参考文献
第10章 汽车电源系统
10.1 汽车电源系统概述
在汽车电气系统中，电源是主要组成部分之一。一切由其他形式的能转变为电能的所有转换设备都叫电源。最常用的电源有两种形式：一种是由机械能转变为电能的电源；另一种是由化学能转变为电能的电源。汽车发电机就是一种由机械能转变为电能的电源；而汽车蓄电池就是一种由化学能转变为电能的电源。
汽车电源有两种供电形式：一种是交流电源，一种是直流电源。直流电源是指电源的极性和电压高低都不随时间变化的电源，比如汽车上的蓄电池。而汽车上常用的硅整流发电机，在未经整流前就是交流电源。因为在未经晶体二极管整流前，电源的极性和电压的高低都是随时间变化的（而经过整流后就变成直流了）。目前，在汽车上常用的多数都是直流电源。汽车电气系统的标称电压有12V、24V两种，汽油发动机汽车普遍采用12V，柴油发动机汽车多数采用24V。12V、24V电气系统的额定电压分别为14V和28V。采用低压电力系统的主要优点是安全。
汽车上虽然装有蓄电池，但存储的电能非常有限。比如起动发动机时，要消耗蓄电池大量电能，若不及时对其进行补充充电，就不能满足汽车上不断增多的用电设备的需求，也就很难保证汽车的频繁起动与正常运行，可以说发电机是汽车电气系统的主要电源。发电机的作用是将部分机械能转变成电能向除起动机以外的所有用电设备供电，并及时对蓄电池进行补充充电。长期以来，汽车上采用的是直流发电机，由于靠整流子换向的直流发电机已不能适应现代汽车的要求，而逐渐被交流发电机所取代。交流发电机的采用，是汽车电器的一大突破，它始用于20世纪50年代，当今世界发达国家均已在汽车上普遍采用硅整流交流发电机，我国也从70年代开始使用，并已迅速普及。
汽车上的供电系统指给用电设备产生、分配和传递电能装置的总称。它包括发电机、蓄电池、电线束、开关及继电器等。对供电系统的主要要求是：在车辆各种使用工况条件下，均能可靠地保证向用电设备供电；各零部件必须符合汽车电气设备基本技术条件及其专门技术条件的要求。
如今，大量的高新技术在汽车上的广泛采用使得汽车上的电气电子装置愈来愈多，如空调、电子燃油喷射系统、自动换档变速器、电动转向、中央控锁系统、自动导航系统等设备。随着车辆级别和内部配置的不同，电气和电子元件现已占整车成本的10%～30%，并且将在今后5年内再增加10%。汽车电控技术不断发展和智能化的发展趋势，使得汽车电子附件所占的比例和相应的耗电量大幅度提高。据统计，目前每辆汽车的平均耗电需求已经由20世纪70年代的500W以下发展到当今的950W以上，平均每10年增加10%～15%。因此，如何提供足够的电力以保证所有电气系统的可靠工作，已经成为新一代汽车电源发展和设计的重要课题。
三相交流发电机的转子由发动机通过皮带驱动旋转而发电的，由于交流发电机转子的转速变化范围非常大，使发电机输出电压变化较大，因而无法满足汽车设备的用电要求。同时当车辆电器负载发生变化时，发电机输出电压也将发生变化。为了使用电设备工作电压稳定。交流发电机必须配有电压调节器。电压调节器工作原理是将定子线圈中的交流电流经二极管整流后送到电压调整器中，电压调整器产生控制信号，控制交流发电机转子励磁电流的大小，继而调节磁场强度来控制发电机的输出，使输出电压在发动机所有工况下保持稳定，并防止蓄电池过充电。
体积小而输出功率大是汽车交流发电机的一个重要发展趋势。为了减轻重量和减少体积，提高输出功率，必须提高电动机转速，而致使发电机大量发热温度升高，因此需要改善电动机的散热条件。在传动方面，减小发电机皮带轮的直径，提高发动机与发电机之间的传动比。传动比的提高，即在发动机转速不变的前提下，提高了发电机的转速，从而提高了发电机的输出。在整流电路方面，具有齐纳特性的雪崩型整流二极管逐步取代了普通的整流二极管，其在反向电压超过一限定值时自动击穿，并在一定的范围内能够恢复的特性，使车用电子设备获得了更为有效的保护。
10.1.1 国内外在传统汽车电源方面的改进
汽车电源由发电机和蓄电池组成，其改进的主要方向有：①提高发电机的输出功率和效率；②提高汽车电路电压；③将起动机和发电机改装成一个总成（起动-发电机）；④改进车用蓄电池的性能。当然，一个发展方向不能解决所有的问题，但是有利于解决其他问题。
1.提高发电机的输出功率和效率
汽车上曾采用靠换向器换向的直流发电机，在换向过程中，电刷与换向器之间容易产生火花，引起换向器与电刷的磨损。并且随着发电机转速的提高，磨损越来越严重，已不能适应现代汽车的要求，被交流发电机逐步取代。交流发电机由发动机驱动，工作在变转速状态，高低速变化范围可达5～10倍。现代交流发电机都存在着效率不高的问题，一个典型Lundell爪极转子发电机效率大约只有50%。这意味着要用大约6kW的功率来驱动交流发电机，而输出只有200A的电流（3kW的功率）。因此如何提高发电机的输出功率和效率是当今许多学者研究的问题。目前采用的措施如下：
（1）采用双风扇内装式冷却方式
发电机采用双风扇内装式冷却方式，工作时通风量大，散热效果好，从而提高了发电机的输出功率。韩国大宇公司的9A20型发电机，就采用了这样的结构。
（2）采用多齿V形钢板旋压皮带轮
多齿V形皮带轮是一种经冷锻旋压而成的皮带轮，质量轻，强度大，传动效率高。它可以较好地解决发电机高速运转时皮带打滑、滑磨、损坏问题，提高发电机的输出功率。
（3）发电机与调节器一体化（调节器内装）
相比稳定性较差、传输系数小、调节值不稳定、噪声大的电磁式调节器而言，集成调节器适用性更强，可靠性更高，调节电压更稳定。调节器和发电机成为一体，减少了汽车上的布线和损耗，同时减少了故障点，发电机功率可提高5%～10%。
（4）整流器性能更加完善
方法一是加装中性点二极管。整流器在六管的基础上加装两只中性点二极管即八管整流发电机，其目的是充分利用作星形联结的发电机中性点电压，以提高其输出功率。实践证明当发电机转速超过2000r/min时，中性点3次谐波便可被整流输出，其输出功率可提高10%～15%。方法二是采用齐纳特性二极管。这种特性的二极管具有防止产生过电压的特性，减少对车上用电设备的干扰。
（5）汽车发电机无刷化、永磁化
结构同爪极式有刷发电机大致相同。由于省去了电刷和集电环，因此工作中无火花，减少了电磁干扰。转子的质量轻，转动惯量小，有利于转速的提高，从而有利于发电机输出功率的提高。另外，国外已将永磁发电机作为新一代的汽车发电机，它采用磁钢代替励磁绕组，转子直径大为减小，质量大为减轻，完全取消电刷，既提高了效率又提高了可靠性。但永磁发电机的生产成本较高，另外，电压调节的技术还不够成熟。
2.提高汽车电路电压
提高现在的汽车用电电压，即从现在的12V增至24V。电压升级主要有两种实施方案，一种是全车42V单电压方案，汽车发电机工作电压是42V，蓄电池电压是36V；另一种是12/42V双电压方案，采用一组36V和一组12V蓄电池。
（1）42V电气系统的采用
在保证汽车电气线路电流不变的情况下，可以大大提高汽车用电设备的供电量，为汽车使用更多的电器设备提供了可能。随着42V电气系统的采用，汽车上许多传统的机械系统和液压系统将逐步被电气系统所取代，提高车辆的系统效率，降低燃料的消耗。但是在42V电气系统中，由于系统电压的提高，一些新的问题需要解决。因为电压越高，电源线两极相碰短路产生的电弧火花越大，危险也越大，所以绝缘和保险设置的标准需要重新制定。另外，车上所有的电气部件像蓄电池、发电机、起动机、灯泡、仪表等都需重新设计。由于涉及产品技术改造的范围广，必然会加大成本。因此，采用单一42V电源系统可能需要一个较长的时期。
（2）双电压方案
将汽车电器与电控装置根据耗电大小分为两组，传统电器及部分电器装置（如照明、信号、仪表板等）功率不大，采用14V供电；功率较大的电器装置（如冷却风机、电气悬架、电磁阀驱动电器等）采用42V电压供电。14/42V双电压方案需要12V及36V两个蓄电池组，因而增加了车辆附加承载，占用更大的空间及增加造价。另外，DC/DC变换器产生的电磁干扰、高电压瞬态现象及抑制控制方法、双电压电气系统在车辆运行时的功率流向及分配等问题尚未解决。概括而论，目前42V电源技术仍处于研发和试用阶段，尚未得到推广使用。
3.起动—发电机
由德国西门子公司技术开发部门研制的建立在带磁场定向控制的异步电动机基础上的起动—发电机即将进入批量生产，其最大功率可达8kW，发电效率在整个工作转速范围内高达80%以上。相比之下，传统的发电机功率一般为1.5kW，最大效率为70%，而且效率在高转速下还将下降近30%。该起动—发电机的结构非常紧凑，体积小，可直接安装在发动机和变速器之间的曲轴上。该系统即使在低转速下也能输出较高的功率，这样一些舒适性用电装置，如座椅加热器和后窗刮水器就无需短时间的断开。此外，系统的能量转换采用无刷装置，因而起动—发电机的工作耐磨损、免维护。但从经济因素考虑，采用新的起动—发电机仅仅是取代现在相对来说功率较小的1.5kW的发电机是没有意义的。它须建立在42V车用电气平台上，才能为未来汽车上新的、更强大功能的用电装置提供所需要的能量。如上所述，采用42V电源系统需要一个较长的时期，因而起动—发电机的大批量应用相应地也会推迟。
4.改进车用蓄电池的性能
汽车蓄电池的主要性能指标是比能量、比功率和使用寿命等，特别是比能量是衡量蓄电池的标准。美国福特公司认为，轿车所用的蓄电池，如果质量减轻1kg，每加仑汽油可多跑3.5km，由此可见，蓄电池的比能量对汽车行程的影响很大。目前绝大多数汽车上使用的都是铅酸蓄电池。铅酸蓄电池已有100多年的历史，20世纪70年代以后，铅酸蓄电池向免维护方向发展。免维护汽车蓄电池不漏电解液，不排酸雾，是一种安全清洁的车用电池。它体积小、质量轻，在车上的安装姿态不受限制。铅酸蓄电池可靠性好、原材料易得、价格便宜，比功率也基本上能满足汽车的动力性要求。但它有比能量低（40～50W·h/kg）、使用寿命短、使用成本高、充电速度慢、对环境污染严重等缺点。
随着汽车电器设备用电量的增加，为了适应新型车的需要，蓄电池向着增大电荷量、提高起动性能、提高可靠性和使用寿命、增加比能量的方向发展。当前研究开发的蓄电池有很多种，如镍镉电池、锂离子电池、镍金属电池、锌空气电池等等。
10.1.2 利用内燃机废气能量发电的汽车电源系统
虽然国内外对汽车电源系统作了不断的改进，但是改变不了一个本质问题：传统的汽车电源系统的发电机部分是通过曲轴与发动机相连接的，由发动机直接驱动，因此发电机的运转消耗掉一部分有效功，而汽车发动机燃料燃烧所产生的能量仅有1/3左右转化为有效功，从而使能源的利用率进一步降低。而且发电机的输出受车辆运行工况的影响较大，尽管有电压调节器的调压作用，它也只是把输出电压控制在一个范围内，不可能稳定在一个恒压。特别是在城市公交车辆的运行中，由于道路环境条件的限制，公交车辆在城市道路运行低速时间长，停靠站多，从而使发电机发电不足，不能给蓄电池充电。因此这种情况下蓄电池亏电严重，严重影响其使用寿命，加大运行成本。因此，近几年来，国内外部分学者对如何利用发动机的废气能量发电来部分或者完全取代传统的汽车电源模式产生了浓厚的兴趣。调查研究表明汽车发动机燃料燃烧所产生的能量除1/3的有效功率外，其余的约有1/3通过冷却介质带走，近1/3随尾气排入大气。排气余热的特点是温度高，排气阀门处的温度为400～500℃（柴油机）或约600℃（汽油机）；尾气带走的热量占燃烧总热量的25%～45%（柴油机）或30%～40%（汽油机），并且具有较高的速度和压力。因此利用废气能量发电成为一个可行方案。据有关资料，一般可以利用的废气能量为燃烧总热量的16%左右。
针对现有技术和装置存在的能量转换效率不高、实施过程困难、用途单一、使用面窄等突出缺点，一种全新的汽车电源模式——利用发动机排气的动能驱动涡轮发电的设想应运而生，其工作与结构原理如图10-1所示。动力涡轮装置于涡轮壳内，当涡轮进气管中的废气通过喷嘴环时，冲击动力涡轮转动，从而带动常规发电机的转子转动，实现发电功效，经整流后的电能作为蓄电池或其他负载的电源。为避免该装置在不需要时过大地对外输出功率，该装置设有一个废气旁通阀，即在不需要过多的功率输出时，废气旁通阀打开，放掉一部分废气。
图10-1 内燃机废气电源系统工作与结构原理图
1—废气旁路阀 2—涡轮进气管 3—喷嘴环 4—动力涡轮 5—涡轮壳 6—轴承 7—磁路绕组 8—二极管 9—电刷 10—调节器 11—蓄电池 12—负载 13—集电环 14—磁极 15—定子铁心 16—定子绕组 17—机械取力器 18—转子轴 19—涡轮排气管
该装置电能和机械能可同时输出，亦可以一种能量形式独立输出。由于发电机是由发动机的排气直接驱动的，而只要发动机工作，其排气压力的值基本上是恒定的。因此发电机的输出电压的稳定性非常好，发电机的工作基本上不受行车速度的影响。此种方法对废气能量的利用率较高，而且转换得到的电能可灵活方便地运用，更重要的是此种方法不需对原有汽车设备做较大改动。但目前解决的主要问题有两个，一是加装该装置后必定对发动机工作性能产生影响，如何尽量减少或消除这种影响是非常重要的；二是转换效率决定其实用性，能量转换装置的转换效率能够达到多少还需要进一步确定。
汽车电控技术不断发展和智能化的发展趋势，使得汽车电子附件所占的比例和相应的耗电量大幅度提高，汽车电源研究工作成为一项重要的课题，也是汽车电子技术热点研究领域。汽车电源不仅影响到汽车电子系统的工作，更重要的是决定着整车能量消耗及性能的好坏。对于汽车电源系统，一方面过去从理论上做的研究工作较少，另一方面从节能及工作稳定性角度看，利用汽车发动机排出的废气能量发电、供电是一个有效的途径，这种方法节能、减少排放污染，并且可以延长蓄电池的寿命。
10.2 汽车电源系统的基本结构
汽车上的点火系统及全车电器设备的电源由蓄电池、发电机及其调节器组成，其在汽车电路中的连接关系如图10-2所示，两电源并联后与用电设备相连。发动机正常运行时，发电机向点火系统及其他用电设备供电，并同时向蓄电池充电。汽车的用电设备用电量过大，超过发电机的供电能力时，蓄电池和发电机共同向点火系统及其他用电设备供电。发动机起动或低速运行时，发电机不发电或电压很低，起动机、点火系统及其他用电设备所需要的电能，全部由蓄电池供给。
图10-2 汽车电源电路
10.2.1 蓄电池
蓄电池是一个化学电源。充电时，其内部的化学反应将外接电源的电能转变为化学能储存起来；用电时，再通过化学反应将储存的化学能转变为电能，输出给用电设备。
蓄电池的种类繁多，按电解液成分的不同分为碱性蓄电池和酸性蓄电池。由于酸性蓄电池电极的主要成分是铅，所以也称为铅酸蓄电池，简称铅蓄电池。由于发动机起动时，蓄电池必须能够为起动机提供200～600A的电流，有些大功率柴油机起动机的起动电流高达1000A，且要持续5s以上的时间；在发电机发生故障不能工作时，蓄电池的容量应能维持车辆行驶一定的时间。所以要求汽车用蓄电池有尽可能小的内阻以及足够大的容量。铅蓄电池虽然比能较低，但其内阻小、电压稳定、在短时间内能提供较大的电流，并且结构简单、原料丰富，因而在汽车上得到广泛的应用。汽车用铅蓄电池又分为普通型、干式荷电型、湿式荷电型和免维护型。干式荷电型蓄电池除具有普通型铅蓄电池的全部功能外，其主要特点是蓄电池内部无电解液贮存，极板是干的，且处于荷电状态，新的蓄电池不必经过长时间的初充电即可投入使用。湿式荷电型蓄电池的极板为荷电状态，蓄电池内部有少量的电解液，大部分电解液被极板和隔板吸收并储存起来。免维护型蓄电池是在汽车合理使用过程中，不需要添加蒸馏水的一种新型蓄电池。免维护蓄电池的电解液，由制造厂一次性加注，并密封在壳体内，因此电解液不会泄漏、不会腐蚀接线柱和机体，在使用中不需加注蒸馏水或补充电解液来调节液面高度，无需保养与维护。车用蓄电池由3只或6只单格电池串联而成，每只单格电池的电压约为2V，串联后电压为6V或12V。
为了提高蓄电池的容量，每一个单格蓄电池中有多片正极板和多片负极板。所有正极板或负极板分别用铅焊接在横板上，形成正极板组和负极板组。两片极板之间留有间隙，横板上部连有接线柱。正极板组和负极板组穿插在一起，使每片正极板都插在两片负极板之间，因此负极板比正极板多一片。为了防止极板之间短路，相邻两片极板之间夹有一片多孔性的（木质或塑料）隔板，组成正负极板组。蓄电池的极板是在用铅锑合金铸成的栅架上涂敷活性物质而成的。活性物质的主要原料是四氧化三铅和一氧化铅，经处理后，正极板上的活性物质转变为红棕色的二氧化铅，负极板上的活性物质则转变为青灰色的海绵状铅。这种活性物质具有多孔性的结构，电解液可以自由渗入活性物质的孔隙中，从而使参加化学反应的活性物质的表面积增加。硬橡胶或塑料制成的壳体分成三个或六个单格，每一个单格中装入一个正、负极板组，壳体的底部有凸棱支撑极板，防止极板上脱落下来的活性物质将极板短路。壳体的上部用盖密封，并用特殊胶质塑料填充所有接缝。三个或六个单格蓄电池用连接条串联，并在两端的正负电桩上分别焊接正极接线柱和负极接线柱。
蓄电池盖上每个单格电池有一个加液孔，用来加注电解液、检查和调节电解液的密度、检查充电状况等。每个加液IL都用加液孔盖封闭，加液孔盖上有通气孔，以便使化学反应中产生的气体能自由溢出。蓄电池的电解液是化学上的纯净硫酸（H2SO4）和蒸馏水（H2O），按一定比例配制成的硅酸溶液，从加液孔加入蓄电池内。充足电的蓄电池电解液的密度为1.24～1.31g/cm3。每个蓄电池的端电压，在充足电时约为2.1V，完全放电时的电压约为1.7～1.75V。
目前，国内外汽油发动机汽车均选用12V蓄电池。在使用柴油机的汽车上，因起动电压一般为24V，故常将两个12V蓄电池串联使用。有些柴油机的汽车，只有起动机的电压为24V，其他用电设备的电压仍为12V。因此，车上装有两个12V的蓄电池，在起动发动机时，将两个蓄电池串联；起动完毕后，再将两个蓄电池并联。串联与并联的转换由专用的转换器来完成，其操纵机构与起动开关联动。
10.2.2 发电机
车用发电机是在发动机的驱动下，将机械能转变为电能的装置。它作为汽车的主要电源，其作用是在发动机怠速以上转速运行时，为电气设备供电且不断地给蓄电池充电。
目前，国内外汽车使用的发电机几乎都是交流发电机。这是因为交流发电机与直流发电机相比，具有体积小、质量轻、结构简单、维修方便、寿命长、发动机低速时充电性能好、配用的调节器结构简单、产生的无线电干扰信号弱、能节省大量铜材等优点，因此，自诞生后即得到迅速普及。汽车交流发电机在第六章已经作了较为全面的介绍，因此在此不再赘述。
10.2.3 电压调节器
汽车发电机是为车辆提供电能的电器设备，其转速随发动机转速的变化而变化。而发电机电动势的高低与发电机的转速及磁极的磁通成正比。故发电机的电压必然随着转速的变化而变化。同时由于在一定条件下发电机的输出功率是定值（P=IU），当车辆电器负载较小时，发电机电压会升高，而车辆电器负载较大时，发电机电压会降低。而车用电器设备及蓄电池充电均要求发电机必须在某一恒定电压下工作，如12V系统的工作电压一般为（14±0.25）V，24V系统的工作电压为（28±0.3）V。这就产生了调节和控制电压的装置——电压调整器，也叫电压调节器。
关于电压调节器的发展历程以及各种调节器的工作原理已在6.3节中详细介绍。
10.3 智能电源IC
近年来，新增的大量汽车越来越经济、安全和舒适。每辆车的电子系统的数量如ECU逐年增加；因此，小而经济的多功能ECU需求很高，需求处于上升的汽车IC有如下的特点：
（1）模拟、数字和电源设备融为一体
信号、各种传感器、开关通过数字界面缓冲器和模拟界面缓冲器输入到微处理器。计算由微处理器完成，然后输出到驱动电路控制激励，例如螺线管、发动机、灯等。低消耗高密度的模拟、数字、电源设备的电路结合体有很好的需求。
（2）高密度和击穿电压的共存
传统的汽车电池是14V（典型）或16V（最大）。但需最大额定电压35V，因为存在高频噪声、负载的堆存、24V的起动电压等。另一方面，PN结隔离需要更宽的隔离带以确保35V击穿电压。那样的需求形成了高密度体和高击穿电压共存的障碍。
（3）抵抗恶劣的运行条件（高温、高湿度等）
汽车内ECU的增加使ECU安装在引擎罩和发动机上成为必要。考虑自身散热，带内置电源设备的智能电源需要150℃或更高的热量抵抗。
（4）强脉冲免疫性
汽车电子设备比起多功能的半导体更容易受电子噪声的影响。例如不可控制的错误可以造成噪声，例如ESD或导致负电压。用无源双极晶体管隔离的常规PN结，当输入端有反相脉冲无源双极晶体管的运行将严重影响IC制造。此外，在通常情况下，为确保ESD的可靠性、增加尺寸和和数目的ECU都装有带电容器和二极管的波动保护电路。
因此智能电源IC充分考虑了在一个芯片内和外围IC的结合，包括ECU的输出过程。它提供了后面所描述的ECU的小型化和低消耗。基于以上汽车IC的特点，现在智能电源IC的特点将从下面3点来说明。第一，由不连续设备组成的微控制器外围电路对大刻度数字电路（超过10000个门）的需求。第二，一片集微控制器和外围设备的ECU对中等刻度（大约5000门）的需求。第三，小激励。智能电源IC可以兼容双极、CMOS和电源设备，具有更好的平衡性。
10.4 汽车电源中的线性电源
根据调整管的工作状态，我们常把稳压电源分成两类：线性稳压电源和开关稳压电源。目前，在汽车电子控制系统主机板的设计中，电源设计的好坏至关重要。许多低压电源都采用线性稳压电源来设计，线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源。线性稳压直流电源的特点是：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；但是效率较低（现在经常看的LDO就是为了解决效率问题而出现的）；发热量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声；而且带负载能力相对较差，所以在设计线性稳压电路时，如何在保持低成本的前提下，不断提高电路的带负载能力，以满足电路更高的带负载的能力的要求，是广大电源设计工程师面临的一个大挑战。
线性稳压电源是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。调整管工作在线性状态下，可以理解为：RW（见图10-3）是连续可变的，亦即是线性的。而在开关电源中开关管（在开关电源中，我们一般把调整管叫做开关管）是工作在开、关两种状态下的：开——电阻很小；关——电阻很大。工作在开关状态下的管子显然不是线性状态。
图10-3所示为简单的线性稳压电源调节电压原理图。可变电阻RW跟负载电阻RL组成一个分压电路，输出电压为
Uo=UiRL/（RW+RL）
因此通过调节RW的大小，即可改变输出电压的大小。请注意，在这个式子里，如果我们只看可调电阻RW的值变化，Uo的输出并不是线性的，但如果把RW和RL一起看，则是线性的。还要注意，这个图中并没有将RW的引出端画成连到左边，而画在右边。虽然这从公式上看并没有什么区别，但画在右边，却正好反映了“采样”和“反馈”的概念——实际中的电源，绝大部分都是工作在采样和反馈的模式下的，使用前馈方法很少，即使使用了前馈方法，也只是辅助方法而已。
如果我们用一个晶体管或者场效应晶体管，来代替图中的可变阻器，并通过检测输出电压的大小，来控制这个“变阻器”阻值的大小，使输出电压保持恒定，这样我们就实现了稳压的目的。这个晶体管或者场效应晶体管是用来调整电压输出大小的，所以叫做调整管。
如图10-3所示，由于调整管串联在电源跟负载之间，所以叫做串联型稳压电源。相应的，还有并联型稳压电源，就是将调整管跟负载并联来调节输出电压，典型的基准稳压器TL431就是一种并联型稳压器。由于调整管相当于一个电阻，电流流过电阻时会发热，所以工作在线性状态下的调整管，一般会产生大量的热，导致效率不高。这是线性稳压电源的一个最主要的缺点。
图10-3 简单线性稳压电源调节电压原理图
图10-4 线性稳压电源原理图
一般来说，完整的线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成。另外还可能包括一些例如保护电路，启动电路等部分。图10-4所示为线性稳压电源原理图（示意图，省略了滤波电容等元件），取样电阻通过取样输出电压，并与参考电压比较，比较结果由误差放大电路放大后，控制调整管的导通程度，使输出电压保持稳定。常用的线性串联型稳压电源芯片有：78XX系列（正电压型），79XX系列（负电压型）（实际产品中，XX用数字表示，XX是多少，输出电压就是多少。例如7805，输出电压为5V）；LM317（可调正电压型），LM337（可调负电压型）；1117（低压差型，有多种型号，用尾数表示电压值。如1117-3.3为3.3V，1117-ADJ为可调型）。
线性电源技术很成熟，可以达到很高的稳定度，波纹也很小，而且没有开关电源具有的干扰与噪声。
汽车电子装置中的微处理器对电源的要求特别高，电源的质量和性能直接影响汽车电子装置的可靠性，通常情况下汽车电子装置中的微处理器的电源不用普通的三端电源，而是根据具体情况采用专用的线性电源和开关电源。
汽车电子装置中现有功率电源一般多采用线性电源，适合于汽车的线性电源种类很多，下面介绍一种常用的汽车线性电源芯片TLE4275，其特点是工作电压范围宽，压降低，而且具有很宽的温度范围。
TLE4275是一个单片集成低压降电压调节器，封装形式是5引脚贴片封装。其输出为5（1±2%）V，输入电压最低可为5.5V。输入电压最高可达45V。此芯片能提供的负载电流最高可达450mA，且具有负载短路保护功能。芯片同时具有过温保护功能，当芯片温度超过预定的温度，芯片将停止工作。芯片可以对外产生一个复位信号，其典型值是4.65V，它的延迟时间可通过外接电容进行调节。
除此之外，还具有低的耗散电流、上电及欠电压复位、短路保护功能、极性反接保护功能等，静电放电（ESD）电压不小于4kV。
图10-5为TLE4275功能框图，图10-6为应用电路。
图10-5 TLE4275功能框图
图10-6 TLE4275应用电路
10.5 汽车电源中的开关电源
广义地说，凡用电力电子器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一种形态的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动闭环控制稳定输出并有保护环节，则称为开关电源（Switching Power Supply）。开关电源主要组成部分是DC-DC变换器，因为它是转换的核心，涉及频率变换，目前DC-DC变换中所用的频率提高最快。开关电源将输入的连续能量分成间断的能量，对每份能量的大小进行控制。因此开关电源适用于压差比较小的场合和升压的场合。
开关电源技术的出现使电源的变换效率大大提高。目前大部分开关电源采用PWM技术，极少数采用了频率调制和混合调制技术。如果设计得好，采用这种技术的适配器效率可以达到80%以上。
开关电源的特点是在稳压的过程中有一个交流逆变，即不管输入是DC还是AC，都要先转换成AC，所以对输入电压的要求很宽（AC 100～250），缺点是对纹波要求高的电路或设备不宜使用。因无需传统的变压器，所以体积小。图10-7所示为开关电源的逻辑原理图。
简单地说，开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的导通与截止。将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压，效率有了大大的提高。所以开关电源可以做得很小，而且工作时不是很热、成本很低。
目前汽车上所用到的开关电源主要有两大类，一类是为众多执行机构供电，一般采用DC-AC-DC结构；还有一类是为电路板供电，一般采用DC-DC结构，下面将分别对这两大类作介绍。
图10-7 开关电源逻辑原理图
10.5.1 DC-DC变换器
DC-DC变换器还可以分为两种：隔离型和非隔离型。基本的升压（boost）电路、降压（buck）电路、升降压（boost-buck）电路以及cuk电路等都是非隔离型的。而单端正激、反激电路、双端推挽结构、半桥结构以及全桥结构都属于隔离型DC-DC变换器。
10.5.1.1 buck电路
降压型DC-DC变换器的电路如图10-8所示，主电路中起开关作用的是功率管V，可以采用功率晶体管、MOSFET、IGBT等。其输入端的电压E是发动机整流后得到的直流电压。功率管基极加的是周期为T的方波信号（此方波信号由控制回路提供）。其工作原理简述如下：
t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。工作波形如图10-8b所示。
续流二极管VD的作用为：当功率开关管VI截止时，提供一条通路，使储能电感L中的电流能继续流通，故称之为续流二极管。此二极管是必不可少的元件，如果无此二极管，降压型DC-DC变换器不仅不能正常工作，还会在储能电感两端感应出很高的自感电势，使功率开关管击穿，且损坏其他元器件。
通过电路的工作原理，我们很容易得到：
故称之为降压型变换器。这种电路结构简单，调整方便，可靠性高；对功率开关管及续流二极管耐压要求低，只要求等于或大于最高输入电压即可；而且储能电感在功率开关器件导通时能将电能变为磁能储存起来，而在功率开关管截止时，又能将储存的磁能变为电能继续向负载供电，电源带负载能力强，电压调整率好；储能电感和输出电容C组成Γ形滤波器，能进一步降低输出电压的纹波成分。不过在这种电路中，功率开关管和负载是直接与整流电源串联，故万一开关管被击穿短路时，负载两端的电压便升高到整流电源电压E，则负载因承受过电压而损坏。
图10-8 降压型DC-DC变换器主电路及波形图
a）电路图 b）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形
10.5.1.2 boost电路
升压型DC-DC变换器的电路以及相关波形如图10-9所示。这种变换器的工作过程如下：当开关管受控导通时，E加到储能电感L的两端，二极管VD处于反偏而截止，电流通过储能电感L将电容转换成磁能储存起来。开关管受控截止时，储能电感两端的电压极性颠倒，二极管变为正偏，给储能电感L和电源E串联放电提供通路，电流流经二极管至负极和滤波电容C。
这种DC-DC变换器是在开关管导通时，储能电感从整流电源中取得能量，在此期间提供给负载的电能由滤波电容放电来提供。故若要求输出电压的脉动小，就要求它的放电时间常数CRL很大。当开关管VI截止，续流二极管VD导通时，储能电感就把储存在它上面的能量转移到负载RL和滤波电容上，即这时储能电感和输入电源串联，一起向负载及滤波电容提供能量。
从上面的分析很容易得到：
故称之为升压变换器。
10.5.1.3 隔离型DC-DC变换器
隔离型变换器通常在内部集成一个隔离变压器，起到输入、输出之间的电气隔离，提高电源质量。
下面将以PSS3-12-*系列为例介绍隔离型DC-DC隔离型变换器的工作特性。PSS3-12-*系列变换器的特性参数如下：
图10-9 boost电路及波形
表10-1 PSS3-12-*系列变换器的特性参数
（续）
PSS3-12-5及PSS3-12-1212实物图的如图10-10所示，其应用电路如图10-11所示。PSS3-12-1212的应用电路如图10-12所示。PSS3-12-*系列DC-DC模块的输出端接1μF的瓷片电容，且该电容与芯片的距离最好为50mm。
图10-10 PSS3-12-5及PSS3-12-12的实物图
图10-11 PSS3-12-5的应用电路
图10-12 PSS3-12-1212的应用电路
10.5.2 DC-AC-DC型开关电源
从前面的分析可以看出，相对于线性电源，DC-DC型开关电源可以大大提高电源的效率，
本小节将以摩托罗拉公司生产的开关电源MC33997为例进行介绍。
10.5.2.1 MC33997概述
MC33997是中功率、多输出的电源芯片，它的工作电压范围宽，从6.0～26.5V均能工作，可承受40V瞬态电压。它是阶梯下降式开关型前置稳压器，直接输出5V、3.3V两路电源，同时还具有两路5.00V精密电源输出，内部有低阻抗的LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）保护，一路3.3V线性备用电源。3.3V线形调压输出端可外接一个通态晶体管，以降低功耗。主电源输出和精密电源输出可以通过两个独立的使能引脚控制。可为各种高级微处理器供电，适合于为汽车中的微处理器和传感器供电。图10-13为MC33997的功能框图。
图10-13 MC33997功能框图
具体地说，MC33997具有以下特点：
1）工作电压范围：6.0～26.5V能承受的瞬时电压可达40V。
2）阶梯下降式开关调节器输出电压5.0V，输出总电流可达1400mA；通过外部晶体管调节，线性调节器输出电压3.3V，输出电流400mA。
3）低功耗备用线性调节器UKAM=3.3V，输出电流10mA。
4）两路5V精密电源，输出电流200mA，参考电压UREF同时具有对电源和地短路保护，还可以复位后再次输出。
5）对于欠电压关断具有恢复能力。
6）复位信号。
7）上电延迟。
8）具有主电源使能引脚（EN）、精密电源使能引脚（SNSEN）。
10.5.2.2 引脚分布
MC33997的引脚功能见表10-2。
表10-2 MC33997引脚功能描述
10.5.2.3 功能引脚说明
1.UDDH开关稳压器输出
开关稳压器是一个传统的高频（750kHz）斩波器，内部集成高端P沟道功率MOSFET。其输出电压为5.0V，精度为±2%，它可以直接驱动各种电子控制单元（ECM）的模拟电路和数字电路。其总的输出额定电流为1.4A，该电流又可转换为线性稳压器的3.3V输出和精密电源UREF1、UREF2输出。MC33997还具有软启动功能，即器件使能之后，输出电压UDDH迅速上升到额定值的一半，然后再以16次逐步达到额定电压（一般为5V）。UDDH上电延迟时序图如图10-14所示。
图10-14 UDDH上电延迟时序图
2.UDDL线性稳压器输出
3.3V线性电压调节器的输入是5.0V开关电源的输出。其输出电源通道使用了一个常通晶体管，这样一来，整个芯片的功耗就有所减小。FBL引脚是调节器控制环的反馈输入，DRVL引脚是外部常通三极管的基极。上电保护、掉电保护以及故障管理都和5.0V开关电源协同工作。
3.UREF1、UREF2精密电源
精密电源是通过5.0V主输出加一个保护开关实现的。33997内部有两个低阻LDMOS管与开关调节器的输出相连，还有短路保护电路（对电源短路保护和对地短路保护）。一旦监测到发生严重的故障，将切断输出，而精密电源二次供电定时器开始计时，如果溢出，精密电源将再次输出电源。
应用时如果不需要精密电源输出，可将精密电源使能引脚（SNSEN）拉低来实现，具体见图10-15所示。
UREF1、UREF2可能发生的严重故障是指其对电源或对地的硬件短路影响开关调节输出。对电源短路超过17V被称为是“双故障”，但是这两个输出引脚都具有保护电路。短路对输出的影响程度取决于开关调节输出电容的容量以及其ESR值。
4.UKAM备用电源输出
备用电源是指在芯片掉电时还能为其提供电源，正常工作，就像非易失性的SRAM一样。芯片内有掉电定时器、控制器、按键开关监测电路。它能给其他的小电流电路掉电的情况下供电。输出电压一般为3.3V，如果发生故障，就将VKAMOK引脚电平拉低，以启动备用电源。
图10-16 故障挂起定时器延迟时间
图10-15 UREF重启定时器
当EN引脚电平为低时，调节器将自动进入低电流备用模式，为了减小KA_UPWR和UPWR两个引脚的拉电流，除了UKAM和EN，其所有供电功能将失效，后者用于检测唤醒信号。
5.上电延迟定时器
两个上电延迟定时器集成在芯片的控制电路当中，一个定时器监测UPWR引脚的输入电压，如图所示。另一个监测KA_UPWR引脚的输入电压。这两个引脚的输入电压需持续足够长的时间，直至定时器溢出才能使能调节器，输出相应的电压。
6.故障挂起定时器
如果UDDL输出电压在软启动周期结束之后没达到额定值，也或者UDDH、UDDL输出电压低于PWROK的门限，则故障挂起定时器关闭调节器的输出，同时启动定时器，直到定时器计数满，调节器再次上电。如图10-16所示。
7.上电复位定时器
如果UDDH、UDDL输出正常，那么在软启动周期结束，该定时器溢出，此时开漏极输出的PWROK信号被清除，标志器件已正常上电。
8.PWROK、VKAMOK——芯片工况监督引脚
MC33997有两个用于监测的开漏极输出引脚：PWROK、VKAMOK，PWROK是低电平有效，即当VDDH、VDDL任何一个输出低于额定调节值时，该引脚将被拉低。如果它们两个都低于各自的额定值，且上电复位定时器计数满，那么输出驱动器将失效，同时此引脚呈高阻状态。VKAMOK用于监测VKAM的状态，它将VKAM的输出与内部参考电压相比，若低于参考电压，那么就将该引脚电平拉低。VKAMOK延迟定时器时序图如图10-17所示，PWROK延迟定时器（上电复位）时序图如图10-18所示。
图10-17 VKAMOK延迟定时器时序图
图10-18 PWROK延迟定时器（上电复位）时序图
10.5.2.4 MC33997应用电路
图10-19是应用MC33997构成的典型电源电路。各部分实现的功能如前文所述，在此不作详细介绍。
图10-19 33997应用电路
10.5.3 精密电源
汽车电源除了像前面简单地分为线性电源和开关电源外，还有一种电源，那就是精密电源，这类电源主要是用在汽车传感器上。与日常普遍使用的传感器相比，汽车上的传感器是特制的，它们用来适应汽车上电子系统的要求。传感器的研发部门必须确保产品达到下列的五项基本性能指标：可靠性高、成本低、体积小、精度高、抗干扰能力强。传感器安装在车辆没有遮蔽的位置上，因此它们承受着特别恶劣的工作条件，并且能够适应较宽范围的不同压力：
●机械式的（振动、冲击）；
●气候的（温度、湿度）；
●化学的（例如：盐雾、燃料、润滑油、蓄电池酸液）；
●电磁的（放射、线路传导性的寄生脉冲、过电压、极性倒转）。
由于传感器本身具有的优点，传感器更适合直接安装在测量点上。这就直接导致了传感器应能适合更加恶劣的条件。另外，在处理工业中将探测器和传感器通过实例进行比较，除了几个特殊情况外，汽车传感器精度要求相对适中。通常情况下的允许偏差不超过最终测量值的1%。当考虑到不可避免的仪器老化问题，这个误差范围也适用。误差可以通过有效手段进行调整，复杂技术的应用是弥补制造误差和平衡抗干扰的有效补偿措施。尤其当上面提到的要求大部分得到满足时，对传感器又会提出越来越多新的苛刻要求。为了确保传感器在以上恶劣的条件下正常工作，就要加强传感器的保护措施，这就对传感器除了封装的要求很高以外，还要求给传感器供电的电源是精密电源。
10.5.4 开关电源与线性电源的比较
开关电源最大的优点是效率高，体积小。缺点是精度低，稳定性差，噪声大；直流线性稳压电源最大优点是稳定性好，精度高，噪声小。缺点是效率低，体积大。因此，对于电源稳定性要求不高的一般情况供电和输出大功率电源，可选用开关电源，对于电源精度、噪声要求高的场合必须选用线性电源，比如电压基准源，高精度的测量仪器，等等。
10.6 电源效率
根据定义，电源效率=Pout/Pin，具体用图10-20来表示：
下面分析一下线性电源效率低下、体积大、比较笨重的主要原因。它的稳压原理如下：当交流电源电压降低或负荷电流增大时，引起输出电压U0降低，U0经取样电路送至比较放大器与基准电压比较，然后将误差信号放大去控制调整管两端的压降，使其减小，如果减小的数值正好等于输出电压降低的数值，则输出电压重新回升到原先的数值，从而保持了稳定。反之，当交流电源电压升高或负荷电流减小时，则使调整管两端压降增大，以维持输出电压的稳定。在工作过程中，调整管的状态始终处于晶体管特性曲线的线性放大区。这样，调整管本身就要耗费一定的功率，同时调整管还会由于较大的功耗而发热。为了散热，必须在调整管上配置庞大的散热器.这是造成串联线件稳压电源效率低、体积大、比较笨重的第一个原因。
图10-20 电源效率
第二个原因是，在串联线性稳压电源中，使用了工频降压变压器，这台变压器不仅大大增加了电源的体积和重量，而且因变压器本身的效率为80%～90%，从而降低了整个电源的效率。
第三个原因是，要使串联线性稳压电源正常工作，必须使调整管在任何时候都处于线性放大区，因此要给予调整管一个最起码的压降，称它为起始电压UCEmin，起始电压与调整管的饱和压降UCES有关，也与整流、滤波后的直流电压Ud中的坟波电压峰峰值Upp有关，即
UCEmin=UCES+Upp
Upp值的大小主要决定于滤波电容的数值，为了减少Upp，就得增大滤被电容的数值，因而电源的体积、重量相应地增加。
在射极输出的电压控制型串联线性稳压电源中，UCES值因调整管接成2或3级达林顿复合管，通常达到1.4～2.1V；在集电极输出的高效率的电流控制型串联线性稳压电源中，UCES只需0.65V。但集电极输出的电路因为工艺原因，极难做成集成稳压器。此外，它的所谓高效率也仅表现在UCES=0.65V这一点上，作用是很有限的。
基于上述三种原因，使串联线性稳压电源的效率大为降低，体积、重量大为增加。例如，对于用得最广泛的5V稳压电源来说，其效率只有30%～40%。
而开关稳压电源结构比较简单，控制电路既可采用分立元器件，也可采用集成稳压器或集成脉冲调制器，电源的调试很方便，可靠性也比较高，而且由于电力晶体管工作在开关状态，电源的效率明显提高（特别在输入电压大幅度变动、输出电压大范围调节时），体积和重量也比线性电源明显减小，在电子计算机、军用电子设备及实验室中得到广泛的应用。
开关电源的效率比线性电源的效率有了很大的提高，但是它也有开关损耗和开关噪声问题。开关损耗与开关频率成正比，而同时开关频率越高，开关电源的优点越显著，所以为了增加开关频率，一定要想办法降低开通和关断的损耗。并非是电路中频率越高就越有利，下面简单分析一下高频电路的优缺点。
1.高频电路的优点
1）在整个电源中，主要磁性元件变得更小。
2）更高的功率密度。
3）在整个系统中，更低的损耗。
2.高频电路的缺点
1）较高的开关损耗。
2）二极管反向恢复成为开通损耗中的主要因素。
3）效率降低。
4）有噪声。
另外，影响开关电源效率的因素很多，如变压器漏感的损耗、输出晶体管转换期的损耗、整流二极管的损耗等。
开关噪声问题是开关电源的一个独特问题，也是开关电源的最大弊病，要根据产生噪声的主要原因进行消除和隔离，以满足工程的需要。由前面对效率的分析可以得到噪声也是开关效率的一种表现，因为噪声本身是带有能量的。效率低的电源，噪声也总是大的。产生噪声的原因有很多，主要有以下几种：
1）由漏感所产生的上冲干扰。
2）由变压器其他元件及引线布局产生的分布电容等构成的寄生振荡。
3）开关时高次谐波通过变压器对空间的辐射产生的干扰。
4）输出的整流二极管VD的反向特性造成的换相干扰。
其中最主要的噪声来源是前面谈到的变压器和二极管。这两者不仅决定着效率，而且也是很强的噪声源。所以，解决噪声问题的首要一条是，既不使隔离变压器产生磁饱和，但又最大限度地减小漏感，这也是一项极有效的技术措施，变压器必须采取双线并绕的办法或夹心法。
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