汽车3相交流发电机电子调节器的硬件设计与实现

畅博电子（上海）有限公司 吴 涛

引言

汽车3相交流发电机电子调节器。它是单片机MCU控制汽车发电机的转子FIELD的电流的大小，以产生转子的直流的旋转电磁场，使发电机定子在一定的电磁场作用下被切割，发电机定子对外输出三相交流大电流，再经过桥式整流，已达到设定的充电直流电压充电。如充电电压过高，通过降低的控制FIELD电流的占空比时间，或关断，来达到控制充电电压的目的（过低，FIELD占空比全开或加大）。为了读者更好理解交流发电机的原理及电子电路学习及维护。故此介绍发电机电子调节器的设计及实现过程。

图1 稳压电源电路截图

1.单片机控制电子调节器硬件组成

1.1 单片机及稳压电源电路

稳压电源电路，如图1所示，它是由MOSFET管,5V稳压IC,齐纳二极管，电阻，电容等组成的模拟电路。虽然看似简单，但是对于可靠性，耐久性等要求较高的特殊车载器件就不容易拉。把电池的电压或发电机发电的电压转变为5V电压，供给单片机MCU使用。需要考虑极限情况等下，如抛负载时，它是否能正常使用；环境温度过高，过低等对它的影响。5V稳压IC芯片采用诸如MIC5205芯片，它是一种有效的抗噪声的输出线性稳压器，具有非常低的压差（通常轻负载时17mV,165 mV 输出150mA）非常低的耗电电流（耗电600uA，100mA），超过1%的输出电压初始精度。正常额定输入电压范围位：+2.5V—16V。非常的低的温度系数，线性特性，负载特性，工作结温温度，-40℃-125℃。选型需要注意这几个地方。根据负载的功率大小使用不同的封装，或是否需要装散热器，这对PCB版图设计使用的面积的大小产生制约。还要注意的输入电压的某个电压区间诸如12V-18V，能输出最大功率电流。C1,C2,电容起到去耦和旁路作用。CR8,CR9,起电压分别保护单片机，MOSFET管器件作用。N型MOSFET管，在图1中，主要起控制输入电压大小的作用。偏置电路开启MOSFET管，工作在可变电阻阶段， VGS(th)电压为2V（既VG电压大于VS电压2V），所以5V的IC芯片，输入电压与 B+端就有压差，起到保护作用。B+的电压正常工作电压为12V-15V区间，所以要合理设计齐纳二极管的保护电压值。MOSFET管的选型特别注意，发电机整流桥是雪崩整流二极管，还是普通整流二极管，对MOSFET管的VDS电压选择有关系。如果是雪崩整流二极管，VDS可以选择低点；如是普通整流二极管，对MOSFE VDS可以选择高点。静态工作漏电流也需要注意等。

1.2 电流电压采样电路及温度采样电路

电流电压采样电路，如B+电压采样电路，SENSE电压采样电路,FIELD最大电流采样电路，灯电流采样电路，CHOCK电流采样电路等各种电路。采用精度高的贴片电阻，并且串联电阻分压采样。采样电阻阻值除了精度外,还必须注意阻值的大小。因为电子调节器的静态漏电流与它有很大的关系。它即为蓄电池的不工作时的漏电流。国家调节器行业标准不允许大于5mA，以分压贴片电阻满足分压比值同时，也要满足尽量小的漏电流。为了更好采样，采样下端电阻需要并联一个几uF电容，使单片机采集更加准确。同时，采样电阻同时又可以作为电容的泄放电荷电路的电阻。

温度采样电路使用单向二极管来采样。多数人都只知道二极管有单向导通/反向截止的特性，所以都只是把二极管作为整流或者开关来使用。其实二极管还有一个非常特殊的性能，就是它能够很好的利用为温度检测器件，稳定、可靠又取材方便而且非常便宜。可能好多人不知道它还可以这样用。原理非常简单：就是二极管的PN结有负温度特性，温度每升高1摄氏度（℃），它的正向压降就降低3mV左右。如果用5个1N4148二极管串接的话，那么就有15mV/℃度的变化。对于用LM358以及LM324或者LM339的运放等比较起来说，只要变化2mV就足够使输出翻转了。如果单片具有相对应的接口可以直接使用。具体使用时只要用一个电阻和二极管串接，电阻起到限流的作用，让二极管的正向电流在0.5至3mA之间就可以了。从二极管两端取出正向电压给比较器输入端。

1.3 灯，CHOCK电路及身份验证电子电路

灯在发电机系统里作用，除了报警指示外，还有控制启动控制电子调节器的作用。如带TRO功能单功能调节器。由于指示灯用于大卡车，普通轿车，大巴车等各种功率的车上。对主回路电流大小，就有几安培大小，和小一点的几十，几百毫安。对单片机驱动灯的回路，具体应用在什么类型的车上。而CHOCK电路工作状态，在发电机的电子调节器正常工作时，可以对外输出一定功率的电压电流。有故障报警时，就让指示灯亮，停止输出功率。灯电路和CHOCK电路是一对你方唱罢我登场的架势。所以电路设计采用一对推挽N沟通的MOSFET管和P沟通的MOSFET管构成。根据电流大小，可以选择芯片IC，或N沟通的MOSFET管和P沟通的MOSFET管构成。对它们需要采用限流保护，以免烧坏灯等器件。同时注意的LAMP跟CHOCK复用一个端子。大多数的电子调节器没有CHOCK功能，就仅仅是灯的功能。

身份验证电子电路，是为了防止假冒电子调节器而设计的。仅仅用1个小功率开关MOSFET，从LAMP端，接到一个电阻，到MOSFET的D极上，通过设置ID电流固定大小，在LAMP端上产生固定电压，告诉车载整车控制器，是否是要求的正牌电子调节器。否则开机不能正常工作发电。

1.4 功率三极管驱动电路及功率主回路

任何电子调节器至少有FIELD端子，B-端子，B+（或TRIO）端子因为它需要接发电机上的转子负载。转子的负载的大小控制FIELD的电流的大小，产生电磁场，使发电机定子发电。A电路对应发电机转子B+和FIELD端子，功率三极管，MOSFET管,或达林顿功率三极管控制功率电路高电位的开关；B电路对应发电机转子B-和FIELD端子，功率管控制功率主回路的低电位的开关。FIELD的额定电流为5A，或8A；FIELD电流大小与转子的是多少欧姆，一般12V电子调节器，额定电流为5A时，转子电阻为1.5欧姆到3.5欧姆间，也有特殊情况。对于24V调节器而言，额定电流5A，转子电阻为1欧姆左右。由于发电机转子是具有电感特性，我们需要在FIELD端子，B-端子，或B+（或TRIO）端子，FIELD端子上并上1个肖特基单向二极管。以消除FIELD端的转子在关闭功率三极管，在导通时产生的电感磁能。选择二极管特别注意：耐压高，反相恢复时间要短，它的正相导通电流是否要合适。功率三极管选型，注意VDS的电压根据发电机整流二极管的是否雪崩二极管来选，是否更大电压的三极管。雪崩整流二极管的话，可以选用VDS耐压80V，普通整流二极管，采用VDS耐压100V以上。FIELD电流2倍的额定值来选择功率三极管VDS的漏源极的最大通过电流额定值。它是以抛负载时的最大峰值电压值，来使之作为保护功率三极管的依据。

2.结语

本论文研究的发电机电子调节器，主要针对系统的硬件平台进行说明，详细介绍了相关的电子调节器主要硬件的器件构成，和主要的技术及经验。并且该电路已通过相关的耐久实验，温升实验，抛负载实验等和ALT198平台功能测试，证明了该系统的可行性。硬件平台的搭建采用8位的单片机控制，分别对各个模块进行了设计论述，详细说明了各个模块的设计方案。通过实验的结果说明该系统的性能可靠，功能强大，完全满足发电机电子调节器的使用要求。