談?wù)勂?chē)動(dòng)力系統電路設計中的那些傳感技術(shù)

　　本文將首先審視一些跟倫德?tīng)枺↙undell）式電動(dòng)機（更廣為人知的名稱(chēng)是“交流發(fā)電機”）相關(guān)的持續改進(jìn)的極佳示例。由于采用了更好的電子控制， 它的能效提升了，更多的能量被恢復，發(fā)動(dòng)機頻繁啟動(dòng)的影響被處理平順了。本文的第二部分將重點(diǎn)介紹汽車(chē)中加入的更多傳感器，這些傳感器將幫助進(jìn)一步降低傳 統內燃發(fā)動(dòng)機對石油的依賴(lài)。最后一段闡釋現有電感型傳感器技術(shù)可以怎樣優(yōu)化剎車(chē)踏板以幫助汽車(chē)節省更多能量。

　　啟動(dòng)交流發(fā)電機

　　在啟動(dòng)交流發(fā)電機系統中，無(wú)源整流二極管被大電流開(kāi)關(guān)替代。這些開(kāi)關(guān)負責驅動(dòng)啟動(dòng)交流發(fā)電機，使其作為電機（啟動(dòng)機模式），并在交流發(fā)電機內部產(chǎn)生的 定子電流上執行同步整流（交流發(fā)電機模式）。同步整流大幅通過(guò)以高導電性的通道分流（本體）二極管，提升交流發(fā)電機能效，將正向壓降降至低于150 mV。

　　圖1：交流發(fā)電機中的同步整流

　　此應用的一項主要功能挑戰就是確保在定子電流反向時(shí)開(kāi)關(guān)以極快速度關(guān)斷；開(kāi)關(guān)關(guān)斷有任何延遲都會(huì )導致不必要的電池放電，其方式跟常規二極管的反向恢復 非常類(lèi)似。有鑒于此，預驅動(dòng)器IC包含在自主門(mén)極控制環(huán)路內部工作的高歪曲率驅動(dòng)器，設計目的是在整流期間歐姆損耗與電流符號改變時(shí)的過(guò)渡損耗之間取得盡 可能最佳的折衷。在IC中集成這些預驅動(dòng)器相當復雜。

　　首先，它要求多種不同電壓域共存在同一個(gè)硅襯底上，同時(shí)確保這些電壓域之間的可靠通信。

　　其次，啟動(dòng)交流發(fā)電機的驅動(dòng)器IC被置于可能是環(huán)境最?lèi)毫拥奈恢?，可能?huì )遭受電池反向、負載突降、陰極接地轉移、定子相位上極大的dV/dt（數量級 為每微 秒100 V）、電磁干擾等多種瞬態(tài)事件。同樣，使用差分技術(shù)及細致管理硅襯底上的寄生（雙極）效應，有可能采用高性?xún)r(jià)比的降壓技術(shù)而非絕緣硅（SOI）技術(shù)來(lái)構建 此類(lèi)IC。

　　圖2：?jiǎn)?dòng)交流發(fā)電機中采用強固的預驅動(dòng)器來(lái)控制高門(mén)極-源極電容（Cgs）的MOSFET

　　除了傳統鉛酸電池，我們看到越來(lái)越多的儲能組件被用于啟動(dòng)-停止系統中的電源網(wǎng)絡(luò )，如鋰離子電池、超級電容等。在這些系統中，安全領(lǐng)域變得跟核心功能 一樣重要。因此，我們看到ISO26262安全標準越來(lái)越多地進(jìn)入我們的視野，有時(shí)會(huì )導致相當部分硅片面積專(zhuān)門(mén)用于監測應用，檢測此IC及其伴侶IC的運 行健全狀況，并在有需要的情況下確保安全狀態(tài)。

　　最后，智能電路及大功率元器件在緊鄰位置的組合表示控制電路的結點(diǎn)溫度大幅上升；在應用中需要考慮工作結點(diǎn)溫度高于175℃的情形并不罕見(jiàn)。此外，在 元器件認證階段，可能使用高達200℃的溫度來(lái)進(jìn)一步加速老化過(guò)程，以將使用壽命測試時(shí)長(cháng)保持在合理的2，000小時(shí)之內。通過(guò)使用帶有擴展溫度范圍的硅 工藝，并在設計階段將在設計約束考慮在內，就能夠有效地應對這個(gè)挑戰。

　　內燃發(fā)動(dòng)機中使用的傳感技術(shù)

　　傳感器在使當代內燃發(fā)動(dòng)機達到前所未有的能效水平，同時(shí)還將排放降至最低。例如，空氣流量（MAF）傳感器衡量進(jìn)入發(fā)動(dòng)機燃燒室的空氣量，從而精確噴 入恰當數量的燃油。而在發(fā)動(dòng)機的另一端，氧氣和氮氧化物（NOx）傳感器直接測量廢氣成分，并將信息饋送回給發(fā)動(dòng)機控制單元（ECU）。

　　壓力傳感器的進(jìn)襲事實(shí)上無(wú)所不在，代表了一種伴隨內燃機演進(jìn)及追求增強控制的趨勢。最初是歧管絕對壓力（MAP）傳感器，此傳感器是使用MAF傳感器 之外的另一選擇。隨著(zhù)燃油噴射技術(shù)的進(jìn)步，需要汽車(chē)直噴（GDI）及柴油直噴（DDI）壓力傳感器來(lái)配合通過(guò)直接連接至每個(gè)氣缸燃燒室的共軌燃油管測量噴 射的燃油壓力。后者某些時(shí)候要求柴油微粒過(guò)濾器（DPF）來(lái)減少油煙，而DPF需要要求傳感器來(lái)幫助維持適當的工作條件。即使是在發(fā)動(dòng)機外部，胎壓監測系 統（TPMS）確保輪胎恰當充氣，從而不僅提供更好的安全性，還提供更高的燃油效率，因為輪胎滾動(dòng)阻力減小了。

　　壓力傳感器的另一個(gè)前沿陣地是燃燒室本身。為了提供最終的燃燒控制，其中一個(gè)必要條件是隨時(shí)都精確知道所有氣缸內的壓力。某些類(lèi)型的清潔柴油發(fā)動(dòng)機已 經(jīng)在氣缸內壓力傳感器的幫助下運轉。那些相同的傳感器也是正在研究的新發(fā)動(dòng)機的關(guān)鍵推動(dòng)因素，一個(gè)例子就是均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)火（HCCI），此技術(shù)的目標是 結合汽油發(fā)動(dòng)機的低排放及柴油發(fā)動(dòng)機的能效。所有這些進(jìn)步都提出了新的技術(shù)挑戰，要求越來(lái)越復雜的集成電子電路來(lái)因應這些挑戰。舉例來(lái)說(shuō)，更好的控制要求 更高的精度，而目前0.5%的容限很常見(jiàn)。與此同時(shí)，隨著(zhù)壓力傳感功能的布局移向更接近發(fā)動(dòng)機的中心，工作溫度范圍持續擴展。這就對傳感元件及補償其非理 想特性所需的電子電路施加了額外的限制。

　　新一代壓力傳感器IC的框圖如圖3所示。低噪聲模擬前端開(kāi)始提供高精度性能，隨后是高精度Σ-Δ（sigma-delta）模數轉換器（ADC）。復 雜的數字信號處理為傳感元件的偏移和靈敏度提供非線(xiàn)性溫度補償。常見(jiàn)的5 V模擬輸出逐漸被單邊半字節傳輸（SENT）及PSI5等標準數字輸出替代。此方法通過(guò)省去傳感器中的輸出數模轉換及ECU端的模數轉換，減小總量化誤 差。

　　每個(gè)傳感器在生產(chǎn)時(shí)都被校準，補償系數存儲在內部EEPROM中。

　　圖3 ： 用于壓力傳感器的下一代精密信號調理接口IC框圖

　　用于剎車(chē)踏板的電感型位置傳感器接口

　　典型剎車(chē)踏板僅有一個(gè)開(kāi)關(guān)，用于幫助確定什么時(shí)候應該導通剎車(chē)燈。隨著(zhù)剎車(chē)能量回收（regen）功能的增添，就需要新的剎車(chē)踏板位置傳感器。本質(zhì)上 而言，標準摩擦剎車(chē)系統采用測量剎車(chē)踏板精確位移的控制系統來(lái)升級。當剎車(chē)踏板僅輕微位移時(shí)，摩擦剎車(chē)系統不會(huì )激活。在這個(gè)“回收帶”，能量回收系統將測 量剎車(chē)踏板位移，并確定移動(dòng)中汽車(chē)的多少運動(dòng)能量需要轉移到臨時(shí)能量存儲。這能量存儲可以采用多種形式；原設備制造商（OEM）可能傾向于氣壓或液壓蓄力 器、48 V電池、超級電容，或者甚至是飛輪。輕度混合動(dòng)力汽車(chē)會(huì )在下一個(gè)加速階段將存儲的能量轉換回至有限時(shí)間的推進(jìn)動(dòng)力，而微混合動(dòng)力汽車(chē)僅使用電氣回收技術(shù)， 在更長(cháng)的時(shí)間段內為板網(wǎng)（boardnet）供電。

　　為了測量“回收帶”期間剎車(chē)踏板的確切位置，可以使用像給加速踏板使用的類(lèi)似的技術(shù)。圖4顯示了這類(lèi)應用免接觸式傳感器方案的框圖。

　　圖4：電感型位置傳感器應用框圖

　　安森美半導體開(kāi)發(fā)的定制電感型傳感器接口充分利用先進(jìn)的前端濾波器，還結合了智能處理功能。片上驅動(dòng)器通過(guò)最少一個(gè)勵磁電感刺激傳感器。傳感器的耦合 輸出電感會(huì )產(chǎn)生包含勵磁電感與輸出電感相對位置信息的信號。電感相對位置的變化在很大程度上取決于所選擇的傳感器設計，它通常是線(xiàn)性或旋轉運動(dòng)的結果。然 后，此集成電路將將傳感器的電氣輸入和輸出信號轉換為數字位置信息。解析出的位置信號然后通過(guò)接口傳送給微控制器，具體什么接口取決于客戶(hù)要求或偏好?？?以選擇專(zhuān)有混合信號方案來(lái)配合傳感器接口輸出格式，包括比例電壓、正弦-余弦（Sin-Cos）電壓、脈寬調制（PWM）、 SENT或PSI5.

　　傳感器領(lǐng)域的半導體供應商除了具備所要求的技能，還應對ISO26262標準呈現出正確的態(tài)度。汽車(chē)中的許多踏板應用跟安全直接相關(guān)，需要通過(guò)恰當的 ISO26262理解、方法及工具集方式因應?？梢栽诟承┕δ芄灿孟嗤Y果、提供獨立數據輸出的冗余型配置中使用電感型傳感器，在模塊級達到ASIL- D要求。新興的回收應用結合新的適合安全標準，正在推動(dòng)行業(yè)朝向開(kāi)發(fā)與電感型傳感器連接的新的集成電路。

　　電子元器件開(kāi)發(fā)者及供應商正在趨向未來(lái)汽車(chē)動(dòng)力系統在道路上創(chuàng )造不同。雖然微混合及輕度混合動(dòng)力汽車(chē)提供相對適度的燃油經(jīng)濟性提升，但它們的性?xún)r(jià)比很高。恰好是這種強固的汽車(chē)逐步改善途徑將使大多數汽車(chē)朝向新技術(shù)穩步演進(jìn)，同時(shí)還構建下一代動(dòng)力系統的基礎。