汽車3相交流發(fā)電機(jī)電子調(diào)節(jié)器的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

暢博電子（上海）有限公司 吳 濤

引言

汽車3相交流發(fā)電機(jī)電子調(diào)節(jié)器。它是單片機(jī)MCU控制汽車發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子FIELD的電流的大小，以產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的直流的旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)，使發(fā)電機(jī)定子在一定的電磁場(chǎng)作用下被切割，發(fā)電機(jī)定子對(duì)外輸出三相交流大電流，再經(jīng)過(guò)橋式整流，已達(dá)到設(shè)定的充電直流電壓充電。如充電電壓過(guò)高，通過(guò)降低的控制FIELD電流的占空比時(shí)間，或關(guān)斷，來(lái)達(dá)到控制充電電壓的目的（過(guò)低，F(xiàn)IELD占空比全開(kāi)或加大）。為了讀者更好理解交流發(fā)電機(jī)的原理及電子電路學(xué)習(xí)及維護(hù)。故此介紹發(fā)電機(jī)電子調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

圖1 穩(wěn)壓電源電路截圖

1.單片機(jī)控制電子調(diào)節(jié)器硬件組成

1.1 單片機(jī)及穩(wěn)壓電源電路

穩(wěn)壓電源電路，如圖1所示，它是由MOSFET管,5V穩(wěn)壓IC,齊納二極管，電阻，電容等組成的模擬電路。雖然看似簡(jiǎn)單，但是對(duì)于可靠性，耐久性等要求較高的特殊車載器件就不容易拉。把電池的電壓或發(fā)電機(jī)發(fā)電的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?V電壓，供給單片機(jī)MCU使用。需要考慮極限情況等下，如拋負(fù)載時(shí)，它是否能正常使用；環(huán)境溫度過(guò)高，過(guò)低等對(duì)它的影響。5V穩(wěn)壓IC芯片采用諸如MIC5205芯片，它是一種有效的抗噪聲的輸出線性穩(wěn)壓器，具有非常低的壓差（通常輕負(fù)載時(shí)17mV,165 mV 輸出150mA）非常低的耗電電流（耗電600uA，100mA），超過(guò)1%的輸出電壓初始精度。正常額定輸入電壓范圍位：+2.5V—16V。非常的低的溫度系數(shù)，線性特性，負(fù)載特性，工作結(jié)溫溫度，-40℃-125℃。選型需要注意這幾個(gè)地方。根據(jù)負(fù)載的功率大小使用不同的封裝，或是否需要裝散熱器，這對(duì)PCB版圖設(shè)計(jì)使用的面積的大小產(chǎn)生制約。還要注意的輸入電壓的某個(gè)電壓區(qū)間諸如12V-18V，能輸出最大功率電流。C1,C2,電容起到去耦和旁路作用。CR8,CR9,起電壓分別保護(hù)單片機(jī)，MOSFET管器件作用。N型MOSFET管，在圖1中，主要起控制輸入電壓大小的作用。偏置電路開(kāi)啟MOSFET管，工作在可變電阻階段， VGS(th)電壓為2V（既VG電壓大于VS電壓2V），所以5V的IC芯片，輸入電壓與 B+端就有壓差，起到保護(hù)作用。B+的電壓正常工作電壓為12V-15V區(qū)間，所以要合理設(shè)計(jì)齊納二極管的保護(hù)電壓值。MOSFET管的選型特別注意，發(fā)電機(jī)整流橋是雪崩整流二極管，還是普通整流二極管，對(duì)MOSFET管的VDS電壓選擇有關(guān)系。如果是雪崩整流二極管，VDS可以選擇低點(diǎn)；如是普通整流二極管，對(duì)MOSFE VDS可以選擇高點(diǎn)。靜態(tài)工作漏電流也需要注意等。

1.2 電流電壓采樣電路及溫度采樣電路

電流電壓采樣電路，如B+電壓采樣電路，SENSE電壓采樣電路,FIELD最大電流采樣電路，燈電流采樣電路，CHOCK電流采樣電路等各種電路。采用精度高的貼片電阻，并且串聯(lián)電阻分壓采樣。采樣電阻阻值除了精度外,還必須注意阻值的大小。因?yàn)殡娮诱{(diào)節(jié)器的靜態(tài)漏電流與它有很大的關(guān)系。它即為蓄電池的不工作時(shí)的漏電流。國(guó)家調(diào)節(jié)器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不允許大于5mA，以分壓貼片電阻滿足分壓比值同時(shí)，也要滿足盡量小的漏電流。為了更好采樣，采樣下端電阻需要并聯(lián)一個(gè)幾u(yù)F電容，使單片機(jī)采集更加準(zhǔn)確。同時(shí)，采樣電阻同時(shí)又可以作為電容的泄放電荷電路的電阻。

溫度采樣電路使用單向二極管來(lái)采樣。多數(shù)人都只知道二極管有單向?qū)?反向截止的特性，所以都只是把二極管作為整流或者開(kāi)關(guān)來(lái)使用。其實(shí)二極管還有一個(gè)非常特殊的性能，就是它能夠很好的利用為溫度檢測(cè)器件，穩(wěn)定、可靠又取材方便而且非常便宜。可能好多人不知道它還可以這樣用。原理非常簡(jiǎn)單：就是二極管的PN結(jié)有負(fù)溫度特性，溫度每升高1攝氏度（℃），它的正向壓降就降低3mV左右。如果用5個(gè)1N4148二極管串接的話，那么就有15mV/℃度的變化。對(duì)于用LM358以及LM324或者LM339的運(yùn)放等比較起來(lái)說(shuō)，只要變化2mV就足夠使輸出翻轉(zhuǎn)了。如果單片具有相對(duì)應(yīng)的接口可以直接使用。具體使用時(shí)只要用一個(gè)電阻和二極管串接，電阻起到限流的作用，讓二極管的正向電流在0.5至3mA之間就可以了。從二極管兩端取出正向電壓給比較器輸入端。

1.3 燈，CHOCK電路及身份驗(yàn)證電子電路

燈在發(fā)電機(jī)系統(tǒng)里作用，除了報(bào)警指示外，還有控制啟動(dòng)控制電子調(diào)節(jié)器的作用。如帶TRO功能單功能調(diào)節(jié)器。由于指示燈用于大卡車，普通轎車，大巴車等各種功率的車上。對(duì)主回路電流大小，就有幾安培大小，和小一點(diǎn)的幾十，幾百毫安。對(duì)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)燈的回路，具體應(yīng)用在什么類型的車上。而CHOCK電路工作狀態(tài)，在發(fā)電機(jī)的電子調(diào)節(jié)器正常工作時(shí)，可以對(duì)外輸出一定功率的電壓電流。有故障報(bào)警時(shí)，就讓指示燈亮，停止輸出功率。燈電路和CHOCK電路是一對(duì)你方唱罷我登場(chǎng)的架勢(shì)。所以電路設(shè)計(jì)采用一對(duì)推挽N溝通的MOSFET管和P溝通的MOSFET管構(gòu)成。根據(jù)電流大小，可以選擇芯片IC，或N溝通的MOSFET管和P溝通的MOSFET管構(gòu)成。對(duì)它們需要采用限流保護(hù)，以免燒壞燈等器件。同時(shí)注意的LAMP跟CHOCK復(fù)用一個(gè)端子。大多數(shù)的電子調(diào)節(jié)器沒(méi)有CHOCK功能，就僅僅是燈的功能。

身份驗(yàn)證電子電路，是為了防止假冒電子調(diào)節(jié)器而設(shè)計(jì)的。僅僅用1個(gè)小功率開(kāi)關(guān)MOSFET，從LAMP端，接到一個(gè)電阻，到MOSFET的D極上，通過(guò)設(shè)置ID電流固定大小，在LAMP端上產(chǎn)生固定電壓，告訴車載整車控制器，是否是要求的正牌電子調(diào)節(jié)器。否則開(kāi)機(jī)不能正常工作發(fā)電。

1.4 功率三極管驅(qū)動(dòng)電路及功率主回路

任何電子調(diào)節(jié)器至少有FIELD端子，B-端子，B+（或TRIO）端子因?yàn)樗枰影l(fā)電機(jī)上的轉(zhuǎn)子負(fù)載。轉(zhuǎn)子的負(fù)載的大小控制FIELD的電流的大小，產(chǎn)生電磁場(chǎng)，使發(fā)電機(jī)定子發(fā)電。A電路對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子B+和FIELD端子，功率三極管，MOSFET管,或達(dá)林頓功率三極管控制功率電路高電位的開(kāi)關(guān)；B電路對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子B-和FIELD端子，功率管控制功率主回路的低電位的開(kāi)關(guān)。FIELD的額定電流為5A，或8A；FIELD電流大小與轉(zhuǎn)子的是多少歐姆，一般12V電子調(diào)節(jié)器，額定電流為5A時(shí)，轉(zhuǎn)子電阻為1.5歐姆到3.5歐姆間，也有特殊情況。對(duì)于24V調(diào)節(jié)器而言，額定電流5A，轉(zhuǎn)子電阻為1歐姆左右。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是具有電感特性，我們需要在FIELD端子，B-端子，或B+（或TRIO）端子，F(xiàn)IELD端子上并上1個(gè)肖特基單向二極管。以消除FIELD端的轉(zhuǎn)子在關(guān)閉功率三極管，在導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的電感磁能。選擇二極管特別注意：耐壓高，反相恢復(fù)時(shí)間要短，它的正相導(dǎo)通電流是否要合適。功率三極管選型，注意VDS的電壓根據(jù)發(fā)電機(jī)整流二極管的是否雪崩二極管來(lái)選，是否更大電壓的三極管。雪崩整流二極管的話，可以選用VDS耐壓80V，普通整流二極管，采用VDS耐壓100V以上。FIELD電流2倍的額定值來(lái)選擇功率三極管VDS的漏源極的最大通過(guò)電流額定值。它是以拋負(fù)載時(shí)的最大峰值電壓值，來(lái)使之作為保護(hù)功率三極管的依據(jù)。

2.結(jié)語(yǔ)

本論文研究的發(fā)電機(jī)電子調(diào)節(jié)器，主要針對(duì)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)進(jìn)行說(shuō)明，詳細(xì)介紹了相關(guān)的電子調(diào)節(jié)器主要硬件的器件構(gòu)成，和主要的技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)。并且該電路已通過(guò)相關(guān)的耐久實(shí)驗(yàn)，溫升實(shí)驗(yàn)，拋負(fù)載實(shí)驗(yàn)等和ALT198平臺(tái)功能測(cè)試，證明了該系統(tǒng)的可行性。硬件平臺(tái)的搭建采用8位的單片機(jī)控制，分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)論述，詳細(xì)說(shuō)明了各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果說(shuō)明該系統(tǒng)的性能可靠，功能強(qiáng)大，完全滿足發(fā)電機(jī)電子調(diào)節(jié)器的使用要求。