Un circuito para la protección contra la inversión de polaridad en la alimentación de un circuito eléctrico.

1. Un circuito de protección para proteger un circuito eléctrico (L) contra la inversión de polaridad de la alimentación,

que se puede hacer funcionar para permitir un flujo de corriente desde una fuente (B) de tensión de alimentación deCC hacia un circuito (L) y para impedir el flujo en el sentido opuesto, que comprende un interruptor electrónicocontrolado (M1) destinado a estar interpuesto en una línea de alimentación entre un terminal de dicha fuente (B) quetiene una tensión positiva con respecto a un potencial de referencia y el circuito (L), y que puede controlarse paraque sea selectivamente conductor por medio de un circuito de activación asociado; en el cual dicho circuito deactivación está dispuesto para detectar la polaridad de la tensión y el sentido de la corriente susceptible de seraplicada al circuito (L) y para emitir una señal de control que funciona de manera que activa dicho interruptor (M1) aun estado de conducción cuando el terminal acoplado a la línea de alimentación tiene realmente una tensión positivay se alimenta corriente al circuito, y a un estado de desconexión en condiciones de inversión de la polaridad y/ocuando se extrae la corriente desde el circuito; comprendiendo además el circuito de activación una pareja de ramasdispuestas entre la línea de alimentación y un conductor del potencial de referencia, respectivamente aguas arriba yaguas abajo de dicho interruptor (M1), que incluye unos respectivos transistores bipolares (Q1, Q2) del tipo p-n-p,conectados conjuntamente a través de sus respectivas bases y que tienen sus emisores acoplados a la línea dealimentación y sus colectores acoplados al conductor de referencia, en el cual la rama aguas abajo está conectada aun terminal (G) de control de dicho interruptor (M1); caracterizado porque la rama del circuito aguas arriba delinterruptor (M1) incluye una resistencia desequilibradora (RA), dispuesta entre la línea de alimentación y el emisor20 del transistor bipolar asociado (Q1).

Un circuito para la protección contra la inversión de polaridad en la alimentación de un circuito eléctrico La presente invención está relacionada generalmente con la alimentación de un circuito eléctrico y, más específicamente, con un circuito para la protección contra la inversión de polaridad de la alimentación.

La solución clásica universalmente adoptada consiste en el uso de un diodo común dispuesto en serie con un terminal de batería. En el caso de la protección de circuitos formados sobre una placa madre, como se ilustra en la 10 figura 1, el diodo constituye la etapa de entrada necesaria del mismo inmediatamente aguas abajo de los terminales de alimentación.

Este diodo de protección, además de proteger el circuito de las inversiones de polaridad aguas abajo originadas por errores de cableado, interviene también durante las interrupciones esporádicas de la alimentación, que pueden ocurrir con duraciones de alrededor de un milisegundo, para salvaguardar la capacitancia de entrada de la placa contra la descarga, en configuraciones en las cuales se conectan otras cargas externas con la batería en paralelo con la placa.

En el caso de las inversiones de polaridad, la magnitud de la corriente de fuga en el diodo, que fluye desde la placa 20 hacia la batería en estas condiciones, es una función de la temperatura, pero sigue siendo del orden de unos pocos nanoamperios.

En el caso de interrupciones de la alimentación (agotamiento de la batería) en ausencia de protección, la integral en el tiempo de la corriente inversa representa la cantidad de carga eléctrica transferida por los condensadores de 25 entrada de la placa a las cargas externas. Esta cantidad es despreciable para un diodo, que es intrínsecamente un dispositivo unidireccional.

La configuración de la técnica anterior tiene dos desventajas cuando la corriente de entrada a la carga es alta, del orden de varios amperios. En primer lugar, la potencia generada, dada por el producto de la corriente continua y la tensión directa de polarización es bastante alta, de manera que conduce fácilmente a un sobrecalentamiento del diodo y del entorno en el cual está encerrada la placa madre. En segundo lugar, la caída de tensión a través de los terminales del diodo con polarización directa, que para un diodo de silicio a través del cual fluyen corrientes altas alcanza 1, 5 voltios, limita la máxima tensión admisible a través de los terminales de la batería para un funcionamiento correcto de la carga alimentada.

En aplicaciones de automoción, al arrancar, la tensión de la batería del vehículo pude caer a 6 voltios, y la caída de tensión adicional que se establece a través de los terminales del diodo en la etapa de entrada de la placa significa que hay presente una tensión más baja del orden de 4, 5 voltios en una posible etapa reguladora de tensión presente en la placa, dispuesta para proporcionar una tensión de salida regulada de 5 voltios, lo cual genera una señal de reposición del sistema. Para un regulador de tensión formado por medio de un convertidor de CC/CC, esto tendría que ser configurado como un elevador/divisor de tensión, aumentando con ello los costes y la complejidad del circuito.

Una solución alternativa conocida, aunque más costosa, consiste en el uso de un diodo Schottky que origina una 45 caída de tensión directa a través de los terminales no más grande que 0, 5 - 0, 6 voltios.

La magnitud de la corriente inversa de saturación del diodo, que fluiría desde la placa hacia la batería en condiciones de inversión de la polaridad, es una función de la tensión aplicada y de la temperatura, y puede variar desde valores inferiores a microamperios hasta decenas de miliamperios.

50 En aplicaciones telemáticas a bordo de vehículos motorizados, se alimenta típicamente una corriente de 3 - 3, 2 amperios y la disipación producida por el diodo Schottky de protección es por tanto del orden de 1, 6 vatios, que es un valor considerable tal como para requerir un montaje preciso del diodo y el uso de un disipador de calor.

55 Considerando un coeficiente razonable de resistencia térmica (unión-entorno) de 39ºC/W calculado con referencia a un diodo Schottky de dimensiones estándar, la temperatura máxima soportable por la unión, dada por la suma de la contribución debida a la temperatura ambiente y la contribución del efecto Joule, puede ser indicada como:

TMÁX = TA + 62ºC

60 Para una temperatura máxima de 150ºC, esto implica un límite operativo de la temperatura ambiente en la proximidad de la placa madre, de alrededor de 88ºC. Estos valores están cerca de los límites operativos típicos, ya que tal valor de la temperatura puede ser alcanzado fácilmente dependiendo de la capacidad de disipación de calor de la caja protectora de la placa. Es posible imaginar, por ejemplo, casos en los que la temperatura ambiente en el 65 compartimento del motor alcance y exceda de los 85ºC.

Ambas configuraciones descritas no hacen posible, por tanto conseguir un funcionamiento adecuado para los usos previstos en el campo del automóvil. El diodo de silicio reduce la corriente inversa al mínimo, pero cuando circulan por él corriente altas, presenta un calentamiento excesivo. El diodo Schottky ofrece un rendimiento mejorado desde el punto de vista térmico, pero permite el flujo de una corriente inversa de varios órdenes de magnitud mayor que el de un diodo típico tradicional.

El documento US 5.764.465 divulga una configuración de un circuito electrónico que tiene una protección contra la inversión de polaridad, por medio de un transistor de efecto campo MOS, conjuntamente con transistores bipolares, donde la protección contra la inversión de polaridad se efectúa por el camino drenaje-fuente del transistor MOSFET.

Sin embargo, la configuración no está optimizada en términos de la caída de tensión a través de dicho transistor MOSFET y de los tiempos de conmutación del mismo.

La presente invención tiene como objetivo proporcionar una solución de circuito que resuelva los problemas explicados anteriormente, en términos de eficiencia y funcionalidad, sin aumentar los costes de la misma.

En particular, se busca conseguir el objetivo de proporcionar un circuito de protección del tipo divulgado en el documento US 5.764.465, cuya funcionalidad no esté comprometida si se alimentan corrientes de valores más altos, del orden de 5 amperios, y para uso en entornos en los cuales puedan alcanzarse temperaturas iguales o mayores a 100ºC. Se busca también conseguir el objetivo de proporcionar un circuito que tenga una caída de tensión reducida para ser utilizable en los casos de caída de la tensión disponible desde la batería.

Las condiciones del tipo antes indicado ocurren, por ejemplo, en unidades de control de vehículos motorizados alimentadas por baterías convencionales de 12 voltios y encerradas dentro de una caja de plástico.

De acuerdo con la presente invención, estos objetos se consiguen por medio de un circuito de protección que tiene las características establecidas en la reivindicación 1.

En las reivindicaciones dependientes se definen modos de realización particulares de la invención.

En resumen, la presente invención está basada en el principio de proporcionar un circuito de protección sustituyendo el diodo por un transistor MOSFET de potencia, y en particular un transistor de canal-p, y un circuito asociado de activación para reducir la caída de tensión a través de sus terminales a valores del orden de 100 mW. La invención se caracteriza por la provisión de una resistencia desequilibradora en el circuito MOSFET de activación, cuyo valor se elige con vistas a equilibrar los requisitos de tiempos de conmutación rápidos del MOSFET y de baja caída de tensión a través de sus terminales cuando está en funcionamiento, así como reducir la disipación de calor del circuito de protección en su totalidad.

La elección del transistor MOSFET de canal-p es lo más conveniente para minimizar el número de componentes del circuito de activación, ya que en otro caso requeriría una tensión de puerta mayor que la tensión de la batería, con la 40 consiguiente necesidad de utilizar un circuito adicional elevador de tensión.

El MOSFET se controla para que conduzca cuando la tensión de entrada tiene la polaridad correcta y la corriente tiene la dirección correcta. Por otra parte, se desconecta en el caso... [Seguir leyendo]

1. Un circuito de protección para proteger un circuito eléctrico (L) contra la inversión de polaridad de la alimentación, que se puede hacer funcionar para permitir un flujo de corriente desde una fuente (B) de tensión de alimentación de 5 CC hacia un circuito (L) y para impedir el flujo en el sentido opuesto, que comprende un interruptor electrónico controlado (M1) destinado a estar interpuesto en una línea de alimentación entre un terminal de dicha fuente (B) que tiene una tensión positiva con respecto a un potencial de referencia y el circuito (L) , y que puede controlarse para que sea selectivamente conductor por medio de un circuito de activación asociado; en el cual dicho circuito de activación está dispuesto para detectar la polaridad de la tensión y el sentido de la corriente susceptible de ser 10 aplicada al circuito (L) y para emitir una señal de control que funciona de manera que activa dicho interruptor (M1) a un estado de conducción cuando el terminal acoplado a la línea de alimentación tiene realmente una tensión positiva y se alimenta corriente al circuito, y a un estado de desconexión en condiciones de inversión de la polaridad y/o cuando se extrae la corriente desde el circuito; comprendiendo además el circuito de activación una pareja de ramas dispuestas entre la línea de alimentación y un conductor del potencial de referencia, respectivamente aguas arriba y 15 aguas abajo de dicho interruptor (M1) , que incluye unos respectivos transistores bipolares (Q1, Q2) del tipo p-n-p, conectados conjuntamente a través de sus respectivas bases y que tienen sus emisores acoplados a la línea de alimentación y sus colectores acoplados al conductor de referencia, en el cual la rama aguas abajo está conectada a un terminal (G) de control de dicho interruptor (M1) ; caracterizado porque la rama del circuito aguas arriba del interruptor (M1) incluye una resistencia desequilibradora (RA) , dispuesta entre la línea de alimentación y el emisor del transistor bipolar asociado (Q1) .

2. Un circuito de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el interruptor electrónico controlado (M1) es un transistor MOS de efecto campo de canal-p cuyo terminal (D) de drenaje está destinado a acoplarse con la fuente (B) de la tensión de alimentación y cuyo terminal fuente (S) está destinado a acoplarse con el circuito (L) . 25

3. Un circuito de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los transistores bipolares (Q1, Q2) están formados en el mismo chip o dispuestos dentro de la misma caja de disipación de calor.

4. Un circuito de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque ambas ramas incluyen respectivas

resistencias de polarización (R1pol, R2pol) dispuestas entre el colector del transistor bipolar asociado (Q1, Q2) y el conductor de referencia.

5. Un circuito de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el valor de la resistencia desequilibradora (RA) es al menos dos órdenes de magnitud inferior a los valores de las resistencias de polarización (R1pol, R2pol) . 35

6. Un circuito de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el circuito de activación incluye al menos una resistencia de base (Rb1, Rb2) dispuesta entre las bases de los transistores bipolares (Q1, Q2) .

7. Un circuito de acuerdo con la reivindicación 6, en el cual el circuito de activación incluye dos resistencias de base (Rb1, Rb2) del mismo valor de resistencia.

8. Un circuito de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque incluye medios limitadores de tensión (DZ)

dispuestos entre el terminal (G) de control y el terminal fuente (S) del interruptor (M1) . 45

9. Un circuito de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque dichos medios limitadores de tensión comprenden un diodo Zener (DZ) .