集成單片式CM0S汽車(chē)電子調節器設計

引言

　　在當前汽車(chē)電子化程度已成為國際上衡量汽車(chē)先進(jìn)水平的重要標準的前提下，各國都竟相發(fā)展這一行業(yè)，不斷應用高新技術(shù)，提高汽車(chē)電氣化性能，以求獲得更大的市場(chǎng)。正是在這樣的環(huán)境下刺激和推動(dòng)了汽車(chē)電子這一行業(yè)不斷向前發(fā)展。

　　眾所周知，穩定性差和壽命短是目前汽車(chē)電壓調節器的通病，調節器的不穩定會(huì )導致發(fā)電機輸出電壓的不穩定，從而使整車(chē)用電設備的電源電壓存在很大的波動(dòng)，這對整車(chē)電路的正常工作是不利的，同時(shí)也會(huì )降低用電沒(méi)備的壽命。調節器的壽命短不僅會(huì )帶來(lái)經(jīng)濟負擔，對發(fā)電機輸出電壓的穩定也是不利的。

　　將電壓調節器設計成單片CMOS集成電路，從而減小了調節器的體積，使其可以和交流發(fā)電機制作在一起。這樣既提升了調節器的穩定性，提高了整車(chē)供電質(zhì)量，有效延長(cháng)了汽車(chē)電子設備的使用壽命，又適應了當前汽車(chē)交流發(fā)電機體積小而輸出功率大的發(fā)展趨勢。同時(shí)該設計還適應了當前調節器“高性能、多功能、大功率、長(cháng)壽命”的追求目標。

1 電路原理與結構

　　汽車(chē)電子調節器的原理框圖如圖1所示。

　　當汽車(chē)啟動(dòng)加入輸入電壓后，基準電壓源產(chǎn)生基準電壓提供給內部電路使用；誤差放大器接收輸出電壓信號；過(guò)流保護電路取樣功率管的輸出電流；熱保護電路檢查電路的溫度；誤差放大、過(guò)流安全區保護和過(guò)熱保護電路共同送入功率管，當其中只要有一種異?，F象出現，調整管將關(guān)斷，起到調整電壓和保護作用。

2 電路設計

　　2．1 前端基準源

　　該設計的芯片電路中的前端基準電壓源是為了提供一個(gè)對電源電壓和溫度而言都很穩定的基準電壓給后續的差分比較電路，再由差分比較電路將其與取樣自發(fā)電機輸出的電壓進(jìn)行比較來(lái)控制發(fā)電機的輸出，其電路如圖2所示。圖2中M1，M2，M5組成鏡像電流源，使流過(guò)三管的電流相等，均為I；M3，M4組成電壓鉗制電路，使A，B兩點(diǎn)的電壓保持一致。鏡像電流源和電壓鉗制電路一起組成一個(gè)PTAT源，用它的正溫度系數去補償P-N結的負溫度系數，從而得到基本上不隨溫度變化的基準電壓。

　　2．2 差分比較電路

　　差分比較級電路的功能是將來(lái)自前端基準電壓源的基準電壓和發(fā)電機的取樣電壓進(jìn)行比較。當發(fā)電機輸出電壓低于14 V時(shí)，勵磁電流調整管正常工作，流過(guò)發(fā)電機轉子繞組的勵磁電流迅速上升，發(fā)電機輸出電壓也迅速升高。當發(fā)電機輸出電壓達到14 V時(shí)，使差分輸出電壓足以驅動(dòng)后續控制電路控制勵磁電流調整管柵極接地，將其柵極電流分走，降低了發(fā)電機動(dòng)子繞組的勵磁電流，從而降低了發(fā)電機輸出電壓，達到電壓調節功能。其電路如圖3所示。

　　2．3 發(fā)電機輸出電壓取樣電路

　　汽車(chē)調節器的功能是調節發(fā)電機的輸出電壓，將其控制在某一值附近。既然要控制發(fā)電機的輸出電壓，就需要取樣發(fā)電機的輸出。電子調節器的電壓取樣方式有兩種，即取樣發(fā)電機的輸出電壓和取樣蓄電池的電壓。在分離器件調節器中大多采用雙取樣法，在本設計中前端基準電壓源已提供了一個(gè)精確的比較電壓，所以取樣交流發(fā)電機輸出電壓即可。取樣電路如圖4所示。圖4中電阻R5，R6和M13組成節能電路，當汽車(chē)停止工作時(shí)，這部分電路切斷調節器電路與蓄電池的連接，避免了蓄電池電量的流失。

2．4 溫度保護電路

　　功率器件處理的是高壓和大電流，高壓和大電流會(huì )引起器件溫度的升高，當溫度高到一定程度時(shí)器件會(huì )因過(guò)熱而損壞，所以在含有功率器件的集成電路中要設計過(guò)熱保護電路對其進(jìn)行溫度保護。功率管的溫度保護電路如圖5所示。由于MOS器件的溫度特性較好，其參數(主要是閾值電壓)隨溫度的變化都很小，所以這部分電路采用PNP管實(shí)現。電路中將Q5管的B，C極相連構成一個(gè)P-N結，對功率管的溫度進(jìn)行檢測，當功率管的溫度達到極限溫度(此處取150℃)時(shí)通過(guò)該 P-N結電壓控制NMOS管M15(此管也是作開(kāi)關(guān)管使用)導通，分走功率管柵極的輸入電流，使流過(guò)功率管的電流降低，從而降低功率管的溫度，達到對功率管的過(guò)熱保護作用。

　　2．5 過(guò)流、過(guò)壓保護

　　調節器中功率管的過(guò)流、過(guò)壓保護電路如圖6所示。圖6中M17管為勵磁電流調整管(即大功率管)，電阻R9和M16組成過(guò)流保護電路，電阻R14穩壓管 DZ2和M16管組成對功率管的過(guò)壓保護電路，其中M16和M14管一樣也是作開(kāi)關(guān)管使用。

3 整體電路及仿真

　　3．1 電路整合

　　根據以上對該調節器芯片各部分的設計，將它們組合在一起就是要設計的調節器整體電路，如圖7所示。

　　3．2 功能驗證

　　模擬驗證波形如圖8所示，其中橫坐標是發(fā)電機輸出電壓，縱坐標是勵磁調節管基極電壓的變化。圖8(a)為固定溫度下驗證波形，圖8(b)為全溫度下驗證波形。

　　由圖8可見(jiàn)，當發(fā)電機輸出端電壓未達到調節電壓時(shí)，調節器基極電位接近零電位，此時(shí)調整管截止。由圖8(b)可得，調節器在不同的工作溫度下，調節器仍能獲得良好的調節性能。

4 結語(yǔ)

　　提出一種單片式CMOS汽車(chē)電子調節器，該芯片主要是通過(guò)控制調整管的導通與截止來(lái)調整發(fā)電機勵磁線(xiàn)圈中電流的大小，進(jìn)而穩定輸出端電壓。用該芯片構成的汽車(chē)發(fā)電系統具有可靠性高，外圍元件數目少，成本低，使用方便等特點(diǎn)，對于打破國外對汽車(chē)電子核心技術(shù)的壟斷具有重要意義。