一種大功率汽車發(fā)電機電壓調節(jié)器芯片設計

徐文培，張曉民，揣榮巖，

（1.沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院，沈陽 110870；2.江蘇奧尼克電氣股份有限公司，徐州 221132）

1 引言

電壓調節(jié)器控制著汽車交流發(fā)電機的工作狀態(tài)，將其產生的電壓穩(wěn)定在一個固定值，為汽車電氣系統(tǒng)提供高質量的電源。性能優(yōu)越的電壓調節(jié)器能有效增加汽車上各類用電設備的使用壽命。

汽車電壓調節(jié)器的發(fā)展經歷了觸點式電壓調節(jié)器、晶體管式電壓調節(jié)器和集成電路電壓調節(jié)器幾個技術階段[1]。目前，簡單集成電路式電壓調節(jié)器占據著市場的主流地位[2]。該類產品只集成了電路的部分核心功能，其余功能則要靠外部的分立元件電路來實現(xiàn)。汽車電壓調節(jié)器因其功能上的屬性常常需要在惡劣工作環(huán)境下運轉，簡單集成電路式電壓調節(jié)器存在元件多、焊點多、工序復雜等缺點，在實際應用場合其成本與可靠性都遠不如完全集成化的電壓調節(jié)器。隨著汽車上用電設備逐漸增多，集成電路在汽車電氣系統(tǒng)中的應用比重也不斷提高，對電氣系統(tǒng)的電源穩(wěn)定性提出了更高的要求。汽車電壓調節(jié)器為實現(xiàn)更高的可靠性和精確度，其電路設計愈加復雜，然而發(fā)電機上預留給調節(jié)器的空間卻不會增大，就也迫使汽車電壓調節(jié)器向著更高程度的集成化方向發(fā)展。

2 電路工作原理

汽車發(fā)電機系統(tǒng)如圖1 所示。其中D垣端接充電指示燈，F(xiàn) 端接勵磁線圈，GND 為接地端。該電路工作原理是：把D垣端通過充電指示燈和開關與發(fā)電機電源輸出端以及蓄電池正極相接（星型接法的發(fā)電機定子三個相位端通過三個激磁二極管連接到D垣端）；F 端與發(fā)電機轉子（勵磁線圈）相接。D垣端通過勵磁線圈接到F 端，再通過調節(jié)器內部的大功率調整管到GND 形成勵磁回路。

圖1 汽車發(fā)電機系統(tǒng)

電壓調節(jié)器的工作流程詳述如下：

當開關閉合時，蓄電池電壓通過充電指示燈加到調節(jié)器上，調節(jié)器內部大功率調整管導通，勵磁回路導通，勵磁線圈內有電流通過，燈亮，該電流稱為預勵磁電流，大小約為200～300 mA，此時發(fā)電機轉速為零。勵磁回路上電壓則等于電瓶電壓，相較于充電指示燈上的電阻，勵磁線圈和功率管上的電阻很小，D垣端電壓本應可以降到很低，但若D垣端電壓降到電壓調節(jié)器的最低工作電壓以下，則會使調節(jié)器停止工作，勵磁回路將會斷開。因此D垣端電壓被維持在最低工作電壓，約2V 左右，此時充電指示燈（12 V/2 W 小燈泡）兩端壓降約為10.8 V（電瓶電壓約為12.8V）。

啟動發(fā)電機，緩慢增加發(fā)電機轉速，由于預勵磁電流的作用，發(fā)電機電壓逐漸升高，此時勵磁回路中的電流由電瓶提供，此過程稱為他勵發(fā)電。當發(fā)電機轉速提升到一定值時，發(fā)電機相位端電壓升高到能令激磁二極管導通，發(fā)電機便可向勵磁回路中提供勵磁電流。此時的勵磁電流并不像預勵磁電流一樣保持不變，而是會隨著發(fā)電機電壓的增大而增大，電流的增大同樣會促進發(fā)電機電壓的提升速率，這樣就構成了正反饋系統(tǒng)，令發(fā)電機電壓迅速上升，D垣端電壓也將上升到令充電指示燈熄滅[3]。在這一狀態(tài)點上的轉速通常被稱為切入轉速，此時發(fā)電系統(tǒng)進入自勵發(fā)電狀態(tài)。在此基礎上再次提升發(fā)電機轉速，發(fā)電機輸出電壓會上升到14.2～14.6 V，發(fā)電機正式建壓發(fā)電，該點轉速即稱為發(fā)電機的建壓轉速。

當再次增加發(fā)電機轉速或者負載后，由于調節(jié)器的作用，發(fā)電機電壓將始終穩(wěn)定在14.4V，此時調節(jié)器處于正常工作狀態(tài)。

3 主要單元模塊設計

集成汽車電壓調節(jié)器的內部結構框圖如圖2 所示。該電路主要由工作電源、基準電壓源電路、采樣電路、比較放大電路、保護電路、大功率調整管、續(xù)流二極管等幾個部分組成。通過比較放大電路對采樣電路的采樣電壓與基準電壓進行比較輸出，以此控制大功率調整管的導通與截止狀態(tài)，以調節(jié)勵磁回路中電流的大小。

圖2 芯片內部框圖

3.1 啟動電路

啟動電路可以防止剛接通電源時電路模塊出現(xiàn)零狀態(tài)，當電路進入正常工作狀態(tài)后，為了消除啟動電路對電路工作狀態(tài)的影響，便要讓啟動電路停止工作[4]。在所設計的調節(jié)器中，啟動電路的電路設計如圖3 所示。

圖3 啟動電路設計

圖中，由于電容的作用，在電路通電瞬間A 點為低電位，M1、M2導通，Vout輸出高電平。電源通過M1對電容進行充電，直到A 點達到高電位，令M2截止，啟動電路停止工作。

3.2 基準電壓源

電壓調節(jié)器的調節(jié)精度由基準電壓決定。一般汽車電壓調節(jié)器要求的工作溫度范圍為-25～150℃，因此，與溫度無關的基準電壓源對汽車電壓調節(jié)器至關重要。此處對基準電壓源的電路設計如圖4所示，其中，由Q1、Q2、R1產生與溫度正相關的電流；寬長比相同的PMOS 管M1、M2、M3構成電流鏡，將該電流拷貝到R2上，并在R2兩端產生與溫度正相關的電壓降，Q3產生與溫度負相關的電壓，兩個電壓相加獲得與溫度無關的基準電壓[5-6]。

圖4 帶隙基準電路設計

3.3 比較電路

如圖5 所示為由R1、R2、R3、R4、Q1構成的取樣電路。放大器對取樣電壓與基準電壓進行比較，當電源電壓低于14.4 V 時，放大器輸出高電平，足以令調整管導通。當電源電壓高于14.4 V 時，放大器輸出低電平，調整管截止。通過不斷比較控制勵磁回路的通斷，即可將電壓穩(wěn)定在14.4V。

圖5 比較采樣電路設計

3.4 保護電路

為避免應用過程中因復雜多變的工作環(huán)境或過流過熱等狀況導致汽車電壓調節(jié)器損毀或受到永久性損傷，往往需要在芯片中設計專門的保護電路。常用的保護電路有：

①過流保護電路：該部分電路設計如圖6 所示。當大功率調整管中電流過高或發(fā)生短路時，電流在采樣電阻R1（約0.07Ω）上會形成壓降，當電流大于8.5A 時，電阻上的壓降令三極管Q1導通，調整管Q2的基極接地，調整管截止，以此起到保護調整管的作用。

圖6 過流保護電路設計

②過熱保護電路：汽車電壓調節(jié)器工作環(huán)境溫度很高，調節(jié)器在該環(huán)境中的自我保護能力尤為重要[7]。該部分的電路設計如圖7 所示。該設計其于PN結的負溫度特性，通過Q1產生與溫度負相關的電壓，將之和與溫度無關的基準電壓進行比較，然后輸出。放大器正相輸入端電壓與溫度負相關，溫度較低時，Vin垣＞Vref，放大器輸出高電平；當溫度過高時，Vin垣＜Vref，放大器輸出低電平。

圖7 過熱保護電路設計

3.5 調整管與續(xù)流二極管

汽車電壓調節(jié)器的主要工作原理便是通過開關調整管來穩(wěn)定電壓，因此，調整管的好壞深刻影響著電壓調節(jié)器的調節(jié)精度[8]。汽車電壓調節(jié)器工作時，調整管需要承載很大的工作電流，在此將調整管設計為復合管形式，并在其中集成一個穩(wěn)壓管。當芯片過壓時穩(wěn)壓管反向擊穿，穩(wěn)定電壓，保護復合管不被損壞。

電壓調節(jié)器工作時，調整管以大約100Hz 的頻率不斷開通/關斷。當調整管關斷時，勵磁線圈內的電流會突變?yōu)榱?，并產生極高的自感電壓。在此選用一個續(xù)流二極管與勵磁線圈并聯(lián)，以釋放該電壓，避免調整管被擊穿損壞。

至此，通過設計調節(jié)器內部的各個模塊，可通過控制調整管的通斷來實現(xiàn)對電壓的調控和對電路的保護，實現(xiàn)整體調節(jié)器電路的功能。

4 結 束 語

對一種用于汽車電壓調節(jié)器的芯片進行了電路設計，在傳統(tǒng)電壓調節(jié)器的基礎上增加了多種保護電路，并將控制部分和輸出功率階段集成在單個芯片上，大大降低了整體系統(tǒng)的成本，提高了可靠性，使其能適應各種工作環(huán)境。該電路通過Cadence 平臺進行仿真設計，充分考慮現(xiàn)階段電壓調節(jié)器的主流需求，滿足各項主要功能以及指標參數(shù)的同時，也留有改進設計的空間，可在本設計基礎上根據實際需求進行修改或增加部分功能。