汽車3相交流發電機電子調節器的硬件設計與實現

暢博電子（上海）有限公司 吳 濤

引言

汽車3相交流發電機電子調節器。它是單片機MCU控制汽車發電機的轉子FIELD的電流的大小，以產生轉子的直流的旋轉電磁場，使發電機定子在一定的電磁場作用下被切割，發電機定子對外輸出三相交流大電流，再經過橋式整流，已達到設定的充電直流電壓充電。如充電電壓過高，通過降低的控制FIELD電流的占空比時間，或關斷，來達到控制充電電壓的目的（過低，FIELD占空比全開或加大）。為了讀者更好理解交流發電機的原理及電子電路學習及維護。故此介紹發電機電子調節器的設計及實現過程。

圖1 穩壓電源電路截圖

1.單片機控制電子調節器硬件組成

1.1 單片機及穩壓電源電路

穩壓電源電路，如圖1所示，它是由MOSFET管,5V穩壓IC,齊納二極管，電阻，電容等組成的模擬電路。雖然看似簡單，但是對于可靠性，耐久性等要求較高的特殊車載器件就不容易拉。把電池的電壓或發電機發電的電壓轉變為5V電壓，供給單片機MCU使用。需要考慮極限情況等下，如拋負載時，它是否能正常使用；環境溫度過高，過低等對它的影響。5V穩壓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壓器，具有非常低的壓差（通常輕負載時17mV,165 mV 輸出150mA）非常低的耗電電流（耗電600uA，100mA），超過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，線性特性，負載特性，工作結溫溫度，-40℃-125℃。選型需要注意這幾個地方。根據負載的功率大小使用不同的封裝，或是否需要裝散熱器，這對PCB版圖設計使用的面積的大小產生制約。還要注意的輸入電壓的某個電壓區間諸如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,起電壓分別保護單片機，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，起到保護作用。B+的電壓正常工作電壓為12V-15V區間，所以要合理設計齊納二極管的保護電壓值。MOSFET管的選型特別注意，發電機整流橋是雪崩整流二極管，還是普通整流二極管，對MOSFET管的VDS電壓選擇有關系。如果是雪崩整流二極管，VDS可以選擇低點；如是普通整流二極管，對MOSFE VDS可以選擇高點。靜態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。因為電子調節器的靜態漏電流與它有很大的關系。它即為蓄電池的不工作時的漏電流。國家調節器行業標準不允許大于5mA，以分壓貼片電阻滿足分壓比值同時，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一個幾uF電容，使單片機采集更加準確。同時，采樣電阻同時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采樣。多數人都只知道二極管有單向導通/反向截止的特性，所以都只是把二極管作為整流或者開關來使用。其實二極管還有一個非常特殊的性能，就是它能夠很好的利用為溫度檢測器件，穩定、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。原理非常簡單：就是二極管的PN結有負溫度特性，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1N4148二極管串接的話，那么就有15mV/℃度的變化。對于用LM358以及LM324或者LM339的運放等比較起來說，只要變化2mV就足夠使輸出翻轉了。如果單片具有相對應的接口可以直接使用。具體使用時只要用一個電阻和二極管串接，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電路及身份驗證電子電路

燈在發電機系統里作用，除了報警指示外，還有控制啟動控制電子調節器的作用。如帶TRO功能單功能調節器。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。對主回路電流大小，就有幾安培大小，和小一點的幾十，幾百毫安。對單片機驅動燈的回路，具體應用在什么類型的車上。而CHOCK電路工作狀態，在發電機的電子調節器正常工作時，可以對外輸出一定功率的電壓電流。有故障報警時，就讓指示燈亮，停止輸出功率。燈電路和CHOCK電路是一對你方唱罷我登場的架勢。所以電路設計采用一對推挽N溝通的MOSFET管和P溝通的MOSFET管構成。根據電流大小，可以選擇芯片IC，或N溝通的MOSFET管和P溝通的MOSFET管構成。對它們需要采用限流保護，以免燒壞燈等器件。同時注意的LAMP跟CHOCK復用一個端子。大多數的電子調節器沒有CHOCK功能，就僅僅是燈的功能。

身份驗證電子電路，是為了防止假冒電子調節器而設計的。僅僅用1個小功率開關MOSFET，從LAMP端，接到一個電阻，到MOSFET的D極上，通過設置ID電流固定大小，在LAMP端上產生固定電壓，告訴車載整車控制器，是否是要求的正牌電子調節器。否則開機不能正常工作發電。

1.4 功率三極管驅動電路及功率主回路

任何電子調節器至少有FIELD端子，B-端子，B+（或TRIO）端子因為它需要接發電機上的轉子負載。轉子的負載的大小控制FIELD的電流的大小，產生電磁場，使發電機定子發電。A電路對應發電機轉子B+和FIELD端子，功率三極管，MOSFET管,或達林頓功率三極管控制功率電路高電位的開關；B電路對應發電機轉子B-和FIELD端子，功率管控制功率主回路的低電位的開關。FIELD的額定電流為5A，或8A；FIELD電流大小與轉子的是多少歐姆，一般12V電子調節器，額定電流為5A時，轉子電阻為1.5歐姆到3.5歐姆間，也有特殊情況。對于24V調節器而言，額定電流5A，轉子電阻為1歐姆左右。由于發電機轉子是具有電感特性，我們需要在FIELD端子，B-端子，或B+（或TRIO）端子，FIELD端子上并上1個肖特基單向二極管。以消除FIELD端的轉子在關閉功率三極管，在導通時產生的電感磁能。選擇二極管特別注意：耐壓高，反相恢復時間要短，它的正相導通電流是否要合適。功率三極管選型，注意VDS的電壓根據發電機整流二極管的是否雪崩二極管來選，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倍的額定值來選擇功率三極管VDS的漏源極的最大通過電流額定值。它是以拋負載時的最大峰值電壓值，來使之作為保護功率三極管的依據。

2.結語

本論文研究的發電機電子調節器，主要針對系統的硬件平臺進行說明，詳細介紹了相關的電子調節器主要硬件的器件構成，和主要的技術及經驗。并且該電路已通過相關的耐久實驗，溫升實驗，拋負載實驗等和ALT198平臺功能測試，證明了該系統的可行性。硬件平臺的搭建采用8位的單片機控制，分別對各個模塊進行了設計論述，詳細說明了各個模塊的設計方案。通過實驗的結果說明該系統的性能可靠，功能強大，完全滿足發電機電子調節器的使用要求。