半導體技術在汽車動力系統(tǒng)中的應用分析

    自從2001年4月16日，國家環(huán)保總局正式發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(II)》，中國正逐步加快對汽車排放進行限制的步伐。 

    之后，隨著中國汽車保有量和年產量的迅猛發(fā)展，中國為了進一步保護環(huán)境推行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，先后又發(fā)布了國III、國IV法規(guī)(見表I)，以追趕歐美等發(fā)達國家的法規(guī)要求。和國際上排放法規(guī)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，汽車技術的發(fā)展和進步是以越來越多的電子技術應用緊密聯(lián)系在一起的。電子技術在在汽車里的廣泛應用提高了汽車的性能，有效降低了排放，有力地推進了汽車安全性和可靠性。而汽車電子的進步又總是和汽車半導體的進步密不可分。汽車電子的革新對半導體技術提出了新的挑戰(zhàn)，而半導體技術的創(chuàng)新又為汽車電子的進步提供了必不可少的條件。動力系統(tǒng)作為汽車電子里最重要的核心系統(tǒng)之一，半導體技術更是起到了非常重要的作用。半導體器件作為動力系統(tǒng)的基本組成部分，直接影響到整個系統(tǒng)的規(guī)劃，布局和系統(tǒng)控制戰(zhàn)略。下面從微處理器，傳感器和汽車功率器件等幾個方面介紹半導體技術在汽車動力系統(tǒng)里的應用，創(chuàng)新以及對汽車半導體未來的展望。  

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

    為了更有效控制的汽車動力系統(tǒng)，越來越多的傳感器被應用到系統(tǒng)當中。傳感器可以更準確的各種測量物理參數，以便于系統(tǒng)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，為動力系統(tǒng)提供了越來越強的實時運算能力。半導體功率器件的不斷更新和進步，使得執(zhí)行器，如引擎點火，噴油嘴，結氣門體等的控制更加準確和有效。  

    汽車微控制器的進步和革新  

    隨著汽車應用中對于油耗，排放還有動力性能更高的要求，微處理器面臨著巨大的挑戰(zhàn)。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(zhí)行器的控制能力方面都得到了很大的發(fā)展。  

    動力系統(tǒng)的革新和進步，往往和排放法規(guī)的推出聯(lián)系在一起。作為動力系統(tǒng)革新的推動力，新的排放法規(guī)的出臺總是推動著動力系統(tǒng)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(tǒng)中。從90年代初開始，由于系統(tǒng)對于微處理器要求的提高，16位微處理器逐漸開始應用在動力系統(tǒng)當中。英飛凌16位微處理器C167以卓越的實時處理能力在市場上得到了廣泛的認可。從而在汽車的嵌入式系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應用。  

 



表：I型試驗排放限值及法規(guī)執(zhí)行日期。 




 圖1：發(fā)動機及其管理系統(tǒng)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。比如用于產生控制信號的功能單元，用于優(yōu)化點火以及噴油的模數/數模轉換器等等都為引擎控制系統(tǒng)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力系統(tǒng)當中。  

    對于汽車里很多電子馬達的控制，比如線控傳動系統(tǒng)、啟動馬達系統(tǒng)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。隨著要求的更進一步提高，32位微處理器越來越多的被應用于動力系統(tǒng)控制當中，英飛凌32位Tricore是這個領域的佼佼者。Tricore除了具有RISC結構以外，還集成一個數字信號處理模塊。這樣系統(tǒng)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，同時還集成了一組精心設計的外圍設備。這組外設是為動力系統(tǒng)專門優(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，外設比如時鐘、模數/數模轉換、CAN總線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。主處理器程序不會被外設的中斷打斷。這樣明顯加強了微處理器的實時性能，系統(tǒng)的實時性能也就相應得提高。這對于動力系統(tǒng)來說是非常重要的。AUDO32位微處理器系列另一個很顯著的特點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可以分開獨立運行。應用程序可以運行標準的操作系統(tǒng)比如OSEK上，而底層的驅動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獨立工作的通用時鐘陣列，具有完成復雜工作的能力。這種結構為汽車動力控制系統(tǒng)中的噴射控制，點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要專用芯片才能完成的功能，從而起到簡化系統(tǒng)結構，降低系統(tǒng)成本的作用。  

    汽車功率器件面臨的挑戰(zhàn)  

    控制系統(tǒng)最初主要是由分立元器件組成的。隨著控制系統(tǒng)越來越復雜，尤其是對于系統(tǒng)診斷和保護功能的新的要求，以及系統(tǒng)把一些特定的功能分配到功率器件當中來完成，分立元件逐漸不能滿足這樣的要求。今天應用于汽車動力系統(tǒng)中的功率器件大都基于BCD技術(Bipolar CMOS DMOS)。這種技術不僅有能夠驅動大電流的DMOS結構，還可以集成復雜的邏輯和控制功能，比如過流、過溫保護、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(tǒng)的可靠性，同時為OBD提供了很大的方便。越來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(tǒng)結構，進一步節(jié)省了系統(tǒng)的成本。雖然越來越多的智能芯片被運用于系統(tǒng)當中，分立元件以其特有的優(yōu)勢依然常常被應用于動力系統(tǒng)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(tǒng)中。  

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

    由于小型汽車市場快速發(fā)展，對于汽車動力系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)在動力系統(tǒng)結構，控制戰(zhàn)略方面都產生了很深刻的影響。體現(xiàn)在汽車功率半導體上，系統(tǒng)需要高集成度的產品。由于小型汽車特殊性，為集成多種功率芯片功能于一個芯片當中提供了可能。這樣做可以使系統(tǒng)結構緊湊，可靠性增強，相應的系統(tǒng)成本也會大幅的降低。當然這樣的系統(tǒng)對于系統(tǒng)的散熱處理，芯片的封裝技術等方面提出了更加嚴格的要求。  

    BCD技術同時具有DMOS，CMOS，Bipolar結構，這使基于BCD的產品可以集成復雜的控制功能，這對動力系統(tǒng)的功能模塊劃分產生了影響。越來越多地功能在系統(tǒng)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用芯片來完成，或者需要占用很多微處理器資源，現(xiàn)在都被集成在功率器件當中。比如在汽油直噴系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要一個Peak and Hold的功能，這個功能就能夠由基于BCD技術的功率半導體芯片非常有效的實現(xiàn)。智能功率半導體芯片還集成了保護和診斷功功能，可以自動診斷短路，過流，過溫開路等錯誤。并且可以對這些錯誤狀態(tài)做出相應的處理，比如說過溫過流情況下的自動關斷。這些診斷信息經過編碼后，還可以通過串行通信接口和微處理器進行通信。  

    汽車傳感器的廣泛應用  

    最初傳感器在汽車引擎控制里的應用是引擎點火器的控制，系統(tǒng)基于負載和轉速來決定點火角度和點火時間。通過這種技術實現(xiàn)的點火控制很簡單，已經遠遠不能適應今天越來越嚴格的油耗，排放以及動力性能的要求。在現(xiàn)代的系統(tǒng)中，除了負載，轉速信號傳感器以外，引擎溫度，進氣管溫度，進氣量，節(jié)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，并對這些信號進行處理，引擎控制系統(tǒng)才能準確掌握引擎的狀態(tài)，從而完成準確的控制。相比于被動傳感器來說，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。因而半導體傳感器在汽車領域里逐漸取代被動傳感器，得到了越來越廣泛的應用。  

    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，已經在汽車動力系統(tǒng)中，無數次的被應用于測量進氣壓力，大氣壓力，傳動轉速，爆震檢測，節(jié)氣門位置檢測，油門位子檢測等等。  

 



圖3：8缸發(fā)動機控制ECU基于英飛凌汽車電子器件。  


    總結和展望  

    在半導體芯片在動力總成系統(tǒng)中的應用方面，英飛凌做了許多系統(tǒng)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)動機的控制器ECU，可以控制所有實際的發(fā)動機管理系統(tǒng)負載，并且在這款ECU中不僅僅實現(xiàn)了發(fā)動機系統(tǒng)的管理，而且集成了自動變速箱的控制，因此這塊ECU被稱為動力總成系統(tǒng)電控單元。通過圖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)動機管理系統(tǒng)負載驅動單元； 

         5. 自動變速箱系統(tǒng)負載驅動單元； 

         6. 總線傳輸單元； 

         7. 調試接口單元； 

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

 



圖4：8缸發(fā)動機控制ECU框圖。  

    通過這一綜合的電控單元，可以十分輕松的調試系統(tǒng)，為32位的高速的發(fā)動機管理系統(tǒng)以及變速箱管理體統(tǒng)的開發(fā)提供了有力的支持。這個系統(tǒng)的主要器件都是基于英飛凌的產品，體現(xiàn)了英飛凌完整的汽車電子產品線。  

    半導體產品：微處理器，功率芯片和傳感器組成了整個動力電子控制系統(tǒng)。汽車電子動力系統(tǒng)對于高集成度的要求，以及控制系統(tǒng)的復雜性的提高必然會導致半導體技術的進一步革新，和一系列新的產品的出現(xiàn)。  

    在微處理器方面英飛凌將繼續(xù)上面介紹的AUDO構架，進一步完善產品線。基于AUDO構架卓越的運算能力以及優(yōu)秀的實時處理能力，英飛凌會推出低端32位微處理器，以適應不同市場的需求。AUDO微處理器的主頻將進一步提高。外設功能也將得到進一步的加強。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，將越來越注重靈活性，模塊性和可擴展性。產品向高集成度方面發(fā)展。以一個4缸的引擎控制作為例子，在功率半導體方面，只要一個多通道低端開關，一個芯片完成電源供應，監(jiān)視和通信。一個全橋芯片管理節(jié)氣們體和4個IGBT來完成點火功能就可以組成一個完整的4缸引擎的控制。英飛凌正在推出一個快速的串行接口。這個接口已經被集成在英飛凌的很多產品當中。這個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(tǒng)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，需要較長的導線才能和控制模塊連接起來，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。將來傳感器和微處理器通過雙工通信接口相連的系統(tǒng)將會取得重要地位，通信數字化也將成為趨勢。  

    汽車半導體的技術進步和革新，必須和汽車系統(tǒng)的進步和革新緊密聯(lián)系。在系統(tǒng)層面上對功能的科學規(guī)劃可以有效控制半導體成本的同時，提高系統(tǒng)的性能，并且滿足汽車行業(yè)嚴格的可靠性和質量的要求。