飛思卡爾簡(jiǎn)化電控系統設計 提速節能高效革命

據統計，全世界半數左右的能源消耗在各種馬達驅動(dòng)的設備中，引擎作為這些設備的核心，在全球性節能環(huán)保的大趨勢下，成為提升與改善能效最受關(guān)注的部分?，F代的引擎再不是一個(gè)刻板的系統，而是能利用執行器與電機根據不同駕駛情況的需要夠提供廣泛的動(dòng)態(tài)調整，進(jìn)而優(yōu)化引擎燃燒效率。改善驅動(dòng)設備能效的關(guān)鍵是通過(guò)更出色的引擎控制提升引擎效率，半導體技術(shù)在其中扮演的角色不容忽視。

電子技術(shù)出現在引擎管理是最近幾十年里是引擎發(fā)展中最核心的主題，電子引擎控制的優(yōu)勢是省油、廢氣污染少、加速快和馬力更大。如同減排制度一樣，在20世紀80年代，燃油經(jīng)濟性和環(huán)境方面的問(wèn)題掀起了為小轎車(chē)和卡車(chē)制造電子引擎控制系統的第一波浪潮，小型內燃機市場(chǎng)也將遇到同樣的情況。

隨著(zhù)電子技術(shù)的不斷前進(jìn)，電子系統改變了傳統引擎的諸多觀(guān)念，小型引擎市場(chǎng)正在從機械點(diǎn)火、化油器系統轉向更加清潔高效的電子點(diǎn)火控制與電子燃油噴射（EFI）系統。電子引擎控制包括了進(jìn)氣系統、燃料系統、點(diǎn)火系統、計算機控制系統、故障診斷系統、引擎故障救援系統等復雜的電子單元。不過(guò)，引擎制造商現已能夠減少組件數量，設計出能夠精準控制引擎事件的更加小巧高效的引擎，從而提高可預測性、可靠性和燃油效率，幫助減少污染。一個(gè)典型的例子是，以往，傳統的兩沖程發(fā)動(dòng)機中的30～40%的燃油沒(méi)有燃燒就直接排放到廢氣中；通過(guò)電子燃油噴射可以減少大約75%的一氧化碳排放和大約90%的碳氫化物排放，與此同時(shí)，燃油使用也可以減少35%。節能減排的效果可以說(shuō)是立竿見(jiàn)影。

引擎控制模塊（ECM，Engine Control Module) 是整個(gè)引擎系統的靈魂，控制整個(gè)引擎的運轉?？刂埔嫦到y需要許多感應器接收并傳遞引擎運轉信息，控制引擎運轉的信息很多，包括進(jìn)氣溫度傳感器、油門(mén)開(kāi)度傳感器、歧管壓力傳感器、水溫傳感器、曲軸角度傳感器、爆震傳感器、氧傳感器等，傳感器將搜集到的引擎各種狀態(tài)信息送至ECU作運算，這些引擎運轉信息經(jīng)過(guò)運算后，會(huì )由ECU對各個(gè)執行器發(fā)出控制訊號來(lái)控制執行器的動(dòng)作，最主要的目的就是要計算并控制引擎的最佳噴油量及點(diǎn)火時(shí)機，以實(shí)現引擎工作效率盡可能高，從而達到節能減排的作用。

現代引擎控制系統需求量大，應用于各個(gè)領(lǐng)域，使用面廣，隨著(zhù)城市交通問(wèn)題和節能減排問(wèn)題的深入，車(chē)輛小型化與自動(dòng)化機械對小型化引擎的需求量不斷提升，小型引擎需要比傳統引擎更多的技術(shù)要求，包括效率，噪聲，尺寸等。在電驅動(dòng)設備一些固有問(wèn)題（耐久性與易用性）依然無(wú)法解決，以及新的燃料系統正在逐漸引入的前提下，一些微型車(chē)輛或者小型車(chē)輛上的高效小引擎，依然具有廣闊的市場(chǎng)空間。與此同時(shí)，工業(yè)自動(dòng)化特別是一些現場(chǎng)應用的機動(dòng)設備市場(chǎng)依然在不斷成長(cháng)，這部分對引擎控制系統的高效與小型化需求更為嚴格。面向21世紀，滿(mǎn)足與地球環(huán)境共存、與小型引擎結合要求的“全優(yōu)的引擎控制”將得到更加快速的發(fā)展，技術(shù)發(fā)展的勢為：① 節能和智能化；② 微、輕、薄和高速化；③驅動(dòng)、控制電路集成化和專(zhuān)用化；④ 低噪音、低振動(dòng)、低干擾；⑤ 新結構、新原理產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

電子引擎控制系統是以微控制器、微處理器或者DSP/DSC產(chǎn)品為核心，這部分系統的改善，主要目的是通過(guò)分析傳感器采集的數據，優(yōu)化算法并有效控制引擎工作狀態(tài)，進(jìn)而能夠提升引擎的工作效率，實(shí)現節能任務(wù)。MM912xP812是飛思卡爾面向摩托車(chē)及其他小引擎內燃機（單雙缸）噴油電控開(kāi)發(fā)的一款專(zhuān)用芯片，通過(guò)成熟的系統集成封裝（SiP）技術(shù)，集成了主流汽車(chē)級16位微控制器S12P以及點(diǎn)火噴油控制芯片MC33812于一體。點(diǎn)火噴油控制芯片MC33812包含以下主要功能單元，他們是3個(gè)低邊驅動(dòng)，一個(gè)預驅動(dòng)，5V電壓調節器，看門(mén)狗電路，ISO9141 K線(xiàn)接口電路，MCU并行接口電路。低邊驅動(dòng)電路主要用來(lái)驅動(dòng)噴油嘴，故障指示燈，繼電器或者另外一個(gè)噴油嘴、油泵。而預驅動(dòng)電路則可以用來(lái)驅動(dòng)IGBT或者達林頓電路，進(jìn)而驅動(dòng)點(diǎn)火線(xiàn)圈。

隨著(zhù)微控制器和微處理器等產(chǎn)品性能的提升與控制算法的完善，單純提升這部分效率已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足越來(lái)越嚴格的能效要求。

隨著(zhù)對低能耗、高安全性、高可靠性連接和精確控制的需求不斷提升，工廠(chǎng)自動(dòng)化的工業(yè)驅動(dòng)日趨復雜，需要尖端技術(shù)的支持。馬達控制系統涉及的元器件包括廣泛系列的模擬產(chǎn)品、數字控制器和軟件，能夠精確地控制機械驅動(dòng)的位置、速度以及扭矩。高效引擎控制需要搜集的信息越來(lái)越多，加入的傳感器也越來(lái)越多，模擬部分逐漸成為未來(lái)競爭的新焦點(diǎn)。這部分涉及的產(chǎn)品和技術(shù)很多，包括放大器，數據轉換器，隔離產(chǎn)品，溫度傳感器，接口和電源管理等。這更需要元器件企業(yè)擁有高度穩健的工藝技術(shù)和超長(cháng)的產(chǎn)品生命周期策略，能夠充分滿(mǎn)足客戶(hù)對可靠性和持續供應的嚴格要求。

在減排、全球性的環(huán)保呼吁以及提高能效等因素的作用下，小型引擎制造商在部署電子引擎控制系統方面遇到了難題，包括面向電動(dòng)自行車(chē)、小型摩托車(chē)和動(dòng)力設備的電噴控制（EFI）、電控化油器（e-Carb）及電子點(diǎn)火系統等。特別是對模擬與電源管理技術(shù)而言，對整個(gè)控制系統的影響非常重要，現在的解決方案基本上都依賴(lài)單獨的低功能芯片或者分立器件組合，傳統的方案無(wú)法適應最新的高效、小型化與節能的小型引擎的設計需求。更主要的是，因為模擬IC的尺寸不統一及相對較大，復雜的模擬設計方案會(huì )讓引擎控制系統的設計缺乏足夠的靈活性，若一味壓縮尺寸則易造成電子系統部分可靠性的損失，因此高集成度的模擬整體方案不僅可以縮小電路部分的尺寸，還能最大限度提升設計的靈活性以及可靠性，最大限度增加產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力。

模擬半導體產(chǎn)品在引擎中的可靠性問(wèn)題，可以通過(guò)這樣的案例說(shuō)明，為了提高引擎的精密程度，傳感器和功率管理器件就得貼近引擎。由于應用環(huán)境是在引擎罩中，內燃引擎會(huì )因為運行而變得非常熱，同時(shí)也會(huì )振動(dòng)得很厲害，所以和引擎相關(guān)的半導體器件必須非常耐用。在這樣的情況下，模擬器件要長(cháng)期保持精度和可靠，實(shí)屬不易，必須專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)。在高質(zhì)量的同時(shí)，低成本則是制約半導體產(chǎn)品在汽車(chē)中應用的另一個(gè)因素，小型引擎需要半導體產(chǎn)品來(lái)提升效率，但同樣也需要盡可能低的成本來(lái)確保整個(gè)系統沒(méi)有太高的附加成本，以贏(yíng)得市場(chǎng)的訂單，所以，模擬部分的集成度和開(kāi)發(fā)靈活性就同樣至關(guān)重要。

飛思卡爾半導體為此專(zhuān)門(mén)推出面向運輸、工業(yè)及消費品行業(yè)小型內燃機的單缸(MC33813)和雙缸(MC33814)電子控制芯片。這些用于控制小型引擎的模擬集成電路將能夠降低設計復雜性及物料和制造成本，同時(shí)幫助客戶(hù)加快新產(chǎn)品的上市速度。IC完善并擴展了飛思卡爾的摩托車(chē)引擎控制單元 (ECU)整個(gè)平臺，保留了MC9S12微控制器，但進(jìn)一步提升了集成和改進(jìn)的診斷功能。新的方案全面考慮到提供采用50-250 cc引擎的摩托車(chē)、踏板車(chē)及電動(dòng)自行車(chē)的1級引擎ECU供應商的需求。

MC33813和MC33814的目標應用中都包括摩托車(chē)、輕型摩托車(chē)、踏板車(chē)和三輪摩托出租車(chē)使用的單缸和雙缸汽油發(fā)動(dòng)機。此外，上述器件也適用于大量戶(hù)外動(dòng)力設備采用的小型引擎，如割草機、園藝拖拉機、切割機、刨邊機、鏈鋸、除雪機和吹葉機、土地耕整機、發(fā)電機及舷外引擎等。

MC33813是面向單缸摩托車(chē)及其他小型引擎應用的引擎控制模擬電源IC。它由5個(gè)集成低邊驅動(dòng)器及2個(gè)預驅動(dòng)器組成。MC33814主要面向采用雙缸引擎應用。它由6個(gè)集成低邊驅動(dòng)器及3個(gè)預驅動(dòng)器組成。這兩款I(lǐng)C中都包括1條可變磁阻傳感器（VRS）輸入電路、1個(gè)使用外部晶體管的電壓預調器、以及2個(gè)5伏調壓器（一個(gè)用于MCU VCC供電，另一個(gè)用于保護傳感器供電）。 此外，這兩款I(lǐng)C中還包括帶看門(mén)狗的1條MCU重置控制電路、面向診斷通信的1個(gè)ISO 9141 K-Line接口以及1個(gè)SPI接口。 低端驅動(dòng)器最多可驅動(dòng)2個(gè)燃油噴射器、1個(gè)燈泡以及2個(gè)繼電器或其他負荷，如燃油泵及轉速計。預驅動(dòng)器能夠驅動(dòng)IGBT或MOSFET晶體管，以便控制點(diǎn)火線(xiàn)圈及HEGO加熱器。