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(diào)節(jié)器是穩(wěn)定發(fā)電機(jī)工作電壓的重要部件[1]。與早期的機(jī)械式調(diào)節(jié)器相比，電子電壓調(diào)節(jié)器具有體積更小，調(diào)節(jié)更精確，性能更可靠的優(yōu)點(diǎn)，在幾乎所有的汽車發(fā)電機(jī)中得到了應(yīng)用，基本取代了機(jī)械式調(diào)節(jié)器。電子調(diào)節(jié)器通過采樣交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓，經(jīng)過其內(nèi)部邏輯電路的判斷來控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電流，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度控制發(fā)電機(jī)的輸出。調(diào)節(jié)器最初只有基本的電壓調(diào)節(jié)功能，后來出現(xiàn)的普通多功能調(diào)節(jié)器除了基本調(diào)壓功能外，還增加了自我保護(hù)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(shí)地發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的異常狀態(tài)，更好地滿足車輛的保養(yǎng)和安全需求。在當(dāng)前汽車電子化程度已成為國(guó)際上衡量汽車先進(jìn)水平的重要標(biāo)準(zhǔn)的前提下，各國(guó)都競(jìng)相發(fā)展這一行業(yè)，不斷提高高新技術(shù)，提高汽車電氣化性能，以求獲得更大的市場(chǎng)[2]。隨著智能網(wǎng)絡(luò)在車輛上的廣泛應(yīng)用，通信類調(diào)節(jié)器應(yīng)運(yùn)而生。通信類調(diào)節(jié)器在保持原有普通多功能調(diào)節(jié)器自控功能的同時(shí)，還可以由車載ECU 來控制。ECU 根據(jù)實(shí)際工況適時(shí)地接通和關(guān)斷發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)回路，調(diào)整發(fā)電電壓，既能可靠地保證電器系統(tǒng)正常工作，使電瓶充電充足，又能減輕發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，提高燃料利用率，節(jié)能減排。目前通信類調(diào)節(jié)器大多采用國(guó)外專用單芯片來實(shí)現(xiàn)，如意法半導(dǎo)體（ST）的L9910 芯片，價(jià)格昂貴。雖然國(guó)外芯片有著高性能，但國(guó)外芯片在市場(chǎng)供應(yīng)和安全性上存在著一定的不確定性[3]，因此將國(guó)產(chǎn)芯片應(yīng)用到發(fā)電機(jī)電壓控制系統(tǒng)中迫在眉睫。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文圍繞國(guó)產(chǎn)芯旺微單片機(jī)KF8A100FNG，設(shè)計(jì)了一種通信類（BSS 協(xié)議）調(diào)節(jié)器的外圍線路。本系統(tǒng)采用的MCU 為國(guó)產(chǎn)KF8A100FNG 單片機(jī)，QFN20 封裝，符合汽車級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。KF8A100FNG 芯片內(nèi)部集成了CCP、PWM、ADC 等多種外設(shè)，可以滿足系統(tǒng)需求。根據(jù)調(diào)節(jié)器的應(yīng)用需求，本系統(tǒng)共有B+端，F(xiàn) 端，P 端，GND 端，BSS 端5 個(gè)端子。系統(tǒng)應(yīng)用框圖如圖1 所示。

圖1 調(diào)節(jié)器系統(tǒng)應(yīng)用框圖

依據(jù)調(diào)節(jié)器的性能需求，采用模塊化的設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)包含電源轉(zhuǎn)換線路，通信線路，電壓控制線路、溫度采集線路，相信號(hào)采集線路，功率管驅(qū)動(dòng)線路，電流采樣線路等外圍線路。

■1.1 電源轉(zhuǎn)換線路

本系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的B+端默認(rèn)電壓在14.3V 左右，通信時(shí)可根據(jù)BSS 通信信號(hào)在10.7～16V 之間進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。KF8A100FNG 芯片的典型工作電壓為5V，因此需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)采用ES5205 作為穩(wěn)壓芯片來進(jìn)行14V 到5V 的轉(zhuǎn)換。電源轉(zhuǎn)換線路如圖2 所示。發(fā)電機(jī)B+端電壓在拋負(fù)載時(shí)會(huì)產(chǎn)生20～35V 的高壓脈沖，為此在ES5205 的Vin 端加電阻R3 和穩(wěn)壓管ZD2 進(jìn)行保護(hù)。發(fā)電機(jī)工作環(huán)境溫度為-40℃～105℃。ES5205 的額定操作電壓為-2.5～16V。穩(wěn)壓管通常具有正溫度系數(shù)，選擇的15V 穩(wěn)壓管溫度系數(shù)約8mV/℃，高溫時(shí)穩(wěn)壓值不超過16V，可以滿足穩(wěn)壓芯片實(shí)際電壓應(yīng)用需求。電容C3 和C4 用于降低穩(wěn)壓芯片輸出噪聲，使輸出更加穩(wěn)定。電阻R4 和電容C5 構(gòu)成低通濾波器，進(jìn)一步穩(wěn)定輸出。同時(shí)電阻R4 和電容C5 也構(gòu)成復(fù)位電路，用于單片機(jī)上電復(fù)位。電容C5 盡量靠近單片機(jī)VDD 端。

圖2 電源轉(zhuǎn)換線路

■1.2 通信線路

車輛ECU 與調(diào)節(jié)器通過BSS 端進(jìn)行通信。BSS 為單線接口，可以通過同一根信號(hào)線完成ECU 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

通信線路如圖3 所示。BSS 端增加電容C6 用來對(duì)輸入的ECU 信號(hào)進(jìn)行濾波。BSS 通信信號(hào)通過電阻R8 和R9進(jìn)行分壓以滿足單片機(jī)IO 口的電壓輸入條件。單片機(jī)通過P0.4 引腳接收ECU 發(fā)送的BSS 通信信號(hào)。穩(wěn)壓管ZD3 可在ECU 信號(hào)存在異常高壓時(shí)進(jìn)行穩(wěn)壓保護(hù)，以免單片機(jī)的IO口受到損害。電容C7 用來對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)一步濾波。單片機(jī)P3.4引腳通過控制三極管Q2 通斷產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào)對(duì)ECU 進(jìn)行反饋。該引腳輸出的高電平信號(hào)為5V，輸出信號(hào)經(jīng)過電阻R5 和R6 分壓后再驅(qū)動(dòng)三極管Q2。電阻R7 起限流保護(hù)作用，用于防止在BSS端異常短接至B+端時(shí)燒毀三極管Q2。

圖3 通信線路

■1.3 調(diào)壓控制線路

調(diào)節(jié)器的B+端實(shí)時(shí)采樣發(fā)電機(jī)的輸出電壓值。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓達(dá)到調(diào)節(jié)器的設(shè)定電壓值時(shí)，調(diào)節(jié)器通過控制與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈連接的功率管的通斷來控制發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值附近。調(diào)壓控制線路如圖4 所示。調(diào)節(jié)器B+端的電壓經(jīng)電阻R1 和R2 分壓后輸入單片機(jī)ADC 端口，需要注意分壓值要小于5V。同時(shí)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(wěn)壓管ZD1 用于防止發(fā)電機(jī)在拋負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的高壓脈沖損壞單片機(jī)的IO 口。電容C11 用于濾除雜波。

圖4 調(diào)壓控制線路

■1.4 溫度采集線路

本系統(tǒng)具有過溫保護(hù)功能。利用二極管的負(fù)溫度系數(shù)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(jī)的ADC 口處理。當(dāng)采集到的溫度值超過設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)器會(huì)關(guān)斷勵(lì)磁回路，防止功率管繼續(xù)發(fā)熱導(dǎo)致溫度進(jìn)一步上升。當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)器恢復(fù)正常工作。溫度采集線路如圖5 所示。采用復(fù)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(fù)合二極管D3 的電流值對(duì)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(hào)采集線路

相信號(hào)采集線路用于采集發(fā)電機(jī)的相端信號(hào)來測(cè)量發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)靜止不轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)調(diào)節(jié)器有BSS 通信信號(hào)輸入時(shí)，調(diào)節(jié)器會(huì)處于軟起動(dòng)狀態(tài)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)相信號(hào)電壓和頻率達(dá)到一定值時(shí)，調(diào)節(jié)器退出軟起動(dòng)狀態(tài)，開始正常的調(diào)壓工作。

本調(diào)節(jié)器還具有自啟動(dòng)功能。當(dāng)沒有BSS 信號(hào)輸入時(shí)，調(diào)節(jié)器可以通過采集發(fā)電機(jī)剩磁信號(hào)來進(jìn)行自啟動(dòng)發(fā)電。由于發(fā)電機(jī)的剩磁通常較小，需要對(duì)發(fā)電機(jī)相端輸入電壓信號(hào)進(jìn)行放大。線路圖如圖6 所示。電阻R21 與電容C13 構(gòu)成低通濾波器，電容C12 與電阻、R23、R24 構(gòu)成高通濾波器，用于濾除發(fā)電機(jī)相信號(hào)的雜波，防止后級(jí)電路誤判斷。穩(wěn)壓管ZD4 用于防止輸入電壓高于單片機(jī)IO 口的最高輸入電壓。電阻R23 和R24 用于分壓，進(jìn)一步降低輸入信號(hào)電壓。根據(jù)“虛短”和“虛斷”原則，運(yùn)放增益系數(shù)由（R25+R26）/R25 得出。根據(jù)發(fā)電機(jī)剩磁信號(hào)大小，適當(dāng)調(diào)整R26 和R25 的比值，可以調(diào)整電壓放大倍數(shù)。電阻R27 和C14 構(gòu)成低通濾波器將放大后的信號(hào)進(jìn)一步濾波后送入單片機(jī)ADC 口（P1.3）處理。

圖6 相信號(hào)采集線路

■1.6 功率管驅(qū)動(dòng)線路

調(diào)節(jié)器通過控制功率管的通斷來控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中的電流大小。本系統(tǒng)中的功率管采用高邊驅(qū)動(dòng)方式。主控芯片輸出引腳產(chǎn)生的控制信號(hào)無法直接驅(qū)動(dòng)MOS 管[4]，需要對(duì)功率管的柵極電壓進(jìn)行抬升。本系統(tǒng)中通過單片機(jī)P3.5 引腳控制三極管Q3 的通斷，再通過電阻R12、電容C8、復(fù)合二極管D1 和電容C9 完成功率管Q1 柵極電壓的穩(wěn)定抬升。單片機(jī)P2.0 引腳用來產(chǎn)生PWM 信號(hào)，通過三極管Q4 和Q5 的兩級(jí)翻轉(zhuǎn)，完成P2.0 引腳信號(hào)和F 端輸出信號(hào)的同相輸出。功率管Q1 為汽車級(jí)MOS 管，耐壓100V。二極管D2 用作續(xù)流二極管用，用于調(diào)節(jié)器功率管Q1 關(guān)斷時(shí)轉(zhuǎn)子線圈續(xù)流用。線路圖如圖7 所示。

圖7 功率管驅(qū)動(dòng)線路

■1.7 電流采樣線路

本系統(tǒng)具有過流保護(hù)功能。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中的電流值超過設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)將控制功率管Q1 關(guān)斷以保護(hù)其不被燒壞。由于KF8A100FNG無法直接進(jìn)行電流采樣，但單片機(jī)自身具有ADC 功能，可以通過采樣電阻Rs 將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后再送單片機(jī)處理。本系統(tǒng)使用的TSC1021AY 是一款高邊電流感應(yīng)放大器，為汽車級(jí)芯片。TSC1021 測(cè)量一個(gè)小的差分高邊分流電阻器上的電壓，將其轉(zhuǎn)換為地面參考輸出電壓。采集后的電壓信號(hào)送入單片機(jī)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(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為驗(yàn)證整套系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，以及采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，準(zhǔn)確性。使用朗迪發(fā)電機(jī)測(cè)試臺(tái)，對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證，主要相關(guān)數(shù)據(jù)如表1 所示。測(cè)試結(jié)果在預(yù)定范圍內(nèi)。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

本文提出了一種基于國(guó)產(chǎn)KF8A100FNG 車規(guī)單片機(jī)的發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器方案。依據(jù)調(diào)節(jié)器的性能需求，通過模塊化的設(shè)計(jì)，完成了包含電源轉(zhuǎn)換線路，通信線路，電壓控制線路、溫度采集線路，相信號(hào)采集線路，功率管驅(qū)動(dòng)線路，電流采樣線路等外圍線路設(shè)計(jì)。經(jīng)驗(yàn)證測(cè)試，結(jié)果符合預(yù)期。該調(diào)節(jié)器線路方案總成本低，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性，可為發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器后續(xù)的相關(guān)開發(fā)和改進(jìn)提供一定的參考。