particulier et introduit des causes de pannes supplementa ires.
I1 est donc souhaitable d'integrer la fonction de la diode Zener dans
la pastille du circuit a proteger.
Cependant, dans la realisation d'un circuit integre, on se trouve
evidemment confronte a des contraintes de taille et de dissipation
d'energie, de sorte que, pour les puissances envisagees, une seule
diode de puissance (ou un transistor ayant la meme fonction) ne suffit
pas. I1 est donc deja connu de realiser sur le circuit, un groupe de
transistors connectes en serie par leur circuit collecteur- emetteur.
Ainsi, avec cinq composants integres sais en se- rie, on peut obtenir
une tension de Zener de 30 V environ.
Cette solution est egalement satisfaisante du pOint de vue technique,
mais dans une certaine mesure seulement, car les surtensions que l'on
peut rencontrer, surtout dans un environnement automobile, peuvent
entralner un claquage n secondaire " (terme anglo-saxon " secondary
breakdown ") irreversible des composants et une destruc- tion du
circuit de protection.
De plus, un tel groupe de composants de puissance necessite
comparativement au circuit a proteger une place considerable sur le
circuit integre.
L'invention a pour but de fournir un circuit de protection simple et
efficace, depourvu des inconve- nients, tant des circuits de
protection exterieurs qu'aux circuits de protection qui sont integres
sur une meme pastille avec le circuit a proteger.
L'invention a donc pour objet un circuit destine a proteger contre les
surtensions un circuit integre du type bipolaire-appartenant notamment
a un equipement pour vehicule automobile, les deux circuits etant
integres sur une meme pastille semi-conductrice, le circuit de
protection etant connecte en parallele a deux bornes de connexion du
circuit a proteger et comportant un groupe de n composants en serie
remplissant une fonction de Zener, ce circuit de protection etant
caracterise en ce que lesdits composants du groupe de n composants en
serie sont de faible puissance comparativement a l'energie des
surtensions a neutraliser et en ce que ces composants sont relies a
l'electrode de commande d'un composant de puissance capable de
dissiper l'energie des surtensions a supprimer, le circuit principal
de ce composant de puissanceetant monte en parallele sur lesdites
bornes de connexion du circuit a proteger.
Grace a ces caracteristiques, la fonction de protection d'une part et
la fonction de detection de la surtension d'autre part, sont
dissociees dans des parties distinctes du circuit de protection, ce
qui permet de re- duire considerablement la place necessaire sur le
circuit integre pour le circuit de protection, car il suffit de ne
pr6- voir qu4un seul composant de puissance au lieu de n composants
dans la technique anterieure, tandis que les composants de detection a
faible puissance ont une taille tres reduite. Par consequent,
l'invention permet egalement moyennant une faible depense de place sur
le circuit inte- gre d'augmenter la tension de Zener du circuit de
protection par une simple augmentation du nombre de composants de
faible puissance.En outre, l'ensemble des composants agences selon ces
caracteristiques est depourvu de tout phenomene d'avalanche secondaire
habituel aux circuits de protection classiques.
Le composant de puissance est de preference un transistor connecte en
montage a emetteur commun, tandis que les n composants
semi-conducteurs sont des transistors dont la base est reliee au
collecteur et dont les circuits emetteur-collecteur sont mis en serie
entre la base et l'emetteur du transistor de puissance.
Dans le cas ou le composant de puissance est un transistor, il est
avantageux selon une autre caracteristique de l'invention1 de monter
en serie avec le circuit principal du composant de puissance, un
element r sistif afin de reduire au minimum les risques de claquage
secondaire irreversible du transistor.
Suivant une autre caracteristique, cet element resistif est forme par
le trajet de conduction dans le sens passant d'une diode integre sur
la pastille du circuit a proteger en meme temps que ce dernier.
L'invention est exposee ci-apres plus en detail a l'aide de dessins
representant seulement un mode d'execution.
- la Fig.1 est un schema d'un premier mode de realisation du circuit
de protection suivant l'invention;
- la Fig.2 montre un autre mode de realisation de celle-ci; et
- la Fig.3 est un diagramme representant, en coordonnees lineaires,
les courbes de charge du transistor de puissance utilise dans le
circuit de protection suivant l'invention (courant de collecteur IC en
fonction de la tension collecteur-emetteur VCE).
On se refere d'abord a la Fig.l qui represente un premier mode de
realisation de l'invention.
Le circuit integre bipolaire a proteger est syza- bolise par le
rectangle 1 en traits mixtes. Bien qu'il puisse s'agir de tout circuit
electronique susceptible de recevoir des surtensions, l'invention se
prete particulie- rement a la protection des circuits utilises dans
les vehicules automobiles. En effet, les equipements de ceuxci sont de
plus en plus munis de circuits electroniques assurant la commande
d'allumage, le reglage de la temperature du moteur, la climatisation
de l'habitacle, etc.
Or, ces circuits sont soumis ss des conditions de fonctionnement tres
rigoureux du point de vue electrique non seulement au niveau de leur
alimentation en energie, mais egalement a leurs entrees recevant des
signaux de mesure de capteurs divers detectant des parametres a
reguler, par exemple. Les liaisons entre les divers ele- ments dont le
circuit integre, sont assurees par des fils qui peuvent aapter toutes
sortes de parasites engendrant des surtensions,-C'est pourquoi, on a
impose aux constructeurs des circuits integres des exigences severes
de protection contre les surtensions, le-circuit integre devant
resister a des pointes de tension pouvant aller jusqu'a 120 V pendant
300 ms.
Pour en revenir a la Fig.l, le circuit integre a proteger comporte
donc deux bornes de connexion 2 et 3 qui sont reliees respectivement
par des fils 4 et 5 a un dispositif exterieur 6. Les bornes 2 et 3
peuvent etre des bornes d'alimentation du circuit integre 1 cas auquel
le dispositif exterieur 6 sera la batterie du vehicule.
Mais il est egalement possible que ce dispositif soit un capteur d'un
parametre donne, par exemple un capteur magnetique detectant la
vitesse de rotation du volant du moteur du vehicule. Dans ce cas, les
bornes 2 et 3 sont les bornes d'entree du circuit integre.
Le circuit de protection proprement dit est designe par la reference
7. I1 comporte un transistor de puissance 8 monte en circuit a
emetteur commun, son collecteur etant relie par une resistance 9 a la
borne 2 du circuit integre. Entre la base du transistor 8 et la
jonction de la resistance 9 avec la borne -2 est relie un groupe de
cinq composants 10-1 A 10-5 ( le nombre etant choisi a titre
d'exemple) qui remplissent ensemble une fonction de Zener. I1 s'agit
ici de cinq transistors de faible puissance dont les circuits
emetteur-collecteur sont tous relies en serie et dont les bases sont
reliees a l'emetteur du transistor respectif.
Les composants 8, 9 et 10-1 A 10 5 sont tous integres sur la meme
pastille que le circuit integre 1.
Lorsqu'unie surtension apparait sur les fils 4 et 5, depassant la
valeur de la tension fixee par le groupe de transistorsl0-l a 10-5, le
transistor 8 est commande et l'energie en exces est conduite vers la
masse a travers le circuit collecteur-emetteur de ce transistor.
La Fig.3 montre en coordonnees lineaires, les caracteristiques d'un
transistor bipolaire de puissance (I = f (VCE)) -utilisable dans le
circuit de protection suivant l'invention.
La fiabilite du circuit de protection 7 depend de la courbe de
claquage secondaire qui designe la limite au-dela de laquelle le
claquage du transistor en provoque la desctruction irreversible (
courbe 11 de la Fige3) On voit que la tension que peut supporter un
transistor de ce type diminue lorsque le courant de collecteur
augmente.
Par ailleurs, les transistors integres sont pluD sensibles quant au
claquage secondaire q les transistoTs indivi- duels non integres, car
dans un circuit integre les champs electriques transversaux ont
tendance a augmenter le risque de claquage irreversible.
Par consequent, bien que pour des circuits a pro teger contre les
surtensions de faible valeur relative, il peut etre suffisant de ne
prevoir que le transistor de puissance depourvu de la resistance de
collecteur 9, il est avantageux suivant une caraeteristique importante
de l'invention de prevoir cette resistance, de maniere a obtenir la
droite de charge 12 de la Fig.3. Dans ces conditions, une augmentation
du courant de collecteur entrai- ne une augmentation de la tension aux
bornes de la resistance et une diminution concomitante de la tension
VCE de sorte que le point de fonctionnement du transistor reste
toujours en-deca de la courbe de claquage secondaire 11.
La Fig.2 montre un mode de realisation avantageux du circuit de
protection suivant l'invention. Dans ce cas, la resistance 9 est
remplacee par une diode 13 integree avec le circuit 1 a proteger,
cette diode ayant dans le sens passant une resistance ohmique
relativement elevee, calculee en fonction des surtensions auxquelles
on peut s'attendre sur les fils 4 et 5. Cette diode est d'autant plus
avantageuse qu'elle protege le circuit in tegre contre un eventuel
branchement errone des bornes d'alimentation 2 et 3 sur une batterie
(inversion de polarite).
Dans le cas de la Fig.2, le groupe de transistorslO-l a 10-5 est relie
par une resistance 14 au fil 4 provenant d'une resistance serie 15
connectee a une batterie 16. Cette Figure montre egalement que le
circuit de protection 7 peut desservir eventuellement un circuit
integre supplementaire ( non represente ). A cet effet, l'anode de la
diode 13 est reliee a la base d'un transistor 17 monte en
amplificateur, le circuit supplementaire a proteger etant connecte au
collecteur de ce transistor par un fil 18. Une resistance 19 est
connectee entre la base et le collecteur du transistor 17.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitee aux modes de realisation
decrits et representes. Ainsi, des circuits equivalents avec des
transistors de types de conductibilite opposes rentrent egalement dans
le cadre de l'invention. Par ailleurs, des composants autres que des
transistors pourraient remplir le rdle de composant de puissance ainsi
que celui des transistors Zener tels que representes.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1. Circuit destine a proteger contre les surtensions un circuit
integre (1) du type bipolaire appartenant notamment a un equipement
pour vehicule automobile, les deux circuits etant integres sur une
meme pastille semi-conductrice, le circuit de protection (7) etant
connecte en parallele a deux bornes de connexion (2,3) du circuit a
proteger et comportant un groupe de n composants en serie (10-1 A
10-5) remplissant une fonction de Zener, ce circuit de protection
etant caracterise en ce que lesdits composants (10-1 A 10-5) du groupe
de n composants en serie sont de faible puissance comparativement a
l'ener- gie des surtensions a neutraliser et en ce que ces composants
sont relies a l'electrode de commande d'un composant de puissance (8)
capable de dissiper l'energie des surtensions a supprimer, le circuit
principal de ce composant de puissance etant monte en parallele sur
lesdites bornes de connexion (2,3) du circuit a proteger (1), ce
circuit etant depourvu ainsi de tout phenomene d'avalanche secondaire.
2. Circuit suivant la revendication 1, caracterise en ce que le
composant de puissance (8) est un transistor.
3. Circuit suivant les revendications 1 et 2, caracterise en ce que
les composants a fonction Zener sont des transistors (10-1 A 10-5)
dont la base est reliee au circuit collecteur-emetteur.
4. Circuit suivant l'une quelconque des revendications 1 a 3,
caracterise en ce qu'un element resistif (8;13) est relie en serie
avec le circuit principal du composant de puissance (8).
5. Circuit suivant la revendication 4, caracterise en ce que l'element
resistif est une resistance (8) integree avec le circuit a proteger.
6. Circuit suivant la revendication 4, caracterise en ce que l'element
resistif est une diode (13) integree avec le circuit a proteger et
presentant dans le sens passant une resistance de valeur elevee.
7. Circuit suivant l'une quelconque des revendications 1 a 6, dans le
cas ou lesdites bornes (2,3) sont des bornes d'alimentation connectees
a une batterie (16), caracterise en ce qu'il est prevu au moins une
connexion (18) destinee a etre branchee a un circuit supplementaire a
proteger et en ce que cette connexion est reliee au circuit
collecteur-emetteur dudit transistor de puissance (8) par
l'intermediaire d'un composant amplificateur (17) exterieur audit
circuit integre.
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