一种大功率汽车发电机电压调节器芯片设计

徐文培，张晓民，揣荣岩，

（1.沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳 110870；2.江苏奥尼克电气股份有限公司，徐州 221132）

1 引言

电压调节器控制着汽车交流发电机的工作状态，将其产生的电压稳定在一个固定值，为汽车电气系统提供高质量的电源。性能优越的电压调节器能有效增加汽车上各类用电设备的使用寿命。

汽车电压调节器的发展经历了触点式电压调节器、晶体管式电压调节器和集成电路电压调节器几个技术阶段[1]。目前，简单集成电路式电压调节器占据着市场的主流地位[2]。该类产品只集成了电路的部分核心功能，其余功能则要靠外部的分立元件电路来实现。汽车电压调节器因其功能上的属性常常需要在恶劣工作环境下运转，简单集成电路式电压调节器存在元件多、焊点多、工序复杂等缺点，在实际应用场合其成本与可靠性都远不如完全集成化的电压调节器。随着汽车上用电设备逐渐增多，集成电路在汽车电气系统中的应用比重也不断提高，对电气系统的电源稳定性提出了更高的要求。汽车电压调节器为实现更高的可靠性和精确度，其电路设计愈加复杂，然而发电机上预留给调节器的空间却不会增大，就也迫使汽车电压调节器向着更高程度的集成化方向发展。

2 电路工作原理

汽车发电机系统如图1 所示。其中D垣端接充电指示灯，F 端接励磁线圈，GND 为接地端。该电路工作原理是：把D垣端通过充电指示灯和开关与发电机电源输出端以及蓄电池正极相接（星型接法的发电机定子三个相位端通过三个激磁二极管连接到D垣端）；F 端与发电机转子（励磁线圈）相接。D垣端通过励磁线圈接到F 端，再通过调节器内部的大功率调整管到GND 形成励磁回路。

图1 汽车发电机系统

电压调节器的工作流程详述如下：

当开关闭合时，蓄电池电压通过充电指示灯加到调节器上，调节器内部大功率调整管导通，励磁回路导通，励磁线圈内有电流通过，灯亮，该电流称为预励磁电流，大小约为200～300 mA，此时发电机转速为零。励磁回路上电压则等于电瓶电压，相较于充电指示灯上的电阻，励磁线圈和功率管上的电阻很小，D垣端电压本应可以降到很低，但若D垣端电压降到电压调节器的最低工作电压以下，则会使调节器停止工作，励磁回路将会断开。因此D垣端电压被维持在最低工作电压，约2V 左右，此时充电指示灯（12 V/2 W 小灯泡）两端压降约为10.8 V（电瓶电压约为12.8V）。

启动发电机，缓慢增加发电机转速，由于预励磁电流的作用，发电机电压逐渐升高，此时励磁回路中的电流由电瓶提供，此过程称为他励发电。当发电机转速提升到一定值时，发电机相位端电压升高到能令激磁二极管导通，发电机便可向励磁回路中提供励磁电流。此时的励磁电流并不像预励磁电流一样保持不变，而是会随着发电机电压的增大而增大，电流的增大同样会促进发电机电压的提升速率，这样就构成了正反馈系统，令发电机电压迅速上升，D垣端电压也将上升到令充电指示灯熄灭[3]。在这一状态点上的转速通常被称为切入转速，此时发电系统进入自励发电状态。在此基础上再次提升发电机转速，发电机输出电压会上升到14.2～14.6 V，发电机正式建压发电，该点转速即称为发电机的建压转速。

当再次增加发电机转速或者负载后，由于调节器的作用，发电机电压将始终稳定在14.4V，此时调节器处于正常工作状态。

3 主要单元模块设计

集成汽车电压调节器的内部结构框图如图2 所示。该电路主要由工作电源、基准电压源电路、采样电路、比较放大电路、保护电路、大功率调整管、续流二极管等几个部分组成。通过比较放大电路对采样电路的采样电压与基准电压进行比较输出，以此控制大功率调整管的导通与截止状态，以调节励磁回路中电流的大小。

图2 芯片内部框图

3.1 启动电路

启动电路可以防止刚接通电源时电路模块出现零状态，当电路进入正常工作状态后，为了消除启动电路对电路工作状态的影响，便要让启动电路停止工作[4]。在所设计的调节器中，启动电路的电路设计如图3 所示。

图3 启动电路设计

图中，由于电容的作用，在电路通电瞬间A 点为低电位，M1、M2导通，Vout输出高电平。电源通过M1对电容进行充电，直到A 点达到高电位，令M2截止，启动电路停止工作。

3.2 基准电压源

电压调节器的调节精度由基准电压决定。一般汽车电压调节器要求的工作温度范围为-25～150℃，因此，与温度无关的基准电压源对汽车电压调节器至关重要。此处对基准电压源的电路设计如图4所示，其中，由Q1、Q2、R1产生与温度正相关的电流；宽长比相同的PMOS 管M1、M2、M3构成电流镜，将该电流拷贝到R2上，并在R2两端产生与温度正相关的电压降，Q3产生与温度负相关的电压，两个电压相加获得与温度无关的基准电压[5-6]。

图4 带隙基准电路设计

3.3 比较电路

如图5 所示为由R1、R2、R3、R4、Q1构成的取样电路。放大器对取样电压与基准电压进行比较，当电源电压低于14.4 V 时，放大器输出高电平，足以令调整管导通。当电源电压高于14.4 V 时，放大器输出低电平，调整管截止。通过不断比较控制励磁回路的通断，即可将电压稳定在14.4V。

图5 比较采样电路设计

3.4 保护电路

为避免应用过程中因复杂多变的工作环境或过流过热等状况导致汽车电压调节器损毁或受到永久性损伤，往往需要在芯片中设计专门的保护电路。常用的保护电路有：

①过流保护电路：该部分电路设计如图6 所示。当大功率调整管中电流过高或发生短路时，电流在采样电阻R1（约0.07Ω）上会形成压降，当电流大于8.5A 时，电阻上的压降令三极管Q1导通，调整管Q2的基极接地，调整管截止，以此起到保护调整管的作用。

图6 过流保护电路设计

②过热保护电路：汽车电压调节器工作环境温度很高，调节器在该环境中的自我保护能力尤为重要[7]。该部分的电路设计如图7 所示。该设计其于PN结的负温度特性，通过Q1产生与温度负相关的电压，将之和与温度无关的基准电压进行比较，然后输出。放大器正相输入端电压与温度负相关，温度较低时，Vin垣＞Vref，放大器输出高电平；当温度过高时，Vin垣＜Vref，放大器输出低电平。

图7 过热保护电路设计

3.5 调整管与续流二极管

汽车电压调节器的主要工作原理便是通过开关调整管来稳定电压，因此，调整管的好坏深刻影响着电压调节器的调节精度[8]。汽车电压调节器工作时，调整管需要承载很大的工作电流，在此将调整管设计为复合管形式，并在其中集成一个稳压管。当芯片过压时稳压管反向击穿，稳定电压，保护复合管不被损坏。

电压调节器工作时，调整管以大约100Hz 的频率不断开通/关断。当调整管关断时，励磁线圈内的电流会突变为零，并产生极高的自感电压。在此选用一个续流二极管与励磁线圈并联，以释放该电压，避免调整管被击穿损坏。

至此，通过设计调节器内部的各个模块，可通过控制调整管的通断来实现对电压的调控和对电路的保护，实现整体调节器电路的功能。

4 结 束 语

对一种用于汽车电压调节器的芯片进行了电路设计，在传统电压调节器的基础上增加了多种保护电路，并将控制部分和输出功率阶段集成在单个芯片上，大大降低了整体系统的成本，提高了可靠性，使其能适应各种工作环境。该电路通过Cadence 平台进行仿真设计，充分考虑现阶段电压调节器的主流需求，满足各项主要功能以及指标参数的同时，也留有改进设计的空间，可在本设计基础上根据实际需求进行修改或增加部分功能。