半導體技術(shù)在汽車(chē)動(dòng)力系統中的應用分析

    自從2001年4月16日，國家環(huán)?？偩终桨l(fā)布了《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測量方法(II)》，中國正逐步加快對汽車(chē)排放進(jìn)行限制的步伐。 

    之后，隨著(zhù)中國汽車(chē)保有量和年產(chǎn)量的迅猛發(fā)展，中國為了進(jìn)一步保護環(huán)境推行可持續發(fā)展戰略，先后又發(fā)布了國III、國IV法規(見(jiàn)表I)，以追趕歐美等發(fā)達國家的法規要求。和國際上排放法規的推行數度相比，可以看出，我國推行的力度很強，并且推行的步伐也更快。  

    近幾十年來(lái)，汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步是以越來(lái)越多的電子技術(shù)應用緊密聯(lián)系在一起的。電子技術(shù)在在汽車(chē)里的廣泛應用提高了汽車(chē)的性能，有效降低了排放，有力地推進(jìn)了汽車(chē)安全性和可靠性。而汽車(chē)電子的進(jìn)步又總是和汽車(chē)半導體的進(jìn)步密不可分。汽車(chē)電子的革新對半導體技術(shù)提出了新的挑戰，而半導體技術(shù)的創(chuàng )新又為汽車(chē)電子的進(jìn)步提供了必不可少的條件。動(dòng)力系統作為汽車(chē)電子里最重要的核心系統之一，半導體技術(shù)更是起到了非常重要的作用。半導體器件作為動(dòng)力系統的基本組成部分，直接影響到整個(gè)系統的規劃，布局和系統控制戰略。下面從微處理器，傳感器和汽車(chē)功率器件等幾個(gè)方面介紹半導體技術(shù)在汽車(chē)動(dòng)力系統里的應用，創(chuàng )新以及對汽車(chē)半導體未來(lái)的展望。  

    隨著(zhù)汽車(chē)性能包括排放，可靠性和安全性的不斷提高，一代又一代汽車(chē)的動(dòng)力系統發(fā)生了非常大的變化。如果比較這一代又一代的汽車(chē)動(dòng)力控制系統，我們會(huì )發(fā)現，傳感器，執行器的數量明顯的增加了，控制系統的復雜程度也大大提高了。  

    為了更有效控制的汽車(chē)動(dòng)力系統，越來(lái)越多的傳感器被應用到系統當中。傳感器可以更準確的各種測量物理參數，以便于系統了解當前的狀態(tài)，為準確有效的控制提供了可能。一代又一代微處理器的推出，為動(dòng)力系統提供了越來(lái)越強的實(shí)時(shí)運算能力。半導體功率器件的不斷更新和進(jìn)步，使得執行器，如引擎點(diǎn)火，噴油嘴，結氣門(mén)體等的控制更加準確和有效。  

    汽車(chē)微控制器的進(jìn)步和革新  

    隨著(zhù)汽車(chē)應用中對于油耗，排放還有動(dòng)力性能更高的要求，微處理器面臨著(zhù)巨大的挑戰。為了適應以上提到的要求，微處理器在中央處理器運算能力，信號采集以及外設方面，以及對于執行器的控制能力方面都得到了很大的發(fā)展。  

    動(dòng)力系統的革新和進(jìn)步，往往和排放法規的推出聯(lián)系在一起。作為動(dòng)力系統革新的推動(dòng)力，新的排放法規的出臺總是推動(dòng)著(zhù)動(dòng)力系統的更新?lián)Q代。為了達到歐2的標準，8位微處理器就足以滿(mǎn)足要求。英飛凌的8位微處理器C505今天依然被廣泛的使用在這樣的系統中。從90年代初開(kāi)始，由于系統對于微處理器要求的提高，16位微處理器逐漸開(kāi)始應用在動(dòng)力系統當中。英飛凌16位微處理器C167以卓越的實(shí)時(shí)處理能力在市場(chǎng)上得到了廣泛的認可。從而在汽車(chē)的嵌入式系統中得到了非常廣泛的應用。  

 



表：I型試驗排放限值及法規執行日期。 




 圖1：發(fā)動(dòng)機及其管理系統的組成。  

    C167的內核以及外圍設備都是為引擎應用量身定作的。比如用于產(chǎn)生控制信號的功能單元，用于優(yōu)化點(diǎn)火以及噴油的模數/數模轉換器等等都為引擎控制系統提供很多方便。正是由于這些獨特的功能使得英飛凌16位單片機至今依然被廣泛的應用于動(dòng)力系統當中。  

    對于汽車(chē)里很多電子馬達的控制，比如線(xiàn)控傳動(dòng)系統、啟動(dòng)馬達系統或者電子增壓渦輪控制，英飛凌8位C868或者是基于C166v2結構的XC164系列提供了最優(yōu)的解決方案。隨著(zhù)要求的更進(jìn)一步提高，32位微處理器越來(lái)越多的被應用于動(dòng)力系統控制當中，英飛凌32位Tricore是這個(gè)領(lǐng)域的佼佼者。Tricore除了具有RISC結構以外，還集成一個(gè)數字信號處理模塊。這樣系統處理復雜信號的能力得到了大大的提高。  

 



圖2：微控制器性能對燃油消耗量的影響。  

    英飛凌推出的32位微處理器AUDO系列不僅僅具有32位的內核和DSP的處理芯片，同時(shí)還集成了一組精心設計的外圍設備。這組外設是為動(dòng)力系統專(zhuān)門(mén)優(yōu)化的。外設有自己的外設管理模塊。它可以獨立的完成對于外設的控制。也就是說(shuō)，外設比如時(shí)鐘、模數/數模轉換、CAN總線(xiàn)的管理都可以由外設管理器直接完成，不需要占用主處理的資源。主處理器程序不會(huì )被外設的中斷打斷。這樣明顯加強了微處理器的實(shí)時(shí)性能，系統的實(shí)時(shí)性能也就相應得提高。這對于動(dòng)力系統來(lái)說(shuō)是非常重要的。AUDO32位微處理器系列另一個(gè)很顯著(zhù)的特點(diǎn)是運行在中央處理器的應用軟件和運行在外設管理器里的底層驅動(dòng)可以分開(kāi)獨立運行。應用程序可以運行標準的操作系統比如OSEK上，而底層的驅動(dòng)程序就是應用程序和外設之間的接口。AUDO系列微處理器還有一個(gè)獨立工作的通用時(shí)鐘陣列，具有完成復雜工作的能力。這種結構為汽車(chē)動(dòng)力控制系統中的噴射控制，點(diǎn)火控制等提供了最優(yōu)的解決方案。這一系列的外設取代原來(lái)要專(zhuān)用芯片才能完成的功能，從而起到簡(jiǎn)化系統結構，降低系統成本的作用。  

    汽車(chē)功率器件面臨的挑戰  

    控制系統最初主要是由分立元器件組成的。隨著(zhù)控制系統越來(lái)越復雜，尤其是對于系統診斷和保護功能的新的要求，以及系統把一些特定的功能分配到功率器件當中來(lái)完成，分立元件逐漸不能滿(mǎn)足這樣的要求。今天應用于汽車(chē)動(dòng)力系統中的功率器件大都基于BCD技術(shù)(Bipolar CMOS DMOS)。這種技術(shù)不僅有能夠驅動(dòng)大電流的DMOS結構，還可以集成復雜的邏輯和控制功能，比如過(guò)流、過(guò)溫保護、診斷功能、準確的電流控制，等等。這些功能明顯的加強了系統的可靠性，同時(shí)為OBD提供了很大的方便。越來(lái)越多的功能被集成在功率器件里，這也有效的優(yōu)化了系統結構，進(jìn)一步節省了系統的成本。雖然越來(lái)越多的智能芯片被運用于系統當中，分立元件以其特有的優(yōu)勢依然常常被應用于動(dòng)力系統當中，尤其是對于功率損耗特別大的應用，比如柴油噴射系統中。  

    在動(dòng)力系統當中，功率器件控制噴嘴，氧傳感器加熱器，點(diǎn)火裝置，風(fēng)扇以及各種各樣的繼電器等等。英飛凌提供一個(gè)非常全的產(chǎn)品系列，能夠被運用于驅動(dòng)這些負載。從2通道到18通道的低端多通道開(kāi)關(guān)，驅動(dòng)能力從50mA到10A，基于客戶(hù)不同的需求，總是可以在這個(gè)標準產(chǎn)品系列中選取合適的產(chǎn)品?；谧钚碌募夹g(shù)和封裝英飛凌仍然在不斷完善這個(gè)驅動(dòng)產(chǎn)品系列。在這個(gè)產(chǎn)品系列中，英飛凌非常重視模塊性，可擴展性和靈活性。Lego和Flex產(chǎn)品系列很好的體現了這幾個(gè)特性，產(chǎn)品系列中不同產(chǎn)品具有很好的兼容性。根據不同的需要，可以把一個(gè)或者幾個(gè)產(chǎn)品結合起來(lái)使用。  

    由于小型汽車(chē)市場(chǎng)快速發(fā)展，對于汽車(chē)動(dòng)力系統提出了新的挑戰。這種挑戰在動(dòng)力系統結構，控制戰略方面都產(chǎn)生了很深刻的影響。體現在汽車(chē)功率半導體上，系統需要高集成度的產(chǎn)品。由于小型汽車(chē)特殊性，為集成多種功率芯片功能于一個(gè)芯片當中提供了可能。這樣做可以使系統結構緊湊，可靠性增強，相應的系統成本也會(huì )大幅的降低。當然這樣的系統對于系統的散熱處理，芯片的封裝技術(shù)等方面提出了更加嚴格的要求。  

    BCD技術(shù)同時(shí)具有DMOS，CMOS，Bipolar結構，這使基于BCD的產(chǎn)品可以集成復雜的控制功能，這對動(dòng)力系統的功能模塊劃分產(chǎn)生了影響。越來(lái)越多地功能在系統功能模塊劃分中被轉移到功率器件當中。以前很多功能需要專(zhuān)用芯片來(lái)完成，或者需要占用很多微處理器資源，現在都被集成在功率器件當中。比如在汽油直噴系統中，系統需要一個(gè)Peak and Hold的功能，這個(gè)功能就能夠由基于BCD技術(shù)的功率半導體芯片非常有效的實(shí)現。智能功率半導體芯片還集成了保護和診斷功功能，可以自動(dòng)診斷短路，過(guò)流，過(guò)溫開(kāi)路等錯誤。并且可以對這些錯誤狀態(tài)做出相應的處理，比如說(shuō)過(guò)溫過(guò)流情況下的自動(dòng)關(guān)斷。這些診斷信息經(jīng)過(guò)編碼后，還可以通過(guò)串行通信接口和微處理器進(jìn)行通信。  

    汽車(chē)傳感器的廣泛應用  

    最初傳感器在汽車(chē)引擎控制里的應用是引擎點(diǎn)火器的控制，系統基于負載和轉速來(lái)決定點(diǎn)火角度和點(diǎn)火時(shí)間。通過(guò)這種技術(shù)實(shí)現的點(diǎn)火控制很簡(jiǎn)單，已經(jīng)遠遠不能適應今天越來(lái)越嚴格的油耗，排放以及動(dòng)力性能的要求。在現代的系統中，除了負載，轉速信號傳感器以外，引擎溫度，進(jìn)氣管溫度，進(jìn)氣量，節氣閥位置，氧傳感器信號等等都必須被采集和處理。只有采集了這些信號，并對這些信號進(jìn)行處理，引擎控制系統才能準確掌握引擎的狀態(tài)，從而完成準確的控制。相比于被動(dòng)傳感器來(lái)說(shuō)，半導體傳感器擁有高準確度，高抗干擾性能和很好的耐久性能等優(yōu)點(diǎn)。因而半導體傳感器在汽車(chē)領(lǐng)域里逐漸取代被動(dòng)傳感器，得到了越來(lái)越廣泛的應用。  

    半導體傳感器不僅具有感知部件，還往往集成了很多別的功能，比如信號的預處理，診斷以及信號接口處理等等。英飛凌的集成壓力和電磁傳感器件，已經(jīng)在汽車(chē)動(dòng)力系統中，無(wú)數次的被應用于測量進(jìn)氣壓力，大氣壓力，傳動(dòng)轉速，爆震檢測，節氣門(mén)位置檢測，油門(mén)位子檢測等等。  

 



圖3：8缸發(fā)動(dòng)機控制ECU基于英飛凌汽車(chē)電子器件。  


    總結和展望  

    在半導體芯片在動(dòng)力總成系統中的應用方面，英飛凌做了許多系統上的工作。英飛凌應用32位單片機、智能功率器件以及部分傳感器，成功研制一款8缸發(fā)動(dòng)機的控制器ECU，可以控制所有實(shí)際的發(fā)動(dòng)機管理系統負載，并且在這款ECU中不僅僅實(shí)現了發(fā)動(dòng)機系統的管理，而且集成了自動(dòng)變速箱的控制，因此這塊ECU被稱(chēng)為動(dòng)力總成系統電控單元。通過(guò)圖3、圖4可以看到該電控單元的框圖，其中主要分為以下幾個(gè)部分： 

         1. 計算單元； 

         2. 電源單元； 

         3. 傳感器以及傳感器信號調理單元； 

         4. 發(fā)動(dòng)機管理系統負載驅動(dòng)單元； 

         5. 自動(dòng)變速箱系統負載驅動(dòng)單元； 

         6. 總線(xiàn)傳輸單元； 

         7. 調試接口單元； 

         8. 發(fā)動(dòng)機及變速箱模擬單元，包括爆震信號模擬等。  

 



圖4：8缸發(fā)動(dòng)機控制ECU框圖。  

    通過(guò)這一綜合的電控單元，可以十分輕松的調試系統，為32位的高速的發(fā)動(dòng)機管理系統以及變速箱管理體統的開(kāi)發(fā)提供了有力的支持。這個(gè)系統的主要器件都是基于英飛凌的產(chǎn)品，體現了英飛凌完整的汽車(chē)電子產(chǎn)品線(xiàn)。  

    半導體產(chǎn)品：微處理器，功率芯片和傳感器組成了整個(gè)動(dòng)力電子控制系統。汽車(chē)電子動(dòng)力系統對于高集成度的要求，以及控制系統的復雜性的提高必然會(huì )導致半導體技術(shù)的進(jìn)一步革新，和一系列新的產(chǎn)品的出現。  

    在微處理器方面英飛凌將繼續上面介紹的AUDO構架，進(jìn)一步完善產(chǎn)品線(xiàn)?；贏(yíng)UDO構架卓越的運算能力以及優(yōu)秀的實(shí)時(shí)處理能力，英飛凌會(huì )推出低端32位微處理器，以適應不同市場(chǎng)的需求。AUDO微處理器的主頻將進(jìn)一步提高。外設功能也將得到進(jìn)一步的加強。并且AUDO微處理器非常重視可擴展性和軟件的兼容性，這為軟件的重復使用創(chuàng )造了很好的條件。  

    在功率器件方面，將越來(lái)越注重靈活性，模塊性和可擴展性。產(chǎn)品向高集成度方面發(fā)展。以一個(gè)4缸的引擎控制作為例子，在功率半導體方面，只要一個(gè)多通道低端開(kāi)關(guān)，一個(gè)芯片完成電源供應，監視和通信。一個(gè)全橋芯片管理節氣們體和4個(gè)IGBT來(lái)完成點(diǎn)火功能就可以組成一個(gè)完整的4缸引擎的控制。英飛凌正在推出一個(gè)快速的串行接口。這個(gè)接口已經(jīng)被集成在英飛凌的很多產(chǎn)品當中。這個(gè)接口將一方面提高數據傳輸的帶寬，另一方面將有效的降低系統對于微處理器I/O資源的要求。  

    傳感器方面，由于傳感器往往不在控制模塊上，需要較長(cháng)的導線(xiàn)才能和控制模塊連接起來(lái)，這對電磁輻射，信號通信以及傳感器的工作溫度等等提出很多要求。將來(lái)傳感器和微處理器通過(guò)雙工通信接口相連的系統將會(huì )取得重要地位，通信數字化也將成為趨勢。  

    汽車(chē)半導體的技術(shù)進(jìn)步和革新，必須和汽車(chē)系統的進(jìn)步和革新緊密聯(lián)系。在系統層面上對功能的科學(xué)規劃可以有效控制半導體成本的同時(shí)，提高系統的性能，并且滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)嚴格的可靠性和質(zhì)量的要求。