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[導(dǎo)讀]基于BicMOS工藝下研制一種單片式多功能集成電路汽車電子電壓調(diào)節(jié)器。采用具有溫度補(bǔ)償特性的基準(zhǔn)電壓源代替穩(wěn)壓二極管來提供交流發(fā)電機(jī)輸出取樣電壓。調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成單片CMOS集成方式,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,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。Spice仿真結(jié)果表明,該芯片完全達(dá)到所要求的技術(shù)指標(biāo)。

 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(jì)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(jì)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(jì)
2.1 前端基準(zhǔn)源

    該設(shè)計(jì)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(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(jì)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(jì)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(shí)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(yáng)-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(jì),將它們組合在一起就是要設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器整體電路,如圖7所示。


3.2 功能驗(yàn)證
    模擬驗(yàn)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(yàn)證波形,圖8(b)為全溫度下驗(yàn)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(diǎn),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。

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