基于汽车RVC通信协议的调节器电路设计.pdf

1引言随着人们对汽车性能要求的不断提高，汽车内部用电装置不断增多，汽车耗电量也随之增加了，因此就要求汽车供电系统能够提供一个稳定的电压。汽车的供电系统由汽车的发电机、蓄电池、电压调节器组成。交流电压调节器可以控制交流发电机的输出电压稳定在一定范围内，保证汽车电子设备获得稳定的电源电压以正常运行1。交流电压调节器的技术发展经历了四个阶段，分别为：电磁式电子电压调节器、分立元器件电子电压调节器、电子电压调节器芯片、混合集成电路电压调节器2。由于汽车电子技术的不断进步，汽车电压调节器已经具备了良好的电压调节性能，并朝着集成化方向发展，以提高稳定性及其精确度，也可以减小电路过于复杂带来的不利影响。2电路工作原理汽车供电系统的组成如图 1 所示。在这个系统中，各个组成部分之间是通过并联的方式连接的，这样可以保证某一设备在发生故障时不影响其他设备的正常运行。当汽车启动时，电池被来自发电机的电基于汽车 RVC 通信协议的调节器电路设计陶鑫1，罗源翔2，揣荣岩1，2（1.沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳 110870；2.江苏奥尼克电气股份有限公司，徐州 221132）摘要:汽车用电设备随着汽车电子技术的快速发展不断丰富多样化，为实现更为稳定的汽车供电系统，保证汽车电子设备运行的高效与可靠性，基于对汽车供电系统工作原理的了解，对电压调节器进行集成化改进设计。改进后的电路具有带隙基准源、状态检测、比较器、过流及过热保护等模块。芯片通过接收由车载 ECU 传给调节器的 RVC 信号实现功率控制功能，并通过 RVC 信号控制电压调节器功能模块，使电压调节器的输出电压稳定在 13.8514.15V 之间。经实际性能测试，验证电路功能参数符合预期。关键词：电压调节器；带隙基准源；比较器DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2023.04.008中图分类号:TN402；U463.632文献标识码:A文章编号：1002-2279（2023）04-0026-04Design of Regulator Circuit Based on Automobile RVCCommunication ProtocolTAO Xin1,LUO Yuanxiang2,CHUAI Rongyan1,2(1.School of Information Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China;2.Jiangsu Onic Electric Co.,Ltd.,Xuzhou 221132,China)Abstract:With the rapid development of automotive electronic technology,automotive electricalequipment is constantly enriched and diversified.In order to realize a more stable automotive power supplysystem and ensure the high efficiency and reliability of automotive electronic equipment,based on theunderstanding of the working principle of automotive power supply system,the voltage regulator is integratedand improved.The improved circuit has modules such as bandgap reference,state detection,comparator,overcurrent and overheating protection.The chip realizes the power control function by receiving the RVCsignal transmitted to the regulator by the on-board ECU,and controls the function module of the voltageregulator through the RVC signal,so that the output voltage of the voltage regulator is stable between13.85V and 14.15V.The actual performance test shows that the functional parameters of the circuit meetthe expectations.Key words:Voltage regulator;Band gap reference source;Comparer作者简介：陶鑫（1997），女，吉林省公主岭市人，硕士研究生，主研方向：集成电路工程。收稿日期：2023-04-07微处理机MICROPROCESSORS第 4 期2023 年 8 月No.4Aug.，20234 期力充电，储存的电能可以作为一个额外的能源，为汽车用电系统设备提供电能。发电机的输出电压与发电机自身转速有关，转速升高时，其输出电压也随之增加。汽车发电机在运行时通过改变磁通量产生感应电动势，即产生磁场的转子以一定方式旋转，通过改变定子绕组产生磁通量，从而产生相应的感应电动势3。交流发电机主要是由硅二极管整流器、转子、定子、碳刷等部件组成。电压调节器正是通过控制发电机的励磁电流，来稳定输出电压的范围的。电压调节器稳定输出电压的工作过程为：当汽车未启动时，打开点火开关，发动机不运行。在此过程，没有电流流经发电机、电压调节器和蓄电池，电压调节器的电压取样模块此时并不会采集到交流发电机端的输出电压信号。当汽车启动时，交流发电机开始工作，发电机的转速开始上升，此时蓄电池提供电流给电压调节器。当发电机转动频率过大使电压调节器采集到的电压信号高于设置的标准值时，采样电路将采集到的电压传递给比较放大器中。此信号与基准电压源进行比较，通过比较信息，调整管截止，无励磁电流，L 端输出电压降低。3主要模块设计单元3.1整体设计电子器件在汽车动力电子器件中起着越来越重要的作用，因此对更高可靠性的需求变得越来越明显。这种可靠性必须在对电子器件来说非常严苛的条件下得到保证4。汽车发电机的电源电压在任何情况下都不能被认为是恒定的，而是稳定在一定的范围内5。性能优良的电压调节器可以使发电机的输出电压稳定性更强，使汽车电子设备能够安全地在规定电压范围内工作，设备寿命也会更长。基于集成电路设计的电压调节器的系统框图如图 2 所示。此设计电路系统主要由带隙基准源电路、电压取样电路、比较电路、外接 RVC 通信协议驱动电路、保护电路等模块组成。通过取样电路对电压进行采样，并得到的取样电压与基准电压进行比较输出，将该输出电压通过功率控制模块外接 RVC 进行控制，实现基于 RVC 通信协议的控制功能。3.2带隙基准源带隙基准源可提供基准电压与基准电流，产生的电压与电流具有高度的稳定性和精度，决定了电压调节器的调节精度。通常调节器的工作温度在-25150益之间，因此，设计一个温度无关的带隙基准源对调节器系统来说较为关键6。如图 3 所示为所设计带隙基准源的电路示意图。它的工作原理如下：VCC 为系统电源，其中所有的 NMOS 管都接地，VOUT端为带隙基准源的主要输出端，VNB与 M4、M5管相连接可以产生恒流，因此起到了电流源的作用，基准电压源电路可以同时产生基准电压和基准电流。EN 为低有效的使能信号，M0和 M1构成了反相器。当 EN=1，ENB=0 时，M1导通，M0截止；当 EN=0，ENB=1 时，M1截止，M0导通，M13导通，产生偏置电流，M3不导通，电路中没有电，以此可以达到功耗最低，实现零功耗。3.3比较电路基于反相器为此系统设计出比较电路，如图 4所示。它的具体工作原理如下：当 VP为高电平时，M15为共源接法，此时 B 点为低电平，经过 M5的栅极。M5为共源接法，C 点为图 2电子电压调节器芯片系统原理框图图 1汽车供电系统原理图调节器FBSW+-A电流表 起动机蓄电池FEB用电设备电源启动电路基准电压源采样电路过流过热保护电路预励磁电路比较电路外接RVC驱动电路图 3带隙基准源电路陶鑫等：基于汽车 RVC 通信协议的调节器电路设计窑27窑微处理机2023 年低电平，经过两级反相器，第一级反相器的作用是预放大，第二级的反相器的作用是整形，输出标准的逻辑高电平。当 VN为高电平时，M14为共源接法，此时 A 点为低电平,经过 M0的栅极。M0的漏极为高电平，经过共源接法的 M9，C 点为低电平。M2、M3为正反馈接法，B 点为高电平时，经过共源接法的 M2，A 点为低电平，经过 M3反馈，使 B 为高电平。3.4保护电路由于系统在工作过程中会受到工作环境因素等影响，因此在设计电路时，常常需要设计过压保护电路以及过热保护电路来保证系统的正常工作7。如图 5 所示为该系统的过压保护电路。此模块设计应用了一个 PMOS 管以及一个 PNP 型三极管构成，此外还应用了两个稳压二极管。其工作原理如下：当 VDD 的电压输入在正常范围内，D1此时未被击穿，流经 R1、R2的电流为 0A，Q2的 VBE=0V，此时 Q2处于截止状态，PMOS 管导通。当 VDD 大于正常的输入电压时，二极管被击穿，Q2导通，VCE=0V，此时 Q1的 VGS=0V，POMS 管关闭，电路断开，实现过压保护功能。电压调节器在工作时，通常工作环境温度会很高，在温度过高时，具有自我保护能力显然重要8，因此需要为系统设计过热保护模块电路，如图 6 所示。此模块的主要部分是比较器和一个 NPN 型三级管，以及一个 NMOS 管。比较器的 Vin+端接双极型晶体管 Q1的发射极，Q1的基极接地；比较器的 Vin-端接串联在电路中的电阻 R1、R2；R1、R2串联的另一端接地；NMOS 管跨接在电阻 R1两端，比较器的输出端是此过热保护电路的输出电压。因为三极管 Q1本身的基极和发射极电压具有负的温度系数，温度在正常范围内，允许比较器输出高信号并控制开关管的通断；当三极管的 VBE随着温度的上升反而下降至低于 I2伊（R1+R2）时，比较器输出端 VOUT输出低电平，开关管关闭。4调节器的测试如图 7 所示为汽车电压调节器整体电路接线原理图，图中所用 IC 为功率控制器。测试基于此结构进行。电压调节器芯片共有 6 个端口，具体为：B 端：与发电机和蓄电池正极并联，芯片通过蓄电池进行供电而工作，同时检测发电机的输出电压；IG 端：接点火开关；L 端：接充电指示灯，在本设计中 L 端也接由车载 ECU 给的信号（RVC）；E 端：接地端；F 端：接磁场绕组；P 端：三相绕组输出端。对所设计调节器进行静态测试。测试选用维特利尔公司的 VRC2010 搭配示波器实现。当 E、F、B+接线时，调节器不工作；当 E、F、B+、P1、P2接线，在频率为 150Hz 时，调节器不工作；当 E、F、B+、P1、P2接线，在频率是 450Hz 时，调节器工作，此时 FR 端波形和 F 端同相，频率相同，皆为 121Hz，占空比为36%。L 端接 VRC2010，得到 L 端和 FR 端测试数据，结果如表 1 所示。图 4比较电路图 5过压保护电路图 6过热保护电路VDDVOUTR1R2Q2R3D2Q1R4D1I1I2R1R2Q1M1VOUTVin+Vin-窑28窑4 期L 端外接手掌式 RVC 时，测试数据如表 2。可见各参数皆满足使用需求，符合设计预期。5结束语基于汽车 RVC 通信协议改进了电压调节器的芯片电路设计。相比于以往的电压调节器增加了功率放大模块、保护模块、比较模块等多种功能。车载ECU 传递的 RVC 信号通过功率放大模块来实现对汽车发电机的输出电压以及占空比的调制。电路系统通过实际测试，实现设计功能，性能有明显提高。参考文献：1韩兆东,张晓民,揣荣岩.带 LRC 功能的汽车发电机电压调节器芯片设计J.微处理机,2016,37(4):12-15.HAN Zhaodong,ZHANG Xiaomin,CHUAI Rongyan.De-sign of voltage regulator for automobile generator based onLRCJ.Microprocessors,2016,37(4):12-15.2王锐.高性能单片集成汽车电压调节器研究与设计D.贵阳:贵州大学,2018.WANG Rui.Research and design of high performance mono-lithic integrated vehicle voltage regulatorD.Guiyang:Gui-zhou University,2018.3刘晓雪,赵宝平.汽车交流发电机工作原理与工作特性J.汽车维修,2017(4):45-47.LIU Xiaoxue,ZHAO Baoping.Working principle and cha-racteristics of automobile alternatorJ.Automobile Mainte-nance,2017(4):45-47.4罗展清.CMOS 汽车电子电压调节器D.贵阳:贵州大学,2008.LUO Zhanqing.CMOS automotive electronic voltage regu-latorD.Guiyang:Guizhou University,2008.5MENNITI P,PELLEGRINI F,SERAGNOLI G.A new vol-tage regulator protects the automotive electronicsJ.IEEETransactions on Consumer 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设定电压/V12.513.014.515.851%12.413.014.58%耀17%25%15.059%14.915.515.567%13.513.534%14.014.041%表 2L 端接手掌式 RVC陶鑫等：基于汽车 RVC 通信协议的调节器电路设计窑29窑