集成單片式CM0S汽車電子調(diào)節(jié)器設(shè)計

引言

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

　　眾所周知，穩(wěn)定性差和壽命短是目前汽車電壓調(diào)節(jié)器的通病，調(diào)節(jié)器的不穩(wěn)定會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電壓的不穩(wěn)定，從而使整車用電設(shè)備的電源電壓存在很大的波動，這對整車電路的正常工作是不利的，同時也會降低用電沒備的壽命。調(diào)節(jié)器的壽命短不僅會帶來經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，對發(fā)電機(jī)輸出電壓的穩(wěn)定也是不利的。

　　將電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計成單片CMOS集成電路，從而減小了調(diào)節(jié)器的體積，使其可以和交流發(fā)電機(jī)制作在一起。這樣既提升了調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性，提高了整車供電質(zhì)量，有效延長了汽車電子設(shè)備的使用壽命，又適應(yīng)了當(dāng)前汽車交流發(fā)電機(jī)體積小而輸出功率大的發(fā)展趨勢。同時該設(shè)計還適應(yīng)了當(dāng)前調(diào)節(jié)器“高性能、多功能、大功率、長壽命”的追求目標(biāo)。

1 電路原理與結(jié)構(gòu)

　　汽車電子調(diào)節(jié)器的原理框圖如圖1所示。

　　當(dāng)汽車啟動加入輸入電壓后，基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓提供給內(nèi)部電路使用；誤差放大器接收輸出電壓信號；過流保護(hù)電路取樣功率管的輸出電流；熱保護(hù)電路檢查電路的溫度；誤差放大、過流安全區(qū)保護(hù)和過熱保護(hù)電路共同送入功率管，當(dāng)其中只要有一種異?，F(xiàn)象出現(xiàn)，調(diào)整管將關(guān)斷，起到調(diào)整電壓和保護(hù)作用。

2 電路設(shè)計

　　2．1 前端基準(zhǔn)源

　　該設(shè)計的芯片電路中的前端基準(zhǔn)電壓源是為了提供一個對電源電壓和溫度而言都很穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓給后續(xù)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(jī)輸出的電壓進(jìn)行比較來控制發(fā)電機(jī)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PTAT源，用它的正溫度系數(shù)去補(bǔ)償P-N結(jié)的負(fù)溫度系數(shù)，從而得到基本上不隨溫度變化的基準(zhǔn)電壓。

　　2．2 差分比較電路

　　差分比較級電路的功能是將來自前端基準(zhǔn)電壓源的基準(zhǔn)電壓和發(fā)電機(jī)的取樣電壓進(jìn)行比較。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓低于14 V時，勵磁電流調(diào)整管正常工作，流過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的勵磁電流迅速上升，發(fā)電機(jī)輸出電壓也迅速升高。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓達(dá)到14 V時，使差分輸出電壓足以驅(qū)動后續(xù)控制電路控制勵磁電流調(diào)整管柵極接地，將其柵極電流分走，降低了發(fā)電機(jī)動子繞組的勵磁電流，從而降低了發(fā)電機(jī)輸出電壓，達(dá)到電壓調(diào)節(jié)功能。其電路如圖3所示。

　　2．3 發(fā)電機(jī)輸出電壓取樣電路

　　汽車調(diào)節(jié)器的功能是調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓，將其控制在某一值附近。既然要控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓，就需要取樣發(fā)電機(jī)的輸出。電子調(diào)節(jié)器的電壓取樣方式有兩種，即取樣發(fā)電機(jī)的輸出電壓和取樣蓄電池的電壓。在分離器件調(diào)節(jié)器中大多采用雙取樣法，在本設(shè)計中前端基準(zhǔn)電壓源已提供了一個精確的比較電壓，所以取樣交流發(fā)電機(jī)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(jié)能電路，當(dāng)汽車停止工作時，這部分電路切斷調(diào)節(jié)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(hù)電路

　　功率器件處理的是高壓和大電流，高壓和大電流會引起器件溫度的升高，當(dāng)溫度高到一定程度時器件會因過熱而損壞，所以在含有功率器件的集成電路中要設(shè)計過熱保護(hù)電路對其進(jìn)行溫度保護(hù)。功率管的溫度保護(hù)電路如圖5所示。由于MOS器件的溫度特性較好，其參數(shù)(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管實現(xiàn)。電路中將Q5管的B，C極相連構(gòu)成一個P-N結(jié)，對功率管的溫度進(jìn)行檢測，當(dāng)功率管的溫度達(dá)到極限溫度(此處取150℃)時通過該 P-N結(jié)電壓控制NMOS管M15(此管也是作開關(guān)管使用)導(dǎo)通，分走功率管柵極的輸入電流，使流過功率管的電流降低，從而降低功率管的溫度，達(dá)到對功率管的過熱保護(hù)作用。

　　2．5 過流、過壓保護(hù)

　　調(diào)節(jié)器中功率管的過流、過壓保護(hù)電路如圖6所示。圖6中M17管為勵磁電流調(diào)整管(即大功率管)，電阻R9和M16組成過流保護(hù)電路，電阻R14穩(wěn)壓管 DZ2和M16管組成對功率管的過壓保護(hù)電路，其中M16和M14管一樣也是作開關(guān)管使用。

3 整體電路及仿真

　　3．1 電路整合

　　根據(jù)以上對該調(diào)節(jié)器芯片各部分的設(shè)計，將它們組合在一起就是要設(shè)計的調(diào)節(jié)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(biāo)是發(fā)電機(jī)輸出電壓，縱坐標(biāo)是勵磁調(diào)節(jié)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，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出端電壓未達(dá)到調(diào)節(jié)電壓時，調(diào)節(jié)器基極電位接近零電位，此時調(diào)整管截止。由圖8(b)可得，調(diào)節(jié)器在不同的工作溫度下，調(diào)節(jié)器仍能獲得良好的調(diào)節(jié)性能。

4 結(jié)語

　　提出一種單片式CMOS汽車電子調(diào)節(jié)器，該芯片主要是通過控制調(diào)整管的導(dǎo)通與截止來調(diào)整發(fā)電機(jī)勵磁線圈中電流的大小，進(jìn)而穩(wěn)定輸出端電壓。用該芯片構(gòu)成的汽車發(fā)電系統(tǒng)具有可靠性高，外圍元件數(shù)目少，成本低，使用方便等特點，對于打破國外對汽車電子核心技術(shù)的壟斷具有重要意義。