一種單片式CMOS汽車電子調節器

摘 要: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節器。采用具有溫度補償特性的基準電壓源代替穩壓二極管來提供交流發電機輸出取樣電壓。調節器設計成單片CMOS集成方式，減小了調節器的體積，使其可以和交流發電機制作在一起，提升了調節器的穩定性，提高了整車供電質量，有效延長了汽車電子設備的使用壽命。Spice仿真結果表明，該芯片完全達到所要求的技術指標。

關鍵詞: BiCMOS工藝; 電壓調節; 溫度補償; 基準電壓源

中圖分類號:TM714 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)09-0164-03

Single-chip Automotive CMOS Regulator

WANG Ji-shi， NING Jiang-hua， DING Zhao

(College of Science， Guizhou University， Guiyang 550025， China)

Abstract: Single-chip multi-function automotive IC voltage regulator is designedbased on BiCMOS technology. It uses a temperature compensated reference voltage regulator to replace the alternator output diodes to provide the sample voltage. The regulator is designed into single-chip CMOS integrated approach， which reduces the volume so that it can be produced together with alternators， enhances stability of the regulator and improves quality of the vehicle power supply， effectively extends the life of automotive electronics. Spice simulation results show that the chip fully meet the required specification.

Key words: BiCMOS technology; voltage regulation; temperature compensation; reference voltage source

0 引 言

在當前汽車電子化程度已成為國際上衡量汽車先進水平的重要標準的前提下，各國都競相發展這一行業，不斷應用高新技術，提高汽車電氣化性能，以求獲得更大的市場。正是在這樣的環境下刺激和推動了汽車電子這一行業不斷向前發展[1]。

眾所周知，穩定性差和壽命短是目前汽車電壓調節器的通病，調節器的不穩定會導致發電機輸出電壓的不穩定，從而使整車用電設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，同時也會降低用電設備的壽命。調節器的壽命短不僅會帶來經濟負擔，對發電機輸出電壓的穩定也是不利的。

將電壓調節器設計成單片CMOS集成電路，從而減小了調節器的體積，使其可以和交流發電機制作在一起。這樣既提升了調節器的穩定性，提高了整車供電質量，有效延長了汽車電子設備的使用壽命，又適應了當前汽車交流發電機體積小而輸出功率大的發展趨勢。同時該設計還適應了當前調節器“高性能、多功能、大功率、長壽命”的追求目標。

1 電路原理與結構

汽車電子調節器的原理框圖如圖1所示。

圖1 調節器工作原理框圖

當汽車啟動加入輸入電壓后，基準電壓源產生基準電壓提供給內部電路使用;誤差放大器接收輸出電壓信號;過流保護電路取樣功率管的輸出電流;熱保護電路檢查電路的溫度;誤差放大、過流安全區保護和過熱保護電路共同送入功率管，當其中只要有一種異常現象出現，調整管將關斷，起到調整電壓和保護作用。

2 電路設計

2.1 前端基準源

該設計的芯片電路中的前端基準電壓源是為了提供一個對電源電壓和溫度而言都很穩定的基準電壓給后續的差分比較電路，再由差分比較電路將其與取樣自發電機輸出的電壓進行比較來控制發電機的輸出，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[2-3]，用它的正溫度系數去補償P-N結的負溫度系數，從而得到基本上不隨溫度變化的基準電壓。

圖2 基準源電路

2.2 差分比較電路[4]

差分比較級電路的功能是將來自前端基準電壓源的基準電壓和發電機的取樣電壓進行比較。當發電機輸出電壓低于14 V時，勵磁電流調整管正常工作，流過發電機轉子繞組的勵磁電流迅速上升，發電機輸出電壓也迅速升高。當發電機輸出電壓達到14 V時，使差分輸出電壓足以驅動后續控制電路控制勵磁電流調整管柵極接地，將其柵極電流分走，降低了發電機動子繞組的勵磁電流，從而降低了發電機輸出電壓，達到電壓調節功能。其電路如圖3所示。

圖3 差分比較電路

2.3 發電機輸出電壓取樣電路[5-6]

汽車調節器的功能是調節發電機的輸出電壓，將其控制在某一值附近。既然要控制發電機的輸出電壓，就需要取樣發電機的輸出。電子調節器的電壓取樣方式有兩種，即取樣發電機的輸出電壓和取樣蓄電池的電壓。在分離器件調節器中大多采用雙取樣法，在本設計中前端基準電壓源已提供了一個精確的比較電壓，所以取樣交流發電機輸出電壓即可。取樣電路如圖4所示。圖4中電阻R5，R6和M13組成節能電路，當汽車停止工作時，這部分電路切斷調節器電路與蓄電池的連接，避免了蓄電池電量的流失。

圖4 發電機輸出電壓取樣電路

2.4 溫度保護電路

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計過熱保護電路對其進行溫度保護。功率管的溫度保護電路如圖5所示。由于MOS器件的溫度特性較好，其參數(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[7-8]。電路中將Q5管的B，C極相連構成一個P-N結，對功率管的溫度進行檢測，當功率管的溫度達到極限溫度(此處取150 ℃)時通過該P-N結電壓控制NMOS管M15(此管也是作開關管使用)導通，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，達到對功率管的過熱保護作用。

圖5 功率管的過熱保護電路

2.5 過流、過壓保護

調節器中功率管的過流、過壓保護電路如圖6所示。圖6中M17管為勵磁電流調整管(即大功率管)，電阻R9和M16組成過流保護電路，電阻R14、穩壓管DZ2和M16管組成對功率管的過壓保護電路，其中M16和M14管一樣也是作開關管使用。

圖6 過流、過壓保護電路

3 整體電路及仿真

3.1 電路整合

根據以上對該調節器芯片各部分的設計，將它們組合在一起就是要設計的調節器整體電路，如圖7所示。

3.2 功能驗證

模擬驗證波形如圖8所示，其中橫坐標是發電機輸出電壓，縱坐標是勵磁調節管基極電壓的變化。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。

圖7 CMOS汽車電子調節器整體芯片電路

圖8 整體電路功能模擬波形

由圖8可見，當發電機輸出端電壓未達到調節電壓時，調節器基極電位接近零電位，此時調整管截止。由圖8(b)可得，調節器在不同的工作溫度下，調節器仍能獲得良好的調節性能。

4 結 語

提出一種單片式CMOS汽車電子調節器，該芯片

主要是通過控制調整管的導通與截止來調整發電機勵磁線圈中電流的大小，進而穩定輸出端電壓。用該芯片構成的汽車發電系統具有可靠性高，外圍元件數目少，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的壟斷具有重要意義。

參考文獻

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