CN103856131A - 用于汽车发电机的电压调节器控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于汽车发电机的电压调节器控制电路，用以接收发电机的交流相信号或直流相信号，以关闭或开启指示灯，及保护发电机工作电路中的具有汲极和源极的功率组件。其包括一振荡单元，以提供复数个振荡脉波信号；还包括一相侦测电路，其包括有交流信号处理单元、直流信号处理单元、缺相侦测及处理单元以及指示灯控制单元；还包括一电荷帮浦电路，其包括有一倍压电路单元和开关控制单元；还包括一转子短路保护电路，其包括有一比较器单元和一数字逻辑电路。本发明的电压调节器控制电路适用于不同的发电机。

Description

用于汽车发电机的电压调节器控制电路

技术领域

本发明涉及一种用于汽车发电机的电压调节器控制电路，尤其涉及一种可应用于不同汽车发电机的控制电路。

背景技术

现有的汽车发电机系统工作电路，主要由电压调节器、发电机转子、定子线圈、一整流桥(D1-D6)、指示灯及电瓶组成。汽车发动时，由内燃机皮带带动发电机运转，同时激磁电流流入转动中的发电机转子而产生磁场，发电机的定子感应此磁场而产生交流电，交流电经整流桥转换为直流电输出，以对电瓶充电，提供汽车电子器件用电需求。

现有的发电机系统工作电路主要有以下A型、B型及D+型三种：

请参阅图1，一种为公众所知的发电机系统工作电路，在此称为A型，其普遍用于日系汽车发电机，其特点在于转子1的激磁电流由电池2的正极先经转子1后，再经功率晶体管3到电池的负极。对应于发电机上，转子激磁电流则是由发电机的两个碳刷分别流入与流出，转子激磁电流由碳刷电池正极流入，经转子从Field端流出。

A型发电机电路的信号侦测系统，是由发电机定子产生一交流电压信号，其频率依发电机转动速度而不同，转速越快，频率越高。此交流电压信号输入电压调节器4的相(PHASE)端，由电压调节器4内部逻辑电路侦测频率，在引擎刚启动、发电机刚开始转动时，电压调节器4内部逻辑电路侦测此交流电频率尚未达额定值，指示灯6亮。当交流电频率达额定值，则关闭指示灯6。

A型发电机电路的转子短路保护电路中，当电压调节器4的FIELD端与电池2短路时，由电压调节器4的FIELD端侦测到汲极(Drain)电压达警告保护额定值，经电压调节器4的VG端送出信号，以关闭回路输出，而关闭功率晶体管3，以启动保护功率晶体管的功能。

请参阅图2，为另一种熟知的发电机系统工作电路，在此称为B型，主要用于美系汽车发电机，其特点为转子7的激磁电流由电瓶8正极先经功率晶体管9后，再经转子7到电瓶8负极，对应于发电机上，转子7的激磁电流则是分别流经发电机的两个碳刷，转子7的激磁电流由碳刷的Field端流入，经转子7从另一碳刷接地端流出。

B型发电机电路的信号侦测系统，是由发电机产生一交流电压信号，其频率依发电机转动速度而不同，转速越快，频率越高。此交流电压信号输入电压调节器10的相(PHASE)端11，由电压调节器10内部逻辑电路侦测频率，在引擎刚启动、发电机刚开始转动时，电压调节器10内部逻辑电路侦测此交流电压信号频率尚未达额定值，指示灯12亮。当交流电频率达额定值，则关闭指示灯12。

B型发电机电路的转子短路保护电路中，当电压调节器10的FIELD端与GND端短路时，由电压调节器10的FIELD端侦测到源极(Source)电压达警告保护额定值，经电压调节器10的VG端送出信号，关闭功率晶体管回路输出，以启动转子短路保护功能。

请参阅图3，为另一种不同于前述两种的发电机系统工作电路，在此称为D+型，其主要应用于欧系汽车发电机与重负载车辆系统，其定子13感应电流后，往两个方向输出，一路电流对电瓶14充电，另一路电流由发电机的小整流桥(D8～D10)整流后输入转子15，且电瓶14的输出由电瓶正极经切换开关16、指示灯17、D+端18，再经转子15、功率晶体管19到电瓶14的负极，称转子激磁电流。

当切换开关16接上后，代表汽车钥匙已经转到第一段，此时发电机尚未启动，但车上电器已经可从电瓶14获得电源，指示灯17亮。待发电机开始运转，因定子13感应电流逐渐增加，转子15电流也随之增加，电压调节器200的D+端电压亦随之升高。此时，因指示灯17两端的直流电压降低，指示灯17也随之熄灭，提示驾驶者发电机已经进入供电状态。

由于上述每一种发电机的系统工作电路不同，所以适用的电压调节器电路亦不相同，目前并无一种电压调节器电路可适用前述三种发电机，而可同时具有控制指示灯、转子短路保护及电荷帮浦功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于汽车发电机的电压调节器控制电路，其可适用于各式发电机的工作电路，且同时具有控制指示灯、转子短路保护及电荷帮浦功能。

本发明提供的电压调节器控制电路，接收发电机的交流相信号或直流相信号，用以关闭或开启指示灯，及保护发电机工作电路中的具有汲极及源极的功率组件。所述电压调节器控制电路，包括一振荡单元，其提供复数个振荡脉波信号；一相侦测电路，其包括有缺相侦测及处理单元、交流信号处理单元、直流信号处理单元和指示灯控制单元；一电荷帮浦电路，其包括有一倍压电路单元及开关控制单元；一转子短路保护电路，其包括有一比较器单元及一数字逻辑电路。

本发明的电压调节器控制电路能适用于各式不同的汽车发动机。

本发明的上述及其它目的、优点和特色由以下较佳实例详细说明并参考图式以更深入了解。

附图说明

图1为现有的一种A型发电机系统工作电路图；

图2为现有的一种B型发电机系统工作电路图；

图3为现有的一种D+型发电机系统工作电路图；

图4为本发明提供的电压调节器电路的信号侦测电路图；

图5为本发明实施例1的转子短路保护电路图；

图6为图5的转子短路保护电路的操作示意图；

图7为本发明实施例2的转子短路保护电路图；

图8为图7的转子短路保护电路的操作示意图；

图9为本发明提供的电压调节器电路的电荷帮浦(Charge pump)电路图；

图10为图9的工作原理框图；

图11为图10的固定频率的倍压控制信号波形图；

图12为图10的倍压信号输出波形图；

图13为图10的开关控制信号波形图；

图14为图10的变动频率的倍压控制信号波形图；

图15为图14的倍压信号输出波形图；

图16为图15的开关控制信号波形图；

图17为本发明适用于A型发电机的示意图；

图18为本发明适用于B型发电机的示意图；

图19为本发明适用于D+型发电机的示意图。

附图标记说明：

振荡单元               20

交流信号处理单元       22

直流信号处理单元       24

缺相侦测及处理单元     26

指示灯控制单元         28

第一振荡脉波信号(CLK1) 30

第二振荡脉波信号(CLK2) 32

第三振荡脉波信号(CLK3) 34

第四振荡脉波信号(CLK4) 36

侦测相信号(Phase)      38

第二相信号(Phase2)     40

第一相信号(Phase1)     42

缺相警示信号           44

灯控信号(Lamp CLT)     46

比较器单元             50

数字逻辑电路           52

功率晶体管             54

汲极                   56

源极                   58

指示信号               60

短路运作重设单元        62

功率晶体控制单元        64

比较器单元              68

数字逻辑电路            70

功率晶体管              72

汲极                    74

源极                    76

指示信号                78

短路运作重设单元         80

功率晶体控制单元         82

工作电路                 90

功率组件                 92

蓄电池                   94

转子                     96

倍压电路单元             100

开关控制单元             101

稳定电压信号             102

倍压控制信号             104

倍压信号                 106

电阻R1                   108

电阻R2                   110

二极管D1                 112

二极管D2                 114

电容C1                   116

功率晶体管Q5              118

功率晶体管Q6              120

输入信号处理器            122

第一开关单元              124

第二开关单元              126

开关控制信号              128

功率晶体管Q4              130

齐纳二极管ZD1             132

倍压控制信号处理单元      134

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

本发明广泛用于各式汽车发电机的电压调节器控制电路，其包括有信号侦测电路、电荷帮浦电路及转子保护电路。

请参阅图4，本发明的电压调节器控制电路的信号侦测电路，其接收发电机的交流相信号(Phase)或直流相信号(Phase)，用以关闭或开启指示灯，以显示发电机运作是否正常。该侦测电路包括有一振荡单元20、一交流信号处理单元22、一直流信号处理单元24、一缺相侦测及处理单元26以及一指示灯控制单元28。

所述振荡单元20，提供第一振荡脉波信号(CLK1)30、第二振荡脉波信号(CLK2)32、第三振荡脉波信号(CLK3)34及第四振荡脉波信号(CLK4)36，所述第一振荡脉波信号(CLK1)为1:12.8kHz、第二振荡脉波信号(CLK2)为2:37.5Hz、第三振荡脉波信号(CLK3)为3:9.375Hz及第四振荡脉波信号(CLK4)为4:37.5Hz。其中该第一振荡脉波信号(CLK1)30为系统最高频信号，密集侦测相信号(Phase)38；第二振荡脉波信号(CLK2)32与第三振荡脉波信号(CLK3)34具固定的倍数关系，或可为相同频率，而为同一振荡脉波信号；第四振荡脉波信号(CLK4)36为缺相警示信号的警示标准。

所述交流信号处理单元22，用以接收该发电机的相信号(Phase)38、第一振荡脉波信号(CLK1)30以及第三振荡脉波信号(CLK3)34，当相信号(Phase)38为直流信号时，此单元不工作，当相信号(Phase)38为交流信号时，即启动此单元，以输出一第二相信号(Phase2)40；交流信号处理单元22以第一振荡脉波信号(CLK1)30为基础，作为相信号(Phase)38侦测的重设信号，以持续侦测信号相(Phase)38；交流信号处理单元22以第三振荡脉波信号(CLK3)34作为计数器频率，将交流相信号38(Phase)作为计数重设信号，依据交流相信号38(Phase)频率不同，其结果用以输出一第二相信号(Phase2)40。

所述直流信号处理单元24，其用以接收发电机的相信号(Phase)38、第一振荡脉波信号(CLK1)30及第二振荡脉波信号(CLK2)32，当相信号(Phase)38为交流信号时，此单元不工作，当相信号(Phase)38为直流信号时，即启动此单元，输出一第一相信号(Phase1)42。

所述缺相侦测及处理单元26，用以接收该第一相信号(Phase1)42或第二相信号(Phase2)40及第四振荡脉波信号(CLK4)36，依据第一相信号(Phase)42或第二相信号(Phase)40的频率高低，输出一个缺相警示信号44；当第一相信号(Phase1)42或第二相信号(Phase2)40的频率较第四振荡脉波信号(CLK4)36为高时，则解除缺相警示，当该第一相信号42(Phase1)或第二相信号(Phase2)40的频率较第四振荡脉波信号(CLK4)36为低时，则启动缺相警示。

所述指示灯控制单元28，用以接收缺相警示信号44，并输出灯控信号(LampCLT)46控制指示灯亮。

当指示灯亮时，代表发电机运转未正常，而指示灯关闭时，代表发电机已正常运作。

而本发明利用相信号的侦测，来作为熄灭指示灯的方式，进而判断发电机运转是否正常，可适用于各种类型的汽车发电机。

本发明的电压调节器控制电路的转子短路保护电路，其用以当转子短路时，保护功率晶体管不因极大电流流过，而产生高热、发烫受损，确保电压调节器电路仍可正常运作，该发电机的工作电路具有电压调节器、整流桥、电池及具有汲极及源极的功率晶体管。

请参阅图5及图6，为本发明实施例1的转子短路保护电路图，发电机电路的转子激磁电流由电池的正极先经转子后，再经功率晶体管到电池的负极，其包括有一比较器单元50及一数字逻辑电路52，其用以当发电机的转子短路时，保护其工作系统中的功率晶体管54不致因过电流产生高温而损坏，本实施例中转子激磁电流由电池的正极先经转子后，再经功率晶体管54到电池的负极，为A型发电机与D+型发电机工作电路的应用。

所述比较器单元50，用以侦测功率晶体管54的汲极56(Drain)及源极58(Source)的电压，并将汲极56(Drain)及源极58(Source)的电压差与所述转子短路保护电路内部的额定参考电压作比较后，输出一指示信号60，当所述电压差达到该额定参考电压时，指示信号60为一启动信号，该启动信号可为一高电压或特定序列数字信号(如:8’b10101010)；当所述电压差未达到该额定参考电压时，指示信号60为一关闭信号，该关闭信号可为低电压或特定序列数字信号(如:8’b00110011)。

所述数字逻辑电路52，用以接收比较器单元50的指示信号60，其设有一短路运作重设单元62及功率晶体控制单元64，当指示信号60为启动信号时，此时功率晶体控制单元64关闭功率晶体管54，使其不导通，启动转子保护模式，并启动短路运作重设单元62，规律持续侦测发电机转子是否仍为短路状态，当转子为未短路时，功率晶体控制单元64正常运作，短路运作重设单元62为待命状态。

请参阅图7及图8，本发明实施例2的转子短路保护电路图，发电机电路的转子激磁电流由电池正极先经功率晶体管后，再经转子到电池负极。其包括有一比较器单元68及一数字逻辑电路70，用以发电机的转子短路时，保护其工作系统中的功率晶体管72不致受高温而损坏，本实施例中转子激磁电流由电池正极先经功率晶体管72后，再经转子到电池负极，为B型发电机工作电路的应用。

所述比较器单元68，用以侦测功率晶体管72的汲极74(Drain)及源极76(Source)电压，并将汲极74(Drain)及源极76(Source)的电压差与所述转子短路保护电路内部的额定参考电压作比较后，输出一指示信号78，当所述电压差达到该额定参考电压时，指示信号78为启动信号，该启动信号可为一高电压或8’b10101010或其它由0与1组成的特定序列数字信号；当所述电压差未达到该额定参考电压时，指示信号78为关闭信号，该关闭信号可为低电压或8’b00110011或其它由0与1组成的其它特定序列数字信号

所述数字逻辑电路70，用以接收比较器单元68的指示信号78，其设有一短路运作重设单元80及功率晶体控制单元82，当指示信号78为启动信号时，功率晶体控制单元82关闭功率晶体管72，使其不导通，启动转子保护式，并启动短路运作重设单元80，规律持续侦测发电机转子是否仍为短路状态，当转子为未短路时，功率晶体控制单元82正常运作，短路运作重设单元80为待命状态。

本发明的转子短路保护电路，在转子短路的情形下，为避免功率晶体管54、72受高温而损坏，以影响发电机的正常运作，可以上述方法解决，且该系统可适用各种不同发电机类型的工作电路。

如图9至图16所示，本发明的电压调节器控制电路的电荷帮浦电路，用以保护发电机的工作电路90中的功率组件92，该工作电路90包括有蓄电池94、功率组件92及转子96，该电荷帮浦电路包括有一倍压电路单元100及一开关控制单元101。

所述倍压电路单元100用以接收一稳定电压信号V(BAT)102及一倍压控制信号104，倍压控制信号104如图11所示，用以维持倍压电路单元100稳定的倍压信号106输出；其中该稳定电压信号102为蓄电池电压，倍压控制信号104为固定频率的脉波信号，倍压信号106如图12所示。如图9所示，倍压电路单元100包括电阻R1108、电阻R2110、二极管D1112、二极管D2114、电容C1116、功率晶体Q6120及输入信号处理器Level Shift122组成。

所述开关控制单元101，其包括有第一开关单元124及一第二开关单元126，用以接收一开关控制信号128，开关控制信号128的波形为图13，当开关控制信号128为低电位(low)时，第一开关单元124开启，让倍压电路单元100的倍压信号106输出启动功率组件92导通，使工作电路90形成回路，同时开关控制信号128关闭第二开关单元126，使其不工作；当开关控制信号128为高电位(high)时，倍压电路单元100的倍压信号106输出仍然持续，第一开关单元124关闭，使倍压电路单元100的倍压信号106输出不可通过，功率组件92即不导通，同时第二开关单元126开启，使功率组件92残留电量可对地泄放。其中开关控制单元101包括功率晶体Q5118、功率晶体Q4130及齐纳二极管ZD1132。

另外，还可包括有一倍压控制信号处理单元134，用以同时接收倍压控制信号104及开关控制信号128，使倍压控制信号104可为变动频率的脉波信号，当开关控制信号128为低电位(low)时，如图16所示，此时倍压控制信号的频率为高，以确保有足够的电荷帮浦输出，如图14所示；当开关控制信号128为高电位(high)时，因开关控制单元关闭，电荷帮浦不输出，可使倍压控制信号的频率为低，可适当降低电路工作电流，减少功率损耗。

如是，可避免电荷帮浦工作漏电，避免功率组件92导通电阻变大，流经电流产生消耗功率加大，以致其因过热而缩短使用寿命。

综上所述，请参阅图17至图19本发明的电压调节器控制电路可适用于前述的A型、B型及D+型发电机电路，使其更为实用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于汽车发电机的电压调节器控制电路，其特征在于：

包括一振荡单元，用以提供第一振荡脉波信号、第二振荡脉波信号、第三振荡脉波信号、第四振荡脉波信号、稳定电压信号及一倍压控制信号，所述第二振荡脉波信号与第三振荡脉波信号的频率具有固定的倍数关系；

还包括一相侦测电路，所述相侦测电路包括交流信号处理单元、直流信号处理单元、缺相侦测及处理单元以及指示灯控制单元，所述交流信号处理单元及直流信号处理单元，用以接收并处理该发电机的相信号；处理后的相信号，经所述缺相侦测及处理单元侦测为缺相状态时，则启动缺相警示信号；所述指示灯控制单元用以接收该缺相警示信号，输出灯控信号控制指示灯亮；

还包括一电荷帮浦电路，所述电荷帮浦电路包括一倍压电路单元及开关控制单元，所述倍压电路单元用以接收所述稳定电压信号及所述倍压控制信号，该倍压控制信号用以维持所述倍压电路单元输出稳定的倍压信号；所述开关控制单元，包括第一开关单元及第二开关单元，用以接收一开关控制信号，以控制开启或关闭电荷帮浦的输出；

还包括一转子短路保护电路，所述转子短路保护电路包括一比较器单元及一数字逻辑电路，该比较器单元用以同步侦测发电机工作电路中的功率组件的汲极和源极电压，并将汲极和源极之间的电压差与该转子短路保护电路内部的额定参考电压作比较后，输出一指示信号，该数字逻辑电路接收此指示信号，以关闭或开启功率组件及转子短路保护模式。

2.如权利要求1所述的用于汽车发电机的电压调节器控制电路，其特征在于：

所述交流信号处理单元用以接收发电机的相信号、所述第一振荡脉波信号及第三振荡脉波信号，当相信号为直流信号时，所述交流信号处理单元不工作，当相信号为交流信号时，即启动所述交流信号处理单元，以输出一第二相信号；

所述直流信号处理单元用以接收发电机的相信号、所述第一振荡脉波信号及第二振荡脉波信号，当相信号为交流信号时，所述直流信号处理单元不工作，当相信号为直流信号时，即启动所述直流信号处理单元，以输出一第一相信号；

所述缺相侦测及处理单元用以接收该第一相信号或第二相信号及第四振荡脉波信号，并根据所述第一相信号或第二相信号的频率高低，输出一缺相警示信号。

3.如权利要求1所述的用于汽车发电机的电压调节器控制电路，其特征在于：所述开关控制单元包括第一开关单元及第二开关单元，用以接收一开关控制信号，当该开关控制信号为低电位时，该第一开关单元开启，让该倍压电路单元的倍压输出启动所述功率组件导通，使所述发电机工作电路形成回路，同时该开关控制信号关闭该第二开关单元，使其不工作；当该开关控制信号为高电位时，该倍压电路单元的倍压信号输出仍然持续，该第一开关单元关闭，使该倍压电路单元的倍压信号输出不可通过，所述功率组件即不导通，同时该第二开关单元开启，使所述功率组件残留电量可对地泄放。

4.如权利要求1所述的用于汽车发电机的电压调节器控制电路，其特征在于：该交流信号处理单元以所述第三振荡脉波信号作为计数器频率，将交流相信号作为计数重设信号，依据交流相信号频率不同，其结果用以输出一第二相信号；该直流信号处理单元以第二振荡脉波信号作为计数器频率，将直流相信号作为计数重设信号，其结果用以输出一第一相信号。

5.如权利要求2所述的用于汽车发电机的电压调节器控制电路，其特征在于：当第一相信号或第二相信号的频率高于所述第四振荡脉波信号的频率时，所述缺相侦测及处理单元解除缺相警示，当该第一相信号或第二相信号的频率低于所述第四振荡脉波信号的频率时，启动缺相警示。

6.如权利要求1所述的用于汽车发电机的电压调节器控制电路，其特征在于：所述交流信号处理单元及直流信号处理单元以该第一振荡脉波信号为基础，作为相信号侦测的重设信号，以持续侦测相信号。

7.如权利要求1所述的用于汽车发电机的电压调节器控制电路，其特征在于：所述倍压控制信号为固定频率的脉波信号。

8.如权利要求1所述的用于汽车发电机的电压调节器控制电路，其特征在于：所述电荷帮浦电路包括一倍压控制信号处理单元，用以同时接收倍压控制信号及开关控制信号，使得该倍压控制信号为变动频率的脉波信号，当开关控制信号为低电位时，脉波信号的频率为高，以确保有足够的电荷帮浦输出；当开关控制信号为高电位时，脉波信号的频率为低，可适当降低电路的工作电流，减少功率损耗。

9.如权利要求1所述的用于汽车发电机的电压调节器控制电路，其特征在于：所述数字逻辑电路包括一短路运作重设单元及一功率晶体控制单元；当转子短路未发生时，功率晶体控制单元正常工作，短路运作重设单元为待命状态；当发生转子短路时，启动转子短路保护功能，此时短路运作重设单元启动，规律且持续侦测发电机转子电路是否仍为短路状态，功率晶体控制单元以转子短路保护模式控制功率晶体管开关。

10.如权利要求1所述的用于汽车发电机的电压调节器控制电路，其特征在于：所述转子短路保护电路中，当汲极及源极之间的电压差不低于该额定参考电压时，则转子短路，启动信号为由0与1组成的特定序列数字信号，当所述电压差低于该额定参考电压时，转子未短路，关闭信号为由0与1组成的其它特定序列数字信号。

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