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收稿日期:1998-08-19.刘三清,男,1946年生,副教授;武汉,华中理工大学电子科学与技术系(430074).PWM 型数/模混合电压调节器芯片电路设计刘三清 罗 娟 徐维锋 应建华(华中理工大学电子科学与技术系)摘 要 给出了一种新型的汽车电压调节器电路结构.该电路的电压调节功能由脉宽调制过程实现,电路芯片的设计采用双极模拟/I 2L 数字混合结构.通过闭环仿真模拟验证了电路原理的正确性,在模拟分析的基础上,对芯片电路的工艺设计和版图设计进行了讨论.关键词 脉宽调制;集成注入逻辑;电压调节器;版图设计分类号 T N 402 电压调节器对汽车发电系统输出电压的稳定起着非常重要的作用[1].为此,国内外有关人员对新型电压调节器的研究和开发十分重视.PWM 型集成电路电压调节器的技术关键在于:a .电压调节PWM 方式的实现;b .较大驱动能力的实现;c .自保护功能的实现;d .芯片电路耐高压的实现.在研究分析国外有关技术的基础上,进行了PWM 数/模混合结构电压调节器芯片电路的设计.所设计的电路除了具有良好的电压调节性能外,还具有高低压判断与保护,过压过流吸收等功能,芯片电路既可驱动功率MOS 器件,也可驱动双极达林顿功率器件.1 电压调节系统的构成电压调节系统功能如图1所示,其中芯片电路由振荡单元OSC ,稳压单元VSB ,逻辑单元I 2L图1 电压调节系统框图IC ,电阻网络RA ,分析比较单元CPA ,基准电压单元REF,前置驱动单元DRI,过压吸收单元OVA,高低压保护单元HLP 以及低压判断单元LVJ 等功能块构成.在芯片电路外部,R s1,R s2和R s3为片式采样电阻,B 为蓄电池,T 为开关功率器件,GNR 为发电机.电路工作原理简述如下.汽车启动时,发电系统开始工作.采样电阻R s2和R s3的分压V +经低压判断而直接开启激磁开关功率器件T ,激磁电流导通,发电机开始发电,V 上升.V 上升到一定程度,在过压吸收单元的作用下,V +被稳定于约9.5V 电压值,此时T 的基极由I 2L 逻辑电路控制的p 点逻辑综合信号控制.在正常工作的情况下,p 点信号为PWM 信号,该信号通过前置驱动单元控制开关器件的开通与关断.p 点电压还受高低压保护单元输出状态的控制,当发电系统出现抛负荷或蓄电池亏损等现象时,系统会出现过压或欠压状态,此时高低压保护单元的输出使p 点进入低电平状态,截断激磁电流,以保证系统的安全.振荡单元、I 2L 单元、比较单元、基准电压产生单元以及电阻网络是构成PWM 功能的核心部分,其中振荡单元产生一个频率为12kHz 左右的方波信号,该信号经I 2L 逻辑单元处理,产生两路信号,一路为逻辑组合信号,与电阻网络及基准电压共同构成阶梯基准信号;另一路为七级分频信号,与比较单元的输出一起在p 点构成频率为100H z 左右的PWM 信号.比较单元主要是用于对采样信号与阶梯参考信号进行比较,结果作用于I 2L 单元.高低压保护单元的信号也要通过比较单元产生保护作用.2 PWM 形成原理图2用来说明PWM 信号的形成.图2(a)第27卷增刊(Ⅰ) 华 中 理 工 大 学 学 报 Vo l.27 Sup.Ⅰ1999年 11月 J.Huazho ng U niv.o f Sci.&T ech. No v. 1999 (a)(b)图2 PW M工作原理为原理图,其中运算放大器对采样输入V3与阶梯基准电压V2进行比较,比较结果经放大器整形后用于触发I2L R-S触发器.I2L触发器的S端输入为I2L分频器与组合电路给出的约100Hz负向窄脉冲信号V1,V1对触发器每触发一次,p点被置于高电平状态,启动激磁电流.V p的下跳时刻则取决于比较器的输出.当V3超出V2时,R-S触发器被置于低电平,中止激磁电流.对于汽车发电系统来说,其发电输出电压的变化不仅取决于激磁电流,而且与汽车工况有关.当汽车发电系统处在低速重负荷状态时,输出电压上升缓慢;而在高速轻负荷时,输出电压上升较快.图2(b)中t0-t1和t2-t3两区间V3的变化反映了这个规律.图2(b)中V2是与周期激磁脉冲V1同步的阶梯参考电压.显然,对于低速重负荷和高速轻负荷两种情况,V3和V2相交的时刻处在不同的阶梯上,相应地激磁信号V p持续期不相同,也就是说,对于低速重负荷情况激磁信号脉宽变宽,而高速轻负荷时脉宽变窄,PWM信号得以产生.而正是由于激磁脉宽的调节,实现了对发电电压的调节.在传统的电子电压调节系统中,参考电压采用的是恒定的电压.这种调节方式中,调节频率是随着发电机的工况的变化而剧烈变化的.一般来说调节频率可从零Hz变化到数百Hz.这不仅给用电系统的电源处理造成困难,而且在低速重负荷工况下,电压指示也会出现明显的摆动.采用PWM方式可克服这些缺点.而且由于引入了数字工作方式,有利于芯片的进一步智能化处理.3 阶梯参考电压产生与PWM脉冲形成电路 由于汽车中恶劣的工作环境,特别是发电机系统的过压冲击现象对芯片电路的耐压能力有较高的要求.电路设计中虽然采取了多种保护措施,但仍要求电路能承受数十V的冲击.因此该芯片采用耐压能力较强的双极结构,其中数字处理部分则采用双极I2L结构.I2L结构阶梯参考电压产生与PWM脉冲形成电路的逻辑图如图3所示.图3中,R1,R2和R3及R a1～R a6构成电阻网络,其图3 I2L逻辑图中R a1～R a6为一组比例电阻,它们一端连接于公共点A,另一端分别与I2L逻辑门相连.由于I2L 的逻辑输出“1”相当于开路,逻辑“0”相当于对地短路[2],当有关I2L逻辑门输出呈现某一规律的变化时,A点到地之间的等效电阻发生阶梯规律变化.这种变化与R1,R2和R3的共同作用,产生阶梯参考电压.R-S触发器由G1和G2构成.其S 端触发信号由T0～T6七级分频组合而成.R端触发信号由比较输出信号V4通过G3组合而成,G3的逻辑组合作用主要是为了产生窄的触发信号.图3所示的逻辑图只是I2L电路的等效逻辑,图4给出了与图3中三与非门和R-S触发器对应的I2L电路形式.(a)(b)图4 三与非及R-S触发器的I2L形式4 电路系统的闭环模拟电路设计中除了对各电路单元进行了分析模27增刊(Ⅰ) 刘三清等:PW M型数/模混合电压调节器芯片电路设计 图5 闭环仿真模拟电路拟外,还进行了电路系统的闭环工作仿真模拟.闭环仿真模拟采用的电路结构如图5所示.图中,当V p 为高电平时,T 1和T 2导通,V +通过R c 对等效于蓄电池的电容C b 充电,这个过程用来模拟激磁电流开通时的发电机发电过程.发电状态可由充电电压V ++和充电回路时间常数模拟.当V p 为低电平时,充电回路断开,并联于C b 的电阻R L 将消耗能量而使C b 上的电压下降,R L 用来模拟发电系统的负载.利用PSPICE 分析得到的闭环工作仿真模拟结果如图6所示.模拟分析表明,当采样电压较低时,激磁PWM信图6 PW M 电压调节作用的闭环仿真模拟□V (136) ○V (111)号脉宽较宽,随着电压逐渐上升,脉宽趋于一恒定值,此时调节电压将稳定在某一数值上,根据该电路的要求,调节电压设置为14.4V.在稳定状态下,采样电压的波动约4mV,相应地调节电压的波动约为数十mV .另外,通过设置不同的V ++,R c 和R L ,对不同的发电系统工况进行模拟,结果表明,在高速轻负荷和低速重负荷两种条件的稳定状态下,PWM 脉冲占空比变化为5%～100%,其转速特性和负荷特性均满足要求.5 工艺设计与版图设计工艺和版图设计主要考虑的问题有:a .电路应有较高的耐压性能,在50V 过冲电压下不应损坏;b .模拟电路中对许多器件有较高的要求,特别是差分放大器的镜像电流源、温度补偿参考电压源等电路相关的晶体管、电阻参数有较高的精度和严格对称性的要求;c .应兼顾模拟电路和I 2L 数字电路的性能.为此,在工艺上通过采用较大的外延层厚度,较低的外延层浓度,较大的扩散结深来实现电路的耐压性能[3,4],通过分别采用扩散及离子注入两种不同的方式来制作具有不同参数性能要求的电阻.在版图设计上,为适应高耐压的要求,选用了最小尺寸为6 m 的设计规则,并选用不低于16 m 的隔离槽与器件图形的距离,通过几何对称和热对称设计来满足部分器件的高对称性和高精度的要求.另外,对于一些对电路性能有重大影响的器件,如与振荡器中充放电恒流源有关的器件、对温度性能有严格要求的参考电压源的相关器件以及I 2L 电路中多扇出器件,则通过精细的性能模拟分析与尺寸优化来设计.参考文献1 张岳生.现代汽车电子的应用及发展趋势.汽车电器,1996(1):5～72 Bo w er s.Electr onics Cir cuits for a V o lt age R egulatorof an Electro nics G enerato r.U nited St ate Patent 4,800,291,1989.3 Elmar y M I.Dig ital Bipo lar Integr ated Circuits.NewYo rk:Jo hn W iley&Sons,1983.4 沈文正,李荫波,胡骏鹏等.实用集成电路工艺手册.北京:宇航出版社,1989.A Design of Bipolar Digital /Analog Hybrid IC Chipfor PWM Voltage RegulatorLiu Sanqing Luo J uan X u W eif eng Ying J ianhuaAbstract A new ty pe of vo ltag e regulato r cir cuit is proposed .Pulse width modulate (PW M )metho d is used to adjust the vo ltag e,and the circuit is form ed by bipolar analog circuit combining w ith digital circuit of integrated injection log ical.T he circuit is v er ified by sim ulation in clo sed lo op.On the basis of circuit simulations,the processing and layo ut design is discussed.Keywords PWM ;integ rated injection logical (I 2L );vo ltag e regulator ;simulation desig nLiu Sanqing Assoc.Pr of.;Dept.of Electronic Sci.&T ech.,HUST ,W uhan 430074,China.28 华 中 理 工 大 学 学 报 1999年。
调压器的工作原理
调压器的工作原理是通过改变电路中的电阻或电感来调节电压的稳定性。
常见的调压器有线性稳压器和开关稳压器。
线性稳压器是基于串联稳压原理的，通过内部的稳压电路来实现电压的调节。
当输入电压发生变化时，线性稳压器通过将过剩的电压通过电阻来消耗，从而使输出电压保持稳定。
开关稳压器则是基于开关原理来实现电压调节的，通过开关不断开关来将输入电压转换成脉冲信号，然后再经过滤波电路转换为稳定的直流电压输出。
开关稳压器因为能够高效地转换电压并具有较高的功率密度，被广泛应用于需要高效率、高功率输出的场合。
无论是线性稳压器还是开关稳压器，调节电压的任务都是通过控制电路中的电阻或电感来实现的。
线性稳压器通过调节可变电阻来改变电路中的阻抗，从而改变电路输出的电压；而开关稳压器则通过改变开关的开关频率来控制输出电压的大小。
总的来说，调压器的工作原理是通过调节电路中的阻抗来实现对输入电压的调节，从而实现输出电压的稳定性。
通过不同的原理和调节方式，调压器能够适应不同的需求和应用场景，并为电路提供稳定的电压供应。
调压器工作原理
调压器是一种电子电路，用于将输入电压稳定到目标输出电压。
它可以根据所需的电压差异来调整输入电压，以便输出电压保持恒定。
调压器的工作原理基于负反馈机制。
通常，调压器由一个比较器、一个误差放大器和一个功率驱动器组成。
首先，比较器将目标输出电压与实际输出电压进行比较。
如果实际输出电压高于目标输出电压，比较器将产生负反馈信号。
这个信号经过误差放大器放大后，被送回到调压器的输入端。
误差放大器根据负反馈信号的大小来产生一个控制信号，它将改变调压器的增益。
如果实际输出电压过高，误差放大器将减小调压器的增益，使输出电压降低。
相反，如果实际输出电压过低，误差放大器将增加调压器的增益，使输出电压提高。
调压器的功率驱动器负责控制输出电压的实际变化。
它使用升降压技术来适应输入电压的变化，并确保输出电压始终保持在目标范围内。
功率驱动器通过开关管或晶体管来调整电源的电压，从而实现电压调整。
综上所述，调压器通过负反馈机制，根据目标输出电压和实际输出电压之间的差异来调整输入电压，以保持输出电压的稳定性。
这种工作原理使得调压器在各种电子设备中得到广泛应用，如电源适配器、手机充电器、稳压电源等。
调压器的原理
调压器是一种电子器件，用于稳定输出电压。
它基本上由三个主要组成部分构成：参考电压源、误差放大器和功率放大器。
参考电压源通常是一个稳定的直流电源，其输出电压被设置为所需的输出电压。
误差放大器将输出端的电压与参考电压进行比较，并产生一个误差信号。
误差信号表示输出电压与参考电压之间的差异。
误差放大器的输出信号经过放大之后，被馈送到功率放大器。
功率放大器具有较高的电流、电压处理能力，可以提供稳定的输出电流。
调压器的工作原理是通过不断调整输出电压，使其等于参考电压。
当输出电压低于参考电压时，误差放大器会产生一个正的误差信号，将其传递给功率放大器。
功率放大器会增加输出电压，直到输出电压等于参考电压。
反之，当输出电压高于参考电压时，误差放大器会产生一个负的误差信号，将其传递给功率放大器。
功率放大器会减小输出电压，直到输出电压等于参考电压。
通过不断调整输出电压，调压器可以实现稳定的输出电压，使其不受输入电压和负载变化的影响。
这使得调压器在电子设备中被广泛应用，例如电源适配器、电池充电器等。
电子调压器原理
电子调压器是一种通过电子技术实现电压调节的装置。
它的工作原理是通过控制电路中的电子元件，调整电压的大小，以达到所需的输出电压值。
电子调压器通常由三部分组成：主控制器、整流器和滤波器。
主控制器负责监测输入电压的大小，并根据需要调节输出电压的大小。
整流器将交流电转换为直流电，并将其提供给滤波器。
滤波器的作用是平滑电流，使其更接近于直流电，并去除可能存在的杂波和噪音。
在工作过程中，主控制器通过监测输出电压的大小，并与设定值进行比较，来判断是否需要调节输出电压。
如果输出电压过低，则主控制器会增加电流的流动，以提高输出电压；如果输出电压过高，则主控制器会减少电流的流动，以降低输出电压。
为了实现精确的电压调节，电子调压器常常还会采用反馈控制技术。
通过将输出电压与设定值进行比较，产生一个误差信号，并将其送回到主控制器，以校正输出电压。
通过不断的反馈和调节，电子调压器能够快速、准确地维持输出电压的稳定性。
总的来说，电子调压器通过监测和调节电流来实现对电压的精确控制。
它具有调节范围广、响应速度快、稳定性高等优点，被广泛应用于各种电子设备和电力系统中。
调压器的工作原理
调压器是一种常见的电气元件，它在电路中起到了调节电压的重要作用。
它的
工作原理是通过控制电路中的电阻或电感来实现电压的稳定，从而保护电器设备不受电压波动的影响。
下面我们将详细介绍调压器的工作原理。
首先，我们来了解一下调压器的基本结构。
调压器通常由电阻、电感、晶体管
等元件组成。
其中，电阻和电感是调压器中最基本的元件，它们通过对电路中的电流进行调节，从而实现对电压的调节。
而晶体管则可以通过控制电流的大小来实现对电路中电阻或电感的调节，从而间接实现对电压的调节。
在实际的电路中，调压器通常被用来保护电器设备不受电压波动的影响。
当电
路中的电压波动时，调压器会自动调节电阻或电感的数值，以使电路中的电压保持在一个稳定的范围内。
这样一来，就可以有效地保护电器设备不受电压波动的影响，从而延长其使用寿命。
此外，调压器还可以用来实现对电路中电压的精确调节。
通过对调压器中的元
件数值进行精确的设计和调节，可以实现对电路中电压的精确调节，从而满足不同电器设备对电压的不同要求。
这对于一些对电压要求比较严格的电器设备来说，尤为重要。
总的来说，调压器的工作原理是通过控制电路中的电阻或电感来实现对电压的
调节，从而保护电器设备不受电压波动的影响。
它在电路中起着非常重要的作用，不仅可以保护电器设备，还可以实现对电路中电压的精确调节。
因此，在电路设计和电器设备使用中，调压器都是一个非常重要的元件。
220v电压调节器怎么调压的在我们的日常生活中，电压调节器是一个非常重要的电子设备。
它可以帮助我们调节电压，确保电器设备能够正常运行。
那么，针对220v电压调节器，我们应该如何正确地进行调压呢？首先，我们需要了解一下220v电压调节器的工作原理。
它通过控制电流来调节电压输出的稳定性。
这是通过一个内置的稳压元件实现的，它会对输入电压进行采样，并通过一定的算法计算出输出电压稳定在所设定的范围内。
接下来，我们需要明确调节电压的目的。
通常来说，调节电压的目的有两个：保护设备和节能。
对于一些敏感的设备，过高或过低的电压都可能会造成损坏，因此调节电压可以有效地保护设备的安全运行。
另外，电压过高也会导致能源的浪费，而适当降低电压则可以节约能源，减少能源消耗。
那么，我们要如何具体进行调压呢？首先，我们需要找到220v电压调节器上的调压旋钮。
通常，这个旋钮会被标注为“Output”或“VOLTAGE”，可以通过它来进行电压的调节。
在调节之前，我们需要先了解一下我们的设备对电压的要求。
一般来说，设备上会有标注电压范围的信息，我们需要确保调节器的输出电压在这个范围内。
接下来，我们可以插入220v电源，并将需要调节的设备连接到调节器的输出端口。
然后，我们可以打开电源并开始进行调节。
开始调节之前，我们可以先将旋钮转到最低位，然后慢慢向上旋转，观察设备是否正常运行。
当设备正常运行并稳定后，我们可以停止旋转并将旋钮锁定在这个位置。
需要注意的是，在调节电压的过程中，我们应该遵循一个原则：小心谨慎。
在调节之前，我们需要确保自己的安全，避免触及高压部分，以免发生意外。
此外，调节电压过程中也需要耐心，因为有时候电压的变化可能需要一段时间才能体现出来。
因此，在调节完之后，我们需要给设备一定的时间来适应新的电压环境。
总之，220v电压调节器的调压并不是一件很复杂的事情，只要我们掌握了正确的方法和原理，就可以轻松地进行调节。
调节电压不仅可以保护设备的安全运行，还可以帮助我们节约能源，减少能源消耗。
题目第二章发电机好好学习天天向上，每天进步一点点，做终生汽车维修人！Contents Page目录页发电机9.交流发电机的分类（1）按结构分类1）外装电压调节器式交流发电机在载货汽车和大型客车上应用较普遍,如东风EQ1090型载货汽车使用的JF132型交流发电机,解放CA1O91型载货汽车使用的JF1522A型交流发电机等。
2）整体式交流发电机（内装电压调节器式）内装电压调节器式交流发电机多用于轿车,如一汽奥迪、上海桑塔纳等轿车用JFZ1913Z型交流发电机。
3）带泵交流发电机带泵交流发电机多用于柴油车,在发电机后端带有真空制动助力泵,如图2-1所示交流发电机。
（3）按装用的二极管数量分类1）6管交流发电机其整流器由6只硅二极管组成,这种型式应用最为广泛,如东风EQ1090车使用的JF132型、解放CA1O91型车使用的JF1522A、JF152D型交流发电机等。
2）8管交流发电机指具有两个中性点二极管的交流发电机,其整流器总成共有8只二极管,如天津夏利TJ71OO，微型轿车所用的JFZ1542型交流发电机。
3）9管交流发电机指具有三个励磁二极管的交流发电机,其整流器总成共有9只二极管,如北京BJ1022型轻型载货车用的JFZ141型交流发电机。
4）11管交流发电机指具有中性点二极管和励磁二极管的交流发电机,其整流器总成共有11只二极管。
如东风EQ1118载货车用JFW2621型发电机、桑塔纳轿车所用的JFZ1913Z型交流发电机。
5）大众辉腾12管水冷交流发电机，恒定输出190A的电流。
短期峰值输出可达300A。
发电机包含被一个转子绕组激励的6个定子绕组如图2-3、2-4所示。
11.定子总成结构定子总成也称电枢,是由铁芯和三相绕组组成,它的作用是产生和输出三相交流电。
定子槽内置三相对称绕组,每相绕组匝数相等,彼此相差120°相位角度。
三相绕组的一端共同连接在一起,形成发电机的中性点。
摘要：直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。
本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。
此设计利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流晶闸管调速系统。
该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。
该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。
关键词： 直流电机 晶闸管 直流调速系统 ACR ASR 双闭环系统一、设计题目V —M 双闭环直流调速系统二、目的意义：本课程设计是自动化专业学生在学完专业课程“拖动控制系统”之后进行的一个实践性教学环节。
通过此环节，使学生能结合已完成的基础课、技术基础课和部分专业课对“拖动控制系统”课程的主要内容进行较为综合的实际运用，进一步培养学生应用已学到的理论知识来解决实际工程设计问题，并为毕业设计奠定基础。
双闭环拖动控制系统是工业生产中重要的拖动控制系统，应用很广泛，也是其他复杂控制的基础。
本专业学生应充分掌握双闭环控制系统的结构、系统构成、设备及器件选择、参数整定计算以及绘制系统电路原理图等内容，并且初步掌握设计的方法和步骤，同时增强独立查阅资料、分析问题和解决问题的能力以及刻苦钻研的工作作风。
本设计以直流电动机为被控对象，设计一套双闭环无静差拖动控制系统。
三、电动机参数和设计要求直流电动机参数：KWP N 28=，VU N 220=，AI N 136=，min/1460r n N =，Ω=2.0a R 。
