基于单片CMOS的汽车电子调节器设计

 引言
    在当前汽车电子化程度已成为国际上衡量汽车先进水平的重要标准的前提下，各国都竟相发展这一行业，不断应用高新技术，提高汽车电气化性能，以求获得更大的市场。正是在这样的环境下刺激和推动了汽车电子这一行业不断向前发展。
    众所周知，稳定性差和寿命短是目前汽车电压调节器的通病，调节器的不稳定会导致发电机输出电压的不稳定，从而使整车用电设备的电源电压存在很大的波动，这对整车电路的正常工作是不利的，同时也会降低用电没备的寿命。调节器的寿命短不仅会带来经济负担，对发电机输出电压的稳定也是不利的。
    将电压调节器设计成单片CMOS集成电路，从而减小了调节器的体积，使其可以和交流发电机制作在一起。这样既提升了调节器的稳定性，提高了整车供电质量，有效延长了汽车电子设备的使用寿命，又适应了当前汽车交流发电机体积小而输出功率大的发展趋势。同时该设计还适应了当前调节器“高性能、多功能、大功率、长寿命”的追求目标。

1 电路原理与结构
    汽车电子调节器的原理框图如图1所示。

    当汽车启动加入输入电压后，基准电压源产生基准电压提供给内部电路使用；误差放大器接收输出电压信号；过流保护电路取样功率管的输出电流；热保护电路检查电路的温度；误差放大、过流安全区保护和过热保护电路共同送入功率管，当其中只要有一种异常现象出现，调整管将关断，起到调整电压和保护作用。

2 电路设计
2．1 前端基准源
    该设计的芯片电路中的前端基准电压源是为了提供一个对电源电压和温度而言都很稳定的基准电压给后续的差分比较电路，再由差分比较电路将其与取样自发电机输出的电压进行比较来控制发电机的输出，其电路如图2所示。图2中M1，M2，M5组成镜像电流源，使流过三管的电流相等，均为I；M3，M4组成电压钳制电路，使A，B两点的电压保持一致。镜像电流源和电压钳制电路一起组成一个PTAT源，用它的正温度系数去补偿P-N结的负温度系数，从而得到基本上不随温度变化的基准电压。

2．2 差分比较电路
    差分比较级电路的功能是将来自前端基准电压源的基准电压和发电机的取样电压进行比较。当发电机输出电压低于14 V时，励磁电流调整管正常工作，流过发电机转子绕组的励磁电流迅速上升，发电机输出电压也迅速升高。当发电机输出电压达到14 V时，使差分输出电压足以驱动后续控制电路控制励磁电流调整管栅极接地，将其栅极电流分走，降低了发电机动子绕组的励磁电流，从而降低了发电机输出电压，达到电压调节功能。其电路如图3所示。

2．3 发电机输出电压取样电路
    汽车调节器的功能是调节发电机的输出电压，将其控制在某一值附近。既然要控制发电机的输出电压，就需要取样发电机的输出。电子调节器的电压取样方式有两种，即取样发电机的输出电压和取样蓄电池的电压。在分离器件调节器中大多采用双取样法，在本设计中前端基准电压源已提供了一个精确的比较电压，所以取样交流发电机输出电压即可。取样电路如图4所示。图4中电阻R5，R6和M13组成节能电路，当汽车停止工作时，这部分电路切断调节器电路与蓄电池的连接，避免了蓄电池电量的流失。

2．4 温度保护电路
    功率器件处理的是高压和大电流，高压和大电流会引起器件温度的升高，当温度高到一定程度时器件会因过热而损坏，所以在含有功率器件的集成电路中要设计过热保护电路对其进行温度保护。功率管的温度保护电路如图5所示。由于MOS器件的温度特性较好，其参数(主要是阈值电压)随温度的变化都很小，所以这部分电路采用PNP管实现。电路中将Q5管的B，C极相连构成一个P-N结，对功率管的温度进行检测，当功率管的温度达到极限温度(此处取150℃)时通过该P-N结电压控制NMOS管M15(此管也是作开关管使用)导通，分走功率管栅极的输入电流，使流过功率管的电流降低，从而降低功率管的温度，达到对功率管的过热保护作用。

2．5 过流、过压保护
    调节器中功率管的过流、过压保护电路如图6所示。图6中M17管为励磁电流调整管(即大功率管)，电阻R9和M16组成过流保护电路，电阻R14稳压管DZ2和M16管组成对功率管的过压保护电路，其中M16和M14管一样也是作开关管使用。

3 整体电路及仿真
3．1 电路整合
    根据以上对该调节器芯片各部分的设计，将它们组合在一起就是要设计的调节器整体电路，如图7所示。

3．2 功能验证
    模拟验证波形如图8所示，其中横坐标是发电机输出电压，纵坐标是励磁调节管基极电压的变化。图8(a)为固定温度下验证波形，图8(b)为全温度下验证波形。

    由图8可见，当发电机输出端电压未达到调节电压时，调节器基极电位接近零电位，此时调整管截止。由图8(b)可得，调节器在不同的工作温度下，调节器仍能获得良好的调节性能。

4 结语
    提出一种单片式CMOS汽车电子调节器，该芯片主要是通过控制调整管的导通与截止来调整发电机励磁线圈中电流的大小，进而稳定输出端电压。用该芯片构成的汽车发电系统具有可靠性高，外围元件数目少，成本低，使用方便等特点，对于打破国外对汽车电子核心技术的垄断具有重要意义。