車用LIN控制交流發(fā)電機穩(wěn)壓器TC80310

摘要：TC80310是飛思卡爾半導(dǎo)體公司推出的一款汽車專用單片式交流發(fā)電機穩(wěn)壓器集成電路(IC)。與其以往穩(wěn)壓器產(chǎn)品相比，保留了負載響應(yīng)控制(LRC)功能，特別地集成了本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(LIN)。使汽車引擎控制單元(ECU可以通過LIN調(diào)節(jié)勵磁電流和LRC速率等參數(shù)，控制發(fā)電機的輸出電壓。獨特的自啟動工作模式可以使電機作為啟動發(fā)電一體機，并應(yīng)用在汽車啟停系統(tǒng)上。

在汽車使用過程中，經(jīng)常由于外界因素和內(nèi)部參數(shù)變化的影響而導(dǎo)致汽車速度不穩(wěn)定，影響汽車的運行質(zhì)量，嚴重時還會產(chǎn)生不良后果。為此應(yīng)在汽車供電線路中安裝交流發(fā)電機穩(wěn)壓器，以改善和消除上述現(xiàn)象。TC80310是一款單片式交流發(fā)電機穩(wěn)壓器集成電路(IC)。能與本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(LIN)集成，為汽車交流發(fā)電機提供增強型控制功能。交流發(fā)電機制造商可以利用IC可編程這一特性控制電池調(diào)節(jié)電壓，以便在汽車的整個生命周期優(yōu)化整體性能和電池使用壽命。獨特的自啟動工作模式可以使電機作為啟動發(fā)電一體機，應(yīng)用在汽車啟停系統(tǒng)上。

1 芯片介紹

80310引腳功能及外圍電路如圖1所示。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。80310由B+A引腳提供電壓。這個電壓也是控制電路的反饋電壓。VP1和VP2是分別來自于PH1和PH2相信號。兩信號壓差為相電壓，當相電壓大于0.45V時為有效。當VP1>8V且VP2<1V時產(chǎn)生內(nèi)部脈沖信號P1_AND_P2(CLK Phase)，可反應(yīng)當前相頻率。IC通過MOSFET的高側(cè)提供電流給交流發(fā)電機的勵磁線圈。芯片內(nèi)部提供一續(xù)流二極管，保持汽車的電池電壓在設(shè)定值，并且輸出電流(高達8.0A)給電力設(shè)備。ADC用于電壓、電流、熱反饋中的模數(shù)轉(zhuǎn)換。POR(Power On Reset)模塊的目的是給主邏輯產(chǎn)生一個電啟動信號。能隙模塊為其他模塊提供電壓電流。IC可以通過OTP(One Time Programmable)編程(出廠時一次性寫入)，以適應(yīng)多種發(fā)電機和設(shè)備。

80310有一個工業(yè)級LIN協(xié)議接口(1.3版)。這使ECU可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的目標電壓(10.6～16V)、LRC斜坡時間、LRC禁止頻率和勵磁限流。 ECU也能通過LIN讀取Die溫度、勵磁電流、EXC占空比(DF)、產(chǎn)品信息和多種錯誤信息。一旦實現(xiàn)了LRC禁用頻率，充電系統(tǒng)將提供更加快速的響應(yīng)。當發(fā)動機處于低轉(zhuǎn)速時，突發(fā)的電氣負載需求增加會導(dǎo)致突發(fā)扭矩負載，LRC消除了由此而導(dǎo)致的發(fā)動機速率震蕩和振動。

2 工作模式

2.1 LIN模式

在等待狀態(tài)時，在未檢測到有效的相電壓的前提下，Master可以通過LIN發(fā)送控制信號喚醒80310可以進入LIN模式(從機地址為#39或#2B)。工作狀態(tài)如圖3所示。

當80310診斷Master的命令有效(發(fā)電機目標電壓不等于10.6 V且無錯誤信號)時，進入預(yù)勵磁狀態(tài)。此時，若B+A的電壓低于目標電壓，預(yù)勵磁為占空比13.5%的PWM，否則占空比為4.1%。預(yù)勵磁的目的是增強發(fā)電機的磁化，以保證發(fā)動機啟動時發(fā)電機轉(zhuǎn)子最小相電壓。當相速度達到800RPM時，進入LRC控制。

在LRC控制下，80310控制勵磁的占空比逐漸增大，調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出電壓至設(shè)定電壓。此時相頻率和輸出電壓隨著勵磁的增加而增加。當相頻率達到2400RPM，并且輸出電壓達到目標電壓，則進入無LRC調(diào)節(jié)控制。這時，80310控制勵磁的占空比不變，輸出電壓穩(wěn)定。如果相頻率低于2400RPM，80310重新回到LRC模式。如果相頻率低于500RPM，則退出LRC控制，進入預(yù)勵磁模式。

在LRC和無LRC控制周期中，如果上一個周期內(nèi)相電壓低于8 V，則進入重復(fù)調(diào)節(jié)模式，直到高相電壓出現(xiàn)。此時勵磁占空比為100%。在第8個周期結(jié)束時，如果還沒出現(xiàn)高相電壓，則返回上一狀態(tài)。

若總線上超過3 s無LIN控制信號，則自動進入自啟動的工作模式。

LIN模式的標準工作狀態(tài)下，相電壓、勵磁和電池電壓的示意圖如圖4所示。

2.2 自啟動模式

在等待狀態(tài)時，先檢測到有效的相電壓而非LIN信號，則80310被喚醒進入自啟動模式。在喚醒后100 ms內(nèi)，若檢測相頻率大于3 000 rpm，80310提供占空比為100%的勵磁。否則返回等待狀態(tài)，等待下一次被喚醒。若100%的勵磁使電機在100 ms內(nèi)啟動，則進入預(yù)勵磁狀態(tài)，之后的工作狀態(tài)與LIN模式相同，目標電壓默認為13.8 V。如果電機未能啟動，則返回等待狀態(tài)，等待被喚醒。

這一模式中芯片提供了100%的勵磁，使電機可以自啟動。通過改變電機控制電路的電流方向，就可以使電機在發(fā)電機和電動機直接切換。這樣電機就可以作為啟動發(fā)電一體機。處在自啟動模式時，一旦檢測到有效地LIN控制信號，就進入LIN模式。3 s內(nèi)無LIN控制信號則再次按照自啟動模式的工作方式。

對于輕型轎車，自啟動模式基本可以滿足汽車正常啟動和行駛中對電機的要求。但當能量回饋時，電機工作在發(fā)電模式，并需要一個更大的轉(zhuǎn)矩來回收能量，這時LIN模式能快速的幫助能量的回收。

2.3 其他工作模式

當電池輸出電壓為10.6～16 V時，80310工作在正常模式(LIN模式和自啟動模式)。大于16 V時，80310給予最小PWM占空比(4.1%)的勵磁。并在電壓大于16.5 V時過壓錯誤檢測。大于21 V卸載保護，關(guān)閉勵磁。小于10.6 V時，給予最大勵磁。低于5.0 V，邏輯復(fù)位。

3 典型應(yīng)用

80310適用于6相無刷直流電機。按照應(yīng)用電路搭建實驗環(huán)境，分別測試LIN模式和自啟動模式。圖5為LIN模式下，目標電壓設(shè)為14.7 V，系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)即無LRC調(diào)節(jié)時的波形。此時，B+A的電壓約等于目標電壓14.7 V，勵磁占空比穩(wěn)定在44.4%。

4 結(jié)束語

TC80310通過與ECU之間的單線LIN連接，使電機的可控性提高、電池電壓穩(wěn)定、系統(tǒng)更加安全。