CN1106590A

CN1106590A - 数字式汽车发电机电子电压调节器电路

Info

Publication number: CN1106590A
Application number: CN 94101724
Authority: CN
Inventors: 刘三清; 应建华; 秦祖新; 曹广军
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 1994-02-03
Filing date: 1994-02-03
Publication date: 1995-08-09

Abstract

本发明涉及一种汽车电器专用电路，适用于汽车发电机电压调节器。本发明电路为MOS结构数字式调节电路，和目前功率集成电路的设计与制作方法完全兼容，可实现单纯功率集成，该发明电路可取代目前可关断晶闸管开关式，达林顿晶体管开关式调节器电路，达到提高性能与可靠性的目的。

Description

本发明涉及一种汽车电器专用电路。

日本国专利昭和62-107643，公开的是一种组装式结构电路，所用功率开关为双极功率晶体管，在功能方面设计了汽车运行速度，装置负荷强度等信息的控制作用，这种调节器电路存在两个制约因素，一是功率开关器件的双极晶体管和晶闸管在高压大电流时容易出现二次击穿或误动作的现象，工作可靠性问题仍未解决，二是组装电路愈来愈复杂，于可靠性更为不利。

针对上述现有技术的缺点，本发明的任务是提供一种既无二次冲击现象又无误触发现象的MOS型功率器件作为控制开关，功能逻辑由数字式MOS电路完成的数字式汽车发电机电子电压调节器电路。

本发明通过以下技术措施实施，它由图1所示的采样及开关电路、MOS功率开关T以及故障判断电路、保护电路闭环连接而成，所述采样及开关控制电路SS输入信号为发电机输出经整流后提供给用电系统的直流电压（V_D），其输入控制信号（C）来自保护电路PT的输出端（C），输出信号（F）连接到MOS开关管的栅极，所述故障判断电路JD的输入信号（F）和（N）分别来自开关管的输入端及输出端采样电阻R₁和R₂的中间抽头，其输出信号（D）连接到保护电路PT的输入端，所述保护电路PT的输入端与故障判断电路JD输出（D）端相连，输出端（C）连接到采样及开关控制电路SS。如上述采样及开关控制电路SS如图2所示，其中采样信号（A）和（B）由MOS分压器构成，整形及控制由I₁、I₂、I₃、G₁、G₂门电路及G₃、G₄构成的触发器构成，触发器输出的逻辑信号（F）直接驱动MOS功率开关T，并送至故障判断电路JD。如上所述的故障判断电路JD如图3所示。它是一个MOS异或门结构，其输入信号为（F）和（N），输出信号为（D），当（F）≠（N）时，（D）＝“1”，（F）＝（N）时，（D）＝“0”。如上所述保护电路PT如图4所示，它由自激振荡器产生连续检测时钟脉冲，利用时钟脉冲的上升沿将（D）信号传递到触发器T₁的输入端，利用时钟脉冲的下降沿将（D）信号传送到触发器T₂的输出端，两触发器输出的非变量经与非门组合成为（C）信号，两D触发器传输的时间差大于MOS功率开关管的上升和下降时间，该电路检测用的连续时钟信号经两级门控制后作为两触发器的时钟信号，当（C）＝“0”时，时钟信号被阻断，只要检测到一次（D）＝“0”，则（C）信号一直保持为“0”，只有在（D）变为“1”，在（S）端输入一个负脉冲后（C）才能恢复为“1”。当（C）出现“0”时，报警提示ALa输出“1”信号。

本发明的优点在于（1）采用既无击穿现象，又无误触发现象的MOS型功率器件作为控制开关，工作可靠性大大提高，（2）功能逻辑由数字式MOS电路完成，这样，逻辑电路和功率器件在设计和工艺制作上具有完全兼容性，可以同时由一块功率集成芯片来完成全部电路功能，而且由于MOS电路的高密度集成特点，可以形成强功能或智能化电路。

附图说明如下：

附图1 电路框图

附图2 故障判断电路

附图3 采样及调节控制电路

附图4 保护电路

附图5 电压调节波形

下面结合附图对本发明作进一步说明如下：

本电路可用于12V，24V电压的汽车电气系统。其功能设计有调节器负载开路保护、短路保护、过流保护、开关器件失效提示等项功能，电路框图如图1所示。图中L为发电机激磁绕组线圈，T为MOS型功率开关器件，C为时钟信号振荡电容，其他部分为MOS逻辑电路。逻辑控制电路中采样及调节控制电路为主控制电路，用来稳定发电机输出电压，其电路图如图3所示。图中T₁、T₂、T₃为三个由MOS器件构成的有源电阻，构成采样电路。在正常工作状态下，C＝“1”，A’＝A，B’＝B。当V_D较低时， A、 B均为高电平，A’＝“0”，B’＝“0”， B＝“0”， B＝“1”，F＝“1”，功率MOS开关器件T导通，给激磁绕组L提供电流，发电机输出电压升高，V_D上升。当V_D上升到一个较大的数值时，首先是A点电位上升到I₁阈电压之上， B→“0”，A’→“1”，此时触发器状态不变，当V_D进一步上升，B点电位超过I₂的阈电压， B→“0”，B’→“1”， B’→“0”，触发器翻转，F→“0”，激磁电流切断，V_D不再上升，接着V_D因能量消耗而下降。V_D在不断地下降过程中，首先是B点电压降到I₂阈电压以下， B→“1”，B’→“0”， B→“1”，这时触发器状态不变，随着V_D进一步下降，A点电位也降到I₁阈电压以下， A→“1”，A’→“0”，F→“1”，开关晶体管导通，提供激磁电流，发电机输出电压升高，V_D上升，如此反复循环以达到电压调节的目的。该电路的控制端C用于保护信号输入，当工作状态发生异常时，C→“0”，F→“0”，切断激磁电流，避免发电、供电系统事故的产生。图5为电压调节波形图，图中V_H和V_L分别为V_D变化过程中的设计最大值和最小值，其差值为V_D的波动量，该量可根据恢复比的要求来设计。电路中由取样MOS电阻的图形及阈电压的设计来保证。故障判断电路用来判断电路是否处于正常工作状态，在正常工作状态下，功率开关器件的输入端和输出端之间存在着明确的相位关系和明确的电平数值，但在下面几种情况下，输入输出关系会出现异常，当激磁线圈短路或开关管漏极同V_D正极短接时，会出现很大的短路电流，此时，有F＝“1”，N＝“1”状态出现;当激磁线圈局部短路或开关管输出端与线圈接触不良时，开关导通时压降过大，也会导致F＝“1”，N＝“1”的状态。当MOS开关管栅极击穿，通常会出现MOS管三个电极短路，这时会出现F＝“0”，N＝“0”，另一种可能是V_D处于低电压状态，F＝“1”，N＝“0”。在上述各种故障中，除了第四种类型的第二种状态外，其余各种状态均会造成对发电系统和供电系统的严重危害。而上述第四种类型的第二种状态，只会出现发电机中止发电，不会造成恶劣后果，因此，只有检出F＝N的状态，就可以排除常见的主要有害故障。故障判断电路由异或非门构成，异或非门输入信号为F和N，输出为D，当F和N在出现相同状态时，即F＝N，输出D＝0。D信号再经过保护电路处理，形成控制信号C，切断激磁电流。保护电路如图4所示，图中I₁、I₂、I₃及R、C构成时钟产生电路，T₁、T₂为两个记忆用D触发器。输入信号来自故障判断电路。输出C信号的作用前面已作了说明。实际上这个电路也是一个判断电路，它是用来判断D＝“0”的真伪性。实际电路中，功率开关器件输出与输入之间存在明显的相位移，并不是绝对的倒相关系，在状态转换过程中也会存在F＝N的过渡状态，这个过渡状态判断电路也会检出，即D＝“0”状态中存在着伪信号。保护电路中的时钟产生电路和两个D触发器就是为了检出真实的D＝“0”状态而设计的。两个触发器设计为异步操作，分别在时钟信号的上升沿和下降沿采得D信号，只要所设计的时钟周期大于开关器件的上升时间和下降时间，T₁和T₂就不可能同时采得D＝“0”中的伪信号，而在异常情况下，D＝“0”的持续期总会超过检测时钟的周期，也就是说两触发器会同时检测到D＝“0”的状态。C点状态只有在T₁和T₂都检到“0”信号后才会产生“0”控制信号。图4中G₁和G₂为两个控制门，其中G₁由保护输出信号C控制。当检查到故障，C点信号跳变为“0”后，强制开关管进入截止状态，这时判断电路输出状态也会翻转，即不能保持原来的检出的故障信号，从而造成整个电路的振荡，使保护作用失灵。将C引入G的控制端后，一旦C点输出故障信号“0”电平，立即封锁检测时钟信号，T₁和T₂触发器维持不变状态，使电路维持保护状态。G₂的设计用于调节器起动，汽车启动时，两触发器存在 Q端同时为“1”的可能性，在这种情况下，C点将被箝制在“0”电平上，调节器不能工作。为避免出现这种现象，在汽车起动时，发出一个负脉冲，通过S端使G₂输出为“1”，这时D信号被送入T₁、T₂的Q端，而正常情况下，D为高电平，即Q被置于“1”， Q被置于“0”电平上，C＝“1”，电路进入正常工作状态。另外，由于调节器电路为电感负载，开关管截止时，其输出端会出现200V以上的反向高压，这个电压信号是不能与故障判断电路直接连接的。图1中外接电阻R₁、R₂及稳压管D_W是为了实现这种接口而设计的。稳压管的稳压值应高于MOS电路的阈值电压，低于MOS电路输入端的击穿电压。在故障判断电路异或非门的输入端也设计有保护电路，这样就保证了L上的感应高压不会影响电路的正常工作。本发明电路主要性能参数如下：工作电压12V，24V，开关电流3A-5A，电压恢复比0.99内可调节，允许反压峰值450V。

Claims

1、一种汽车发电机电压调节电路，由采样及开关电路，MOS功率开关T以及故障判断电路、保护电路、闭环连接而成，其特征为所述采样及开关控制电路SS输入信号为发电机输出经整流后提供给用电系统的直流电压(V_D)，其输入控制信号(C)来自保护电路PT的输出端(C)，输出信号(F)连接到MOS开关管的栅极，所述故障判断电路JD的输入信号(F)和(N)分别来自开关管的输入端和输出端采样电阻R₁和R₂的中间抽头，其输出信号(D)连接到保护电路PT的输入端，所述保护电路PT的输入端与故障判断电路JD输出(D)端相连，输出端(C)连接到采样及开关控制电路SS。

2、如权利要求1所述的汽车发电机电压调节电路，其特征为采用及开关控制电路中采样信号（A）和（B）由MOS分压器构成，整形及控制由I₁、I₂、I₃、G₁、G₂门电路及G₃、G₄构成的触发器构成，触发器输出的逻辑信号（F）直接驱动MOS功率开关管T，并送至故障判断电路。

3、如权利要求1所述的汽车发电机电压调节电路，其特征为故障判断电路是一个MOS异或门结构，其输入信号为（F）和（N），输出信号为（D），当（F）≠（N）时，（D）＝“1”，（F）＝（N）叶，（D）＝“0”。

4、如权利要求1所述的汽车发电机电压调节电路，其特征为保护电路由自激振荡器产生连续检测时钟脉冲，利用时钟脉冲的上升沿将（D）信号传送到触发器T₁的输出端，利用时钟脉冲的下降沿将（D）信号传送到触发器T₂的输出端，两触发器输出的非变量经与非门组合成为（C）信号，两D触发器传输的时间差大于MOS功率开关管的上升和下降时间，该电路检测用的连续时钟信号经两级门控制后作为两触发器的时钟信号，当（C）＝“0”时，时钟信号被阻断，只要检测到一次（D）＝“0”，则（C）信号一直保持为“0”，只有在（D）变为“1”，在（S）端输入一个负脉冲后（C）才能恢复为“1”。