一種大功率汽車發電機電壓調節器芯片設計

徐文培，張曉民，揣榮巖，

（1.沈陽工業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

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

汽車電壓調節器的發展經歷了觸點式電壓調節器、晶體管式電壓調節器和集成電路電壓調節器幾個技術階段[1]。目前，簡單集成電路式電壓調節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。汽車電壓調節器因其功能上的屬性常常需要在惡劣工作環境下運轉，簡單集成電路式電壓調節器存在元件多、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中的應用比重也不斷提高，對電氣系統的電源穩定性提出了更高的要求。汽車電壓調節器為實現更高的可靠性和精確度，其電路設計愈加復雜，然而發電機上預留給調節器的空間卻不會增大，就也迫使汽車電壓調節器向著更高程度的集成化方向發展。

2 電路工作原理

汽車發電機系統如圖1 所示。其中D垣端接充電指示燈，F 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電機電源輸出端以及蓄電池正極相接（星型接法的發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，再通過調節器內部的大功率調整管到GND 形成勵磁回路。

圖1 汽車發電機系統

電壓調節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器上，調節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器的最低工作電壓以下，則會使調節器停止工作，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）。

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

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

3 主要單元模塊設計

集成汽車電壓調節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，以調節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零狀態，當電路進入正常工作狀態后，為了消除啟動電路對電路工作狀態的影響，便要讓啟動電路停止工作[4]。在所設計的調節器中，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

電壓調節器的調節精度由基準電壓決定。一般汽車電壓調節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境或過流過熱等狀況導致汽車電壓調節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：汽車電壓調節器工作環境溫度很高，調節器在該環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 調整管與續流二極管

汽車電壓調節器的主要工作原理便是通過開關調整管來穩定電壓，因此，調整管的好壞深刻影響著電壓調節器的調節精度[8]。汽車電壓調節器工作時，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壓管。當芯片過壓時穩壓管反向擊穿，穩定電壓，保護復合管不被損壞。

電壓調節器工作時，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為零，并產生極高的自感電壓。在此選用一個續流二極管與勵磁線圈并聯，以釋放該電壓，避免調整管被擊穿損壞。

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

4 結 束 語

對一種用于汽車電壓調節器的芯片進行了電路設計，在傳統電壓調節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的成本，提高了可靠性，使其能適應各種工作環境。該電路通過Cadence 平臺進行仿真設計，充分考慮現階段電壓調節器的主流需求，滿足各項主要功能以及指標參數的同時，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。