胡云峰

（錦州東佑精工有限公司，遼寧 錦州 121007）

隨著汽車被越來越多地使用，人們對(duì)汽車內(nèi)在功能的要求越來越電氣化、智能化。隨著汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，對(duì)汽車發(fā)電機(jī)的輸出多功能要求也在不斷提高。調(diào)節(jié)器是車用發(fā)電機(jī)的重要核心部件，也是整體汽車工程中的電氣化、智能化功能實(shí)現(xiàn)的力量來源之一。發(fā)電機(jī)用調(diào)節(jié)器的安全問題是整體汽車驗(yàn)收是否合格的重要前提之一，調(diào)節(jié)器出現(xiàn)功能失效模式不但影響汽車的整體性能，而且直接影響到顧客的使用感受和人身安全。針對(duì)汽車發(fā)電機(jī)用調(diào)節(jié)器失效模式進(jìn)行分析，并執(zhí)行有效的控制措施，是控制汽車電控系統(tǒng)安全輸出的重要環(huán)節(jié)。

1 汽車發(fā)電機(jī)用調(diào)節(jié)器的基本結(jié)構(gòu)

汽車發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要由定子、轉(zhuǎn)子、調(diào)節(jié)器、整流橋等部件組成。轉(zhuǎn)子的功用是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，定子的功用是產(chǎn)生交流電，整流橋的功用是交流電轉(zhuǎn)化為直流電，調(diào)節(jié)器的功用是調(diào)節(jié)發(fā)電電壓在額定輸出值。

調(diào)節(jié)器在汽車用發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中是一個(gè)非常關(guān)鍵的設(shè)備，它是該系統(tǒng)中唯一為發(fā)電機(jī)提供額定輸出電壓的系統(tǒng)。要想做好調(diào)節(jié)器失效模式分析和控制措施工作，就要了解調(diào)節(jié)器的基本結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、工作原理。目前很多汽車用發(fā)電機(jī)都已采用多功能電壓調(diào)節(jié)器，其基本結(jié)構(gòu)是：采用多功能芯片為核心，散熱片起到為芯片散熱作用，碳刷作為連接轉(zhuǎn)子的電路連接通道，碳刷架承載各部件并和整流橋連接，防塵蓋對(duì)尾部端子、芯片進(jìn)行覆蓋防塵和避免外力磕碰的作用，彈簧對(duì)碳刷自動(dòng)伸出提供有力保證。

2 汽車發(fā)電機(jī)用調(diào)節(jié)器在發(fā)電機(jī)內(nèi)工作原理

電壓調(diào)節(jié)器的主要功能是用來穩(wěn)定發(fā)電機(jī)輸出額定電壓，因?yàn)檐囉冒l(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，而且發(fā)動(dòng)機(jī)和交流發(fā)電機(jī)速度比是1.7︰3，所以造成轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化很大，導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定，因此產(chǎn)生失效模式影響其正常工作。電壓調(diào)節(jié)器就是在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，自動(dòng)控制交流發(fā)電機(jī)輸出電壓的穩(wěn)定，把發(fā)電機(jī)輸出的電壓控制在一定范圍內(nèi)，保持相對(duì)的恒定狀態(tài)。調(diào)節(jié)器工作過程原理如下。

1）汽車鑰匙門接通，調(diào)節(jié)器L端檢測(cè)到電壓超過0.9V，芯片內(nèi)部線路開通F端 （碳刷）通過電流，發(fā)電機(jī)激磁線圈通過電流 （此時(shí)為蓄電池供電），發(fā)電機(jī)初始發(fā)電。電路原理見圖1。

2）隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增高，調(diào)節(jié)器B+端電壓高于蓄電池電壓，此時(shí)發(fā)電機(jī)整流橋給激磁線圈提供電流。電路原理見圖2。

圖1 發(fā)電機(jī)他激磁狀態(tài)電路原理圖

圖2 發(fā)電機(jī)自激磁狀態(tài)電路原理圖

3 調(diào)節(jié)器常見失效模式分析和控制措施

3.1 調(diào)節(jié)器不能輸出電壓的失效模式分析

汽車發(fā)電機(jī)用調(diào)節(jié)器出現(xiàn)不能輸出電壓的現(xiàn)象，應(yīng)該有以下幾種原因：一是調(diào)節(jié)器內(nèi)部芯片PCB電路板上MOS管或二極管、三極管等部件失效，導(dǎo)致芯片失去正常調(diào)節(jié)電壓的功能。二是芯片內(nèi)部線路短路或斷路，使調(diào)節(jié)電壓無法正常輸出。三是碳刷、導(dǎo)電片等部件問題，如導(dǎo)電片長(zhǎng)時(shí)間未得到保養(yǎng)而氧化、臟化，碳刷折斷、損壞或卡住等，也會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)器不能正常輸出額定電壓。其中以芯片內(nèi)部性能失效為例進(jìn)行分析。

對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行性能測(cè)試如圖3所示。

圖3 調(diào)節(jié)器性能測(cè)試

3.1.1 測(cè)試項(xiàng)目

1項(xiàng)，待機(jī)電流；2～10項(xiàng)，芯片功能代碼；11項(xiàng)，默認(rèn)狀態(tài)自啟動(dòng)轉(zhuǎn)速；12～31項(xiàng)，LIN功能參數(shù)；32～33項(xiàng)，內(nèi)部開關(guān)管性能；34～37項(xiàng)，相關(guān)接觸項(xiàng)。

3.1.2 測(cè)試結(jié)果

1）LIN功能代碼顯示失效，無作用。

2）調(diào)節(jié)器LIN功能異常，調(diào)節(jié)器功能失效。

3.1.3 失效分析

如圖4所示，在PCB基板線路上存在C2（焊盤），此處正常為空點(diǎn)，不焊接。PCB基板由于焊錫導(dǎo)致C2焊盤兩處虛接短路，也就是LIN端和E端短路，LIN端子搭鐵導(dǎo)致LIN功能失效。

圖4 失效分析

圖4碳刷架芯片PCB上的中央芯片失效，原因?yàn)檎{(diào)節(jié)器散熱片和芯片基板粘貼硅膠層產(chǎn)生大量氣泡，增加了芯片和PCB基板的中間硅膠層厚度，致使芯片傳導(dǎo)溫度距離和時(shí)間增加，影響中央芯片的散熱效果，在中央芯片工作時(shí)由于長(zhǎng)時(shí)間高溫得不到及時(shí)散發(fā)，碳刷架內(nèi)部腔體持續(xù)高溫，造成芯片內(nèi)部集成電路斷路，整體調(diào)節(jié)器芯片功能失效。

3.1.4 控制措施

1）針對(duì)短路連接，一是碳刷架焊接定位工裝定位銷設(shè)計(jì)尺寸改善，在保證定位不影響焊接同時(shí)，3個(gè)定位銷定位高度改變，放置過程更順暢，避免卡滯。二是烙鐵頭距離PCB版高度由5mm提高至8mm，避免因產(chǎn)品卡滯不水平，導(dǎo)致烙鐵頭和焊盤的異常接觸。焊接路徑進(jìn)行調(diào)整，避免烙鐵從基板中間經(jīng)過。

2）針對(duì)硅膠氣泡，一是改善芯片和散熱片粘貼工藝，在粘貼時(shí)，由原來的垂直放入PCB基板，變更為45度推入式粘貼，目的是在推入PCB基板時(shí)趕走已產(chǎn)生的硅膠氣泡，由原來容易產(chǎn)生45%的氣泡量，減小為5%以下。二是PCB基板和散熱片貼合硅膠層更加均勻。因此有效減少由于硅膠氣泡的大量產(chǎn)生造成PCB基板和散熱片之間的傳熱距離增大和傳熱時(shí)間過長(zhǎng)等問題，避免了由于芯片散熱不良造成的調(diào)節(jié)器芯片功能失效等模式的產(chǎn)生。

3.2 調(diào)節(jié)器輸出電壓過大的失效模式分析

當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出電壓過大，說明發(fā)電機(jī)的發(fā)電量過大。在日常行駛中車輛轉(zhuǎn)速達(dá)到3000r／min以上時(shí)，汽車的照明系統(tǒng)和儀表指示燈比平時(shí)亮很多，會(huì)導(dǎo)致汽車燈泡、電路系統(tǒng)因大電流而損壞，也會(huì)為行車安全帶來較大安全隱患。

3.2.1 失效分析

對(duì)失效調(diào)節(jié)器首先采用X光機(jī)透射，檢查內(nèi)部情況。在無異常情況下用萬用表對(duì)芯片PCB上的部件進(jìn)行測(cè)量，顯示芯片表面三極管異常 （正常值二極管擋約0.6V左右），異常測(cè)試值0.917V。采用專業(yè)測(cè)試機(jī)測(cè)試后如圖5所示，測(cè)試結(jié)果為調(diào)節(jié)器芯片三極管功能失效。

圖5 專業(yè)測(cè)試

圖6為芯片電路圖分析：Q1為本次失效件三極管，M1為MOS管。Q1控制M1（MOS管）開關(guān)，MOS管開關(guān)控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流。當(dāng)Q1失效時(shí)，導(dǎo)致MOS管柵極一直處于高電位 （即使MOS管一直導(dǎo)通），MOS管導(dǎo)通轉(zhuǎn)子電流流通，即發(fā)電機(jī)一直發(fā)電，所以出現(xiàn)發(fā)電電壓高的現(xiàn)象。

圖6 芯片電路圖

3.2.2 控制措施

1）根據(jù)三極管電特性對(duì)其進(jìn)行單品性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電特性NG，不能使用。

2）在芯片基板上焊接部件時(shí)，避免三極管外力磕碰。為避免人工誤操作，采用數(shù)控全自動(dòng)焊接方式。

3）根據(jù)三極管等電子產(chǎn)品高溫老化特性，增加高溫放置，芯片烘箱加熱，溫度150℃，時(shí)間40min，冷卻后對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行常溫復(fù)測(cè)，對(duì)高溫測(cè)試不合格的三極管進(jìn)行替換，可有效控制調(diào)節(jié)器正常功能實(shí)現(xiàn)。

3.3 調(diào)節(jié)器漏電流大的失效模式分析

當(dāng)調(diào)節(jié)器漏電流增大時(shí)，造成汽車在靜止?fàn)顟B(tài)下蓄電池饋電，車輛無法正常起動(dòng)。

3.3.1 失效分析

對(duì)調(diào)節(jié)器B+-E加電壓13.5V，F(xiàn)-E接線圈3ohm，其他端子均未接，測(cè)出B+-E漏電流由0.34mA變到380mA，看到EXC端進(jìn)入預(yù)勵(lì)磁狀態(tài)。檢測(cè)結(jié)果初步判斷：①采樣電路失效；②IC內(nèi)部其它部分電路燒毀，造成調(diào)節(jié)器無法進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)；③漏電流增大。

3.3.2 工作狀態(tài)原理分析

當(dāng)B+對(duì)搭鐵供電，而其它端子無外電路時(shí)，漏電流應(yīng)該在0.5mA內(nèi)，EXC端關(guān)斷；當(dāng)B+對(duì)搭鐵供電，L端接燈，而其它端子無外接電路時(shí)，B+電流應(yīng)該是預(yù)勵(lì)磁電流和漏電電流的總和，EXC端為預(yù)勵(lì)磁波形。

目前出現(xiàn)異常的狀態(tài)是在B+對(duì)搭鐵供電，而其它端子無外電路時(shí)，芯片進(jìn)入了預(yù)勵(lì)磁狀態(tài)，B+對(duì)搭鐵電流增大。調(diào)節(jié)器性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)Istby項(xiàng)異常，測(cè)試性能狀態(tài)NG，芯片表面顯微鏡檢查未發(fā)現(xiàn)異常。漏電檢測(cè)時(shí)，EXC端待機(jī)時(shí)進(jìn)入預(yù)勵(lì)磁狀態(tài)，B+對(duì)E漏電大，幾秒鐘內(nèi)升到380mA。如圖7所示。最終結(jié)論是B+與L間的電路有軟損傷的現(xiàn)象，L端子前面邏輯電路部分出現(xiàn)問題。見圖8紅色區(qū)域。

圖7 發(fā)電機(jī)原理圖

圖8 芯片原理圖

3.3.3 控制措施

1）性能測(cè)試時(shí)，調(diào)節(jié)器的Istby測(cè)試值在0.5mA的上限左右浮動(dòng)時(shí)，為了抑制調(diào)節(jié)器失效模式的產(chǎn)生，根據(jù)故障調(diào)節(jié)器Istby異常數(shù)據(jù)及正常芯片數(shù)據(jù)的正態(tài)分布，決定將Istby管理范圍由原來的0.2～0.5mA變更為0.2～0.4mA，測(cè)量精度提高有效地控制失效模式的識(shí)別。

2）加強(qiáng)芯片的單品檢驗(yàn)測(cè)試，增加脈沖對(duì)L端子前面邏輯電路進(jìn)行邏輯控制，阻斷邏輯問題電路出現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，隨著科技的發(fā)展，汽車發(fā)電機(jī)用調(diào)節(jié)器多功能技術(shù)也在迅速的地提升，汽車發(fā)電機(jī)用調(diào)節(jié)器技術(shù)在汽車整體電氣系統(tǒng)領(lǐng)域中有著非常重要的地位，以上對(duì)調(diào)節(jié)器在實(shí)際工作中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的失效模式和控制措施進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析論述，。對(duì)于調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)、研發(fā)、售后等專業(yè)技術(shù)人員來說，這是一門兼具理論和實(shí)踐性融合的技術(shù)，既要對(duì)調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行完全掌握，又要對(duì)調(diào)節(jié)器出現(xiàn)的常見失效模式有快速分析和控制的能力。，以此提高車用多功能調(diào)節(jié)器的研發(fā)和控制失效模式處理速度，更好地為顧客提供可靠的產(chǎn)品和高效、便捷的服務(wù)。