對於汽車製造商來說，今日最大的挑戰之一，就是要改善燃油效率，以便降低車輛的燃油消耗及碳排放量。要將改善燃油消耗視為頭等大事，原因就在於須利用地方政府為低排放車輛提供的激勵稅率，以及避免因車輛的高油耗及低效率而承受高額稅金及罰款。為了滿足全球各地政府所制訂的目標，任何一點都不能放過。
有鑑於此，每部車輛系統都必須在改善效率上有所貢獻。最近推出的交流發電機調節器積體電路(IC)便提供更好的控制方式，讓充電系統也可以提高效率。透過本地互連網路(Local Interconnect Network, LIN)1.3版的介面，這組IC可望簡化、標準化及強化與引擎控制單元(ECU)間的通訊。
交流發電機為車輛提供電力來源，並為車上的電池充電。透過二極體整流，一般的皮帶驅動爪極式車用交流發電機效率約為55%左右。經過縫隙填充技術處理的定子線圈，可將部分交流發電機效益提升到70～75%之間。此外，起動系統裡的交流發電機所使用的同步整流器、無刷直流機，可將效益拉抬到80～85%。
這兩種改良方式都需要可觀的成本，因此不為大多數的汽車交流發電機所採用。因此改良充電系統效益，仍然是最主要的目標。
從系統的角度來看，提升效益並降低能源損耗，就是要在控制策略上改進。通常，傳統式的電壓調節器只能提升或降低轉子電流，並透過指示燈顯示問題、或是提供微控制器(MCU)的訊號。透過廉價的LIN協定，交流發電機調節器可作為與管理充電系統的ECU間的介面，以便改善各種情況下的運作。圖1顯示的就是充電系統裡交流發電機、調節器、電池及控制連接的關係。
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| 圖1 介接充電系統使用LIN協定與ECU溝通控制與診斷訊息 |
LIN規格進駐電壓調節器
目前市面上已有廠商開發出SMARTMOS混合訊號處理技術，其融合了類比、數位及混合訊號電路，只需單一IC就能提供完備的智慧型調節需求，如飛思卡爾(Freescale)TC80310就是一款以LIN控制的交流發電機調節器IC，可作為介面並具備數種整合功能，能夠隨意調整電源供應。這組IC基於客戶要求而採用標準化零組件，是專為交流發電機控制而設計的標準化產品(Application-Specific Standard Product, ASSP)。
如圖2所示，SMARTMOS擁有一組數位核心、單次可程式化(OTP)記憶體及相位處理器，還有一組10位元的類比數位轉換器(ADC)及其他的類比IC區塊。該IC整合一高邊驅動用以驅動轉子，以及內部的續流二極體，以便在轉子線圈關閉以避免電壓過高時，仍能讓能源循環。只要七個電路連結，毋需外部元件，即可構成完備的電壓調節器。
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| 圖2 TC80310方塊圖顯示IC的關鍵組件及外部連結 |
為達到最佳的控制反應，ASSP電路必須放在盡量接近交流發電機的位置。這個需求和其他許多製造商的偏好，導致該晶片必須以晶圓型態供應。此外，還有其他因素，如交流發電機的空間限制，以及必須避開密封塑膠封裝可能導致的運作高溫等極端外力。圖3顯示晶圓布局及可辨識的接合板位置。
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| 圖3 晶圓接合點與全系統所需的功能 |
單晶片系統的ASSP可提供充電系統所需的一切，它只需交流發電機為伴。IC本身具備防護及承受惡劣環境的能力。靜電釋放(ESD)就是檢驗此類功能的絕佳範例。
在以人體為模型測試時，所有接腳通常都可以承受±6仟伏特(kV)的電壓(相位輸入±5仟伏特的接腳除外)，當在以機械為模型測試時則可承受到±200伏特(V)的電壓。而附掛於交流發電機上的匯流排及B+A接腳則可承受±8仟伏特的電壓，符合IEC61000-4-2的規格。
除了要能承受高達40伏特的負載突降(根據ISO7637-2標準)外，根據ISO7637-1和-3的標準，IC還要能承受高達150伏特的瞬態脈衝。集成的交流發電機的調節器晶片的接點溫度(Tj)的範圍則是從-40℃度到150℃，熱截斷則會發生在185℃時(大約10℃的磁滯)。
由於LIN交流發電機只有晶圓模式，因此線路接合需求必須在業界接受範圍以內，尤其是那些曾經使用過只有晶圓模式的半導體元件業者，使用者只須將七條相同的線路接合，就可以得到完整的汽車IC級別的系統調節器。
改良控制效果更出色
TC80310的LIN 1.3介面能夠在ASSP和ECU間實現簡單、價廉的雙向通訊，以此進行實時控制並將充電系統效能最佳化。ASSP所提供的資訊包括可程式設計的調節電壓、交流發電機激勵電流、晶圓溫度，以及其他如模式狀態與診斷資料等。透過軟體，ECU將可更改系統運作。以美國環保局的Corporate Average Fuel Economy(CAFE)和歐規的Euro 6排放限制為例，只須根據扭矩管理的不同的運行情況，就可準確地控制交流發電機以便將能源損耗最佳化，這樣就可以符合規定。
參閱圖2，可以知道OTP區塊可簡化結構及調整電路。非揮發性記憶體(NVM)單元在IC出廠測試階段時就已經設定好廿種可讓使用者自選的參數，能夠把使用戶明確的需求進行最佳化。記憶體的大容量和可程式設計性則讓晶片的應用更加靈活。
一旦負載響應控制(LRC)達到關斷頻率，充電系統就可達到更快的響應時間。LRC可以消除因電氣負載突增造成的引擎競速和振動，這兩種現象會連帶造成引擎在低轉速時的扭力矩負載暴增。此調節器的數位控制功能擁有數種可供選擇的OTP參數，例如LRC的預設關斷轉數可以可在設定在2,400轉、3,000轉、4,000轉或是不設定，以及可在0、3.0、6.4或12.3秒時設定的LRC的頻率。
TC80310擁有各種狀態機(狀態機)，如待機、通過相位喚醒、通過LIN喚醒、PRE EXC、EXC DC、透過LRC調節、不透過LRC調節、以及相位調節模式等等。對每個ASSP而言，這些不同的模式都擁有特定的響應，而且在很多狀況下，透過LIN來連接，能夠增強對ECU的控制，包括狀態遞移時所產生的輸入。另外，此回路調節還必須在外部加上數字濾波功能。調節頻率的典型值則通常在122Hz左右。
圖2中的溫度測量模組會產生與晶圓溫度成一定比例關係的電壓。ADC會將電壓的值轉換為二進制代碼，再透過LIN匯流排傳遞給控制器。此溫度也會用在熱補償(TC)的概念上。
在ASSP裡，當溫度上升時，TC會降低調節電壓。這種補償會在電路溫度達到NVM定義的門檻(從135～160℃)時生效。但是發生的速度則要看此功能的四個主要的調節速率之一而定，包括-50毫伏/度、-100毫伏/度、-200毫伏/度及-400毫伏/度。四種會觸發熱補償的可選擇溫度的門檻點為135℃、145℃、150℃或160℃。此外，它還定義了四個主要的調節電壓群。
圖4顯示的是IC如何在溫度不同時，對各種調節速率及穩壓設定點做出反應。一旦電路溫度達到185℃的熱截斷點，調節便會關閉。在高溫時降低電壓調節，可避免熱失控的問題。
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| 圖4 熱補償的可程式設計性為交流發電機製造商提供更多的選擇性 |
設計中包括一組可選擇的預設調節電壓，根據飛思卡爾的最終測試，預設調節電壓可從10.6～16伏特之間選擇。這個數值非常重要，因為它是交流發電機製造商藉以控制調節器、以便將交流發電機效能及電池壽命最佳化的重要數據。
除了可選擇的調節電壓外，晶圓本身也有額外的超壓或低壓運作模式。當起始電壓在16伏特至21伏特之間時，它能在最短的PWM工作週期內提供出激勵。當電壓超過21伏特時，或是在負載突降偵測範圍內，激勵便會被關斷。
在第一個較低的電壓範圍內(從10.6伏特到8.5伏特)，依照邏輯記憶體內的目標值，激勵在整個工作週期內都有效。接下來從8.5～5.0伏特，仍維持先前的邏輯組態。其數值則視儲存在記憶體內的最終目標值而定。這會導致整個工作週期都沒有任何LRC功能可用。最後在低於5伏特時，則會根據預設的調節目標，導致邏輯重設(Logic Reset)。
TC80310的主要操作特性之一，就是可以控制激勵線圈的電流達8安培(A)。這含括額定電流高達150安培(甚至可超過200安培)的交流發電機的全部需求範圍。從功率的另一面來看，該單元的低功率模式及喚醒功能則可滿足節省功率的需求。當電力輸送至交流發電機相位時，休眠模式最高的漏電流(25℃時)為250微安培(μA)。
當交流發電機相位為0伏特時，最高的靜態電流為110微安培(25℃時)。這樣的低功耗可減少對電池的汲取量，尤其是當車輛要長時間停放的時候。
故障偵測則包括機械故障、電氣故障、熱故障、LIN匯流排終止連接、通訊錯誤及LIN協定錯誤等等。IC提供的額外診斷則可顯示數位控制的交流發電機的進度，這遠較傳統簡單類比控制的燈訊號為優。
周邊系統研發漸趨完備
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| 圖5 EVB可透過LIN完全控制調節器 |
有了廿種可以將系統設計最佳化的OTP可程式設計功能，交流發電機設計師的工作會比研發一個簡單的類比調節器再複雜一些。為簡化評估並縮短設計時間，可提供具備簡單易用軟體的評估用電路板(EVB)。如圖5所示，配備相關晶片的交流發電機會連接到LIN EVB，而EVB則連接至個人電腦。為評估起見，IC內的晶圓會使用TO-3封裝以簡化附掛方式。圖形使用介面(GUI)則讓使用者可以存取IC內所有的可程式設計項目。
周邊系統有助於為應用中的產品除錯。透過EVB，提供了簡單易用的解決方案，可將IC裝在測試單元上，在一個月內進行評估、並選擇特定的設定參數。
調節回路控制效益大幅提升
透過改良的調節回路控制，將有助於達成整體車輛能源效益節約20%的目標，而這是多數汽車製造商必須直接更改汽車的能源產生方式才做得到。交流發電機供應商與汽車製造商可以自行選擇參數，將充電系統最佳化。亦可藉由ASSP對應用模式進行管理，以及在不同的汽車狀況下將動力產生效能最佳化，進而協助降低二氧化碳排放量，同時也遵循了嚴格的法規要求。
(本文作者任職於飛思卡爾)