基于國產MCU 的汽車發電機調節器設計

王勤偉

（江蘇云意電氣股份有限公司，江蘇徐州，221000）

0 引言

電壓調節器是穩定發電機工作電壓的重要部件[1]。與早期的機械式調節器相比，電子電壓調節器具有體積更小，調節更精確，性能更可靠的優點，在幾乎所有的汽車發電機中得到了應用，基本取代了機械式調節器。電子調節器通過采樣交流發電機的輸出電壓，經過其內部邏輯電路的判斷來控制發電機轉子的電流，從而調節轉子磁場強度控制發電機的輸出。調節器最初只有基本的電壓調節功能，后來出現的普通多功能調節器除了基本調壓功能外，還增加了自我保護功能和豐富的警示功能，如缺相警示，低電壓警示，過電壓警示等。這使駕駛者和維修人員能夠更及時地發現發電機的異常狀態，更好地滿足車輛的保養和安全需求。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，不斷提高高新技術，提高汽車電氣化性能，以求獲得更大的市場[2]。隨著智能網絡在車輛上的廣泛應用，通信類調節器應運而生。通信類調節器在保持原有普通多功能調節器自控功能的同時，還可以由車載ECU 來控制。ECU 根據實際工況適時地接通和關斷發電機磁場回路，調整發電電壓，既能可靠地保證電器系統正常工作，使電瓶充電充足，又能減輕發動機負荷，提高燃料利用率，節能減排。目前通信類調節器大多采用國外專用單芯片來實現，如意法半導體（ST）的L9910 芯片，價格昂貴。雖然國外芯片有著高性能，但國外芯片在市場供應和安全性上存在著一定的不確定性[3]，因此將國產芯片應用到發電機電壓控制系統中迫在眉睫。

1 系統設計

本文圍繞國產芯旺微單片機KF8A100FNG，設計了一種通信類（BSS 協議）調節器的外圍線路。本系統采用的MCU 為國產KF8A100FNG 單片機，QFN20 封裝，符合汽車級標準。KF8A100FNG 芯片內部集成了CCP、PWM、ADC 等多種外設，可以滿足系統需求。根據調節器的應用需求，本系統共有B+端，F 端，P 端，GND 端，BSS 端5 個端子。系統應用框圖如圖1 所示。

圖1 調節器系統應用框圖

依據調節器的性能需求，采用模塊化的設計，整個系統包含電源轉換線路，通信線路，電壓控制線路、溫度采集線路，相信號采集線路，功率管驅動線路，電流采樣線路等外圍線路。

■1.1 電源轉換線路

本系統調節器的B+端默認電壓在14.3V 左右，通信時可根據BSS 通信信號在10.7～16V 之間進行電壓調節。KF8A100FNG 芯片的典型工作電壓為5V，因此需要進行電壓轉換。

系統采用ES5205 作為穩壓芯片來進行14V 到5V 的轉換。電源轉換線路如圖2 所示。發電機B+端電壓在拋負載時會產生20～35V 的高壓脈沖，為此在ES5205 的Vin 端加電阻R3 和穩壓管ZD2 進行保護。發電機工作環境溫度為-40℃～105℃。ES5205 的額定操作電壓為-2.5～16V。穩壓管通常具有正溫度系數，選擇的15V 穩壓管溫度系數約8mV/℃，高溫時穩壓值不超過16V，可以滿足穩壓芯片實際電壓應用需求。電容C3 和C4 用于降低穩壓芯片輸出噪聲，使輸出更加穩定。電阻R4 和電容C5 構成低通濾波器，進一步穩定輸出。同時電阻R4 和電容C5 也構成復位電路，用于單片機上電復位。電容C5 盡量靠近單片機VDD 端。

圖2 電源轉換線路

■1.2 通信線路

車輛ECU 與調節器通過BSS 端進行通信。BSS 為單線接口，可以通過同一根信號線完成ECU 數據的發送和接收。

通信線路如圖3 所示。BSS 端增加電容C6 用來對輸入的ECU 信號進行濾波。BSS 通信信號通過電阻R8 和R9進行分壓以滿足單片機IO 口的電壓輸入條件。單片機通過P0.4 引腳接收ECU 發送的BSS 通信信號。穩壓管ZD3 可在ECU 信號存在異常高壓時進行穩壓保護，以免單片機的IO口受到損害。電容C7 用來對輸入信號進一步濾波。單片機P3.4引腳通過控制三極管Q2 通斷產生相應信號對ECU 進行反饋。該引腳輸出的高電平信號為5V，輸出信號經過電阻R5 和R6 分壓后再驅動三極管Q2。電阻R7 起限流保護作用，用于防止在BSS端異常短接至B+端時燒毀三極管Q2。

圖3 通信線路

■1.3 調壓控制線路

調節器的B+端實時采樣發電機的輸出電壓值。當發電機輸出電壓達到調節器的設定電壓值時，調節器通過控制與發電機轉子線圈連接的功率管的通斷來控制發電機輸出電壓穩定在設定值附近。調壓控制線路如圖4 所示。調節器B+端的電壓經電阻R1 和R2 分壓后輸入單片機ADC 端口，需要注意分壓值要小于5V。同時因B+端連接電瓶，需要控制R1 和R2 的電阻值大小，防止此處漏電流過大。穩壓管ZD1 用于防止發電機在拋負載時產生的高壓脈沖損壞單片機的IO 口。電容C11 用于濾除雜波。

圖4 調壓控制線路

■1.4 溫度采集線路

本系統具有過溫保護功能。利用二極管的負溫度系數特性，溫度采集電路將不同溫度下的二極管壓降值送入單片機的ADC 口處理。當采集到的溫度值超過設定值時，調節器會關斷勵磁回路，防止功率管繼續發熱導致溫度進一步上升。當溫度低于設定值時，調節器恢復正常工作。溫度采集線路如圖5 所示。采用復合二極管D3 的目的是使其受溫度影響的壓降值更加明顯。電阻R20 采用高阻值（100k），這樣可以降低流過復合二極管D3 的電流值對其壓降的影響，使最終采樣值更加精確。

圖5 溫度采集線路

■1.5 相信號采集線路

相信號采集線路用于采集發電機的相端信號來測量發電機的轉速。發電機靜止不轉時，當調節器有BSS 通信信號輸入時，調節器會處于軟起動狀態。發電機轉動時，當相信號電壓和頻率達到一定值時，調節器退出軟起動狀態，開始正常的調壓工作。

本調節器還具有自啟動功能。當沒有BSS 信號輸入時，調節器可以通過采集發電機剩磁信號來進行自啟動發電。由于發電機的剩磁通常較小，需要對發電機相端輸入電壓信號進行放大。線路圖如圖6 所示。電阻R21 與電容C13 構成低通濾波器，電容C12 與電阻、R23、R24 構成高通濾波器，用于濾除發電機相信號的雜波，防止后級電路誤判斷。穩壓管ZD4 用于防止輸入電壓高于單片機IO 口的最高輸入電壓。電阻R23 和R24 用于分壓，進一步降低輸入信號電壓。根據“虛短”和“虛斷”原則，運放增益系數由（R25+R26）/R25 得出。根據發電機剩磁信號大小，適當調整R26 和R25 的比值，可以調整電壓放大倍數。電阻R27 和C14 構成低通濾波器將放大后的信號進一步濾波后送入單片機ADC 口（P1.3）處理。

圖6 相信號采集線路

■1.6 功率管驅動線路

調節器通過控制功率管的通斷來控制發電機轉子中的電流大小。本系統中的功率管采用高邊驅動方式。主控芯片輸出引腳產生的控制信號無法直接驅動MOS 管[4]，需要對功率管的柵極電壓進行抬升。本系統中通過單片機P3.5 引腳控制三極管Q3 的通斷，再通過電阻R12、電容C8、復合二極管D1 和電容C9 完成功率管Q1 柵極電壓的穩定抬升。單片機P2.0 引腳用來產生PWM 信號，通過三極管Q4 和Q5 的兩級翻轉，完成P2.0 引腳信號和F 端輸出信號的同相輸出。功率管Q1 為汽車級MOS 管，耐壓100V。二極管D2 用作續流二極管用，用于調節器功率管Q1 關斷時轉子線圈續流用。線路圖如圖7 所示。

圖7 功率管驅動線路

■1.7 電流采樣線路

本系統具有過流保護功能。當發電機轉子中的電流值超過設定值時，單片機將控制功率管Q1 關斷以保護其不被燒壞。由于KF8A100FNG無法直接進行電流采樣，但單片機自身具有ADC 功能，可以通過采樣電阻Rs 將電流信號轉換為電壓信號后再送單片機處理。本系統使用的TSC1021AY 是一款高邊電流感應放大器，為汽車級芯片。TSC1021 測量一個小的差分高邊分流電阻器上的電壓，將其轉換為地面參考輸出電壓。采集后的電壓信號送入單片機ADC 口和中斷口處理。線路圖如圖8 所示。

圖8 電流采樣線路

2 測試數據對比分析

為驗證整套系統設計的可行性，以及采集數據的穩定性，準確性。使用朗迪發電機測試臺，對本系統進行測量驗證，主要相關數據如表1 所示。測試結果在預定范圍內。

表1 測試數據

3 結語

本文提出了一種基于國產KF8A100FNG 車規單片機的發電機調節器方案。依據調節器的性能需求，通過模塊化的設計，完成了包含電源轉換線路，通信線路，電壓控制線路、溫度采集線路，相信號采集線路，功率管驅動線路，電流采樣線路等外圍線路設計。經驗證測試，結果符合預期。該調節器線路方案總成本低，具有很強的工程實用性，可為發電機調節器后續的相關開發和改進提供一定的參考。