飛思卡爾簡(jiǎn)化電控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 提速節(jié)能高效革命

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界半數(shù)左右的能源消耗在各種馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備中，引擎作為這些設(shè)備的核心，在全球性節(jié)能環(huán)保的大趨勢(shì)下，成為提升與改善能效最受關(guān)注的部分?，F(xiàn)代的引擎再不是一個(gè)刻板的系統(tǒng)，而是能利用執(zhí)行器與電機(jī)根據(jù)不同駕駛情況的需要夠提供廣泛的動(dòng)態(tài)調(diào)整，進(jìn)而優(yōu)化引擎燃燒效率。改善驅(qū)動(dòng)設(shè)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(dǎo)體技術(shù)在其中扮演的角色不容忽視。

電子技術(shù)出現(xiàn)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(shì)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(jì)80年代，燃油經(jīng)濟(jì)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(tǒng)的第一波浪潮，小型內(nèi)燃機(jī)市場(chǎng)也將遇到同樣的情況。

隨著電子技術(shù)的不斷前進(jìn)，電子系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)引擎的諸多觀念，小型引擎市場(chǎng)正在從機(jī)械點(diǎn)火、化油器系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(tǒng)。電子引擎控制包括了進(jìn)氣系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、引擎故障救援系統(tǒng)等復(fù)雜的電子單元。不過(guò)，引擎制造商現(xiàn)已能夠減少組件數(shù)量，設(shè)計(jì)出能夠精準(zhǔn)控制引擎事件的更加小巧高效的引擎，從而提高可預(yù)測(cè)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(tǒng)的兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)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?xì)浠锱欧?，與此同時(shí)，燃油使用也可以減少35%。節(jié)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(tǒng)的靈魂，控制整個(gè)引擎的運(yùn)轉(zhuǎn)。控制引擎系統(tǒng)需要許多感應(yīng)器接收并傳遞引擎運(yùn)轉(zhuǎn)信息，控制引擎運(yùn)轉(zhuǎn)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(yùn)算，這些引擎運(yùn)轉(zhuǎn)信息經(jīng)過(guò)運(yùn)算后，會(huì)由ECU對(duì)各個(gè)執(zhí)行器發(fā)出控制訊號(hào)來(lái)控制執(zhí)行器的動(dòng)作，最主要的目的就是要計(jì)算并控制引擎的最佳噴油量及點(diǎn)火時(shí)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)引擎工作效率盡可能高，從而達(dá)到節(jié)能減排的作用。

現(xiàn)代引擎控制系統(tǒng)需求量大，應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，使用面廣，隨著城市交通問(wèn)題和節(jié)能減排問(wèn)題的深入，車(chē)輛小型化與自動(dòng)化機(jī)械對(duì)小型化引擎的需求量不斷提升，小型引擎需要比傳統(tǒng)引擎更多的技術(shù)要求，包括效率，噪聲，尺寸等。在電驅(qū)動(dòng)設(shè)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(tǒng)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(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的機(jī)動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)依然在不斷成長(zhǎng)，這部分對(duì)引擎控制系統(tǒng)的高效與小型化需求更為嚴(yán)格。面向21世紀(jì)，滿足與地球環(huán)境共存、與小型引擎結(jié)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(shì)為：① 節(jié)能和智能化；② 微、輕、薄和高速化；③驅(qū)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(jié)構(gòu)、新原理產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

電子引擎控制系統(tǒng)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(tǒng)的改善，主要目的是通過(guò)分析傳感器采集的數(shù)據(jù)，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(xiàn)節(jié)能任務(wù)。MM912xP812是飛思卡爾面向摩托車(chē)及其他小引擎內(nèi)燃機(jī)（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(tǒng)集成封裝（SiP）技術(shù)，集成了主流汽車(chē)級(jí)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(qū)動(dòng)，一個(gè)預(yù)驅(qū)動(dòng)，5V電壓調(diào)節(jié)器，看門(mén)狗電路，ISO9141 K線接口電路，MCU并行接口電路。低邊驅(qū)動(dòng)電路主要用來(lái)驅(qū)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(yù)驅(qū)動(dòng)電路則可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT或者達(dá)林頓電路，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)點(diǎn)火線圈。

隨著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)法滿足越來(lái)越嚴(yán)格的能效要求。

隨著對(duì)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，工廠自動(dòng)化的工業(yè)驅(qū)動(dòng)日趨復(fù)雜，需要尖端技術(shù)的支持。馬達(dá)控制系統(tǒng)涉及的元器件包括廣泛系列的模擬產(chǎn)品、數(shù)字控制器和軟件，能夠精確地控制機(jī)械驅(qū)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(jìng)爭(zhēng)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(wěn)健的工藝技術(shù)和超長(zhǎng)的產(chǎn)品生命周期策略，能夠充分滿足客戶對(duì)可靠性和持續(xù)供應(yīng)的嚴(yán)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(tǒng)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(shè)備的電噴控制（EFI）、電控化油器（e-Carb）及電子點(diǎn)火系統(tǒng)等。特別是對(duì)模擬與電源管理技術(shù)而言，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的影響非常重要，現(xiàn)在的解決方案基本上都依賴單獨(dú)的低功能芯片或者分立器件組合，傳統(tǒng)的方案無(wú)法適應(yīng)最新的高效、小型化與節(jié)能的小型引擎的設(shè)計(jì)需求。更主要的是，因?yàn)槟MIC的尺寸不統(tǒng)一及相對(duì)較大，復(fù)雜的模擬設(shè)計(jì)方案會(huì)讓引擎控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺乏足夠的靈活性，若一味壓縮尺寸則易造成電子系統(tǒng)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(shè)計(jì)的靈活性以及可靠性，最大限度增加產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

模擬半導(dǎo)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(yīng)用環(huán)境是在引擎罩中，內(nèi)燃引擎會(huì)因?yàn)檫\(yùn)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(dǎo)體器件必須非常耐用。在這樣的情況下，模擬器件要長(zhǎng)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(dǎo)體產(chǎn)品在汽車(chē)中應(yīng)用的另一個(gè)因素，小型引擎需要半導(dǎo)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(tǒng)沒(méi)有太高的附加成本，以贏得市場(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(dǎo)體為此專(zhuān)門(mén)推出面向運(yùn)輸、工業(yè)及消費(fèi)品行業(yè)小型內(nèi)燃機(jī)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(shè)計(jì)復(fù)雜性及物料和制造成本，同時(shí)幫助客戶加快新產(chǎn)品的上市速度。IC完善并擴(kuò)展了飛思卡爾的摩托車(chē)引擎控制單元 (ECU)整個(gè)平臺(tái)，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(jí)引擎ECU供應(yīng)商的需求。

MC33813和MC33814的目標(biāo)應(yīng)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(jī)。此外，上述器件也適用于大量戶外動(dòng)力設(shè)備采用的小型引擎，如割草機(jī)、園藝拖拉機(jī)、切割機(jī)、刨邊機(jī)、鏈鋸、除雪機(jī)和吹葉機(jī)、土地耕整機(jī)、發(fā)電機(jī)及舷外引擎等。

MC33813是面向單缸摩托車(chē)及其他小型引擎應(yīng)用的引擎控制模擬電源IC。它由5個(gè)集成低邊驅(qū)動(dòng)器及2個(gè)預(yù)驅(qū)動(dòng)器組成。MC33814主要面向采用雙缸引擎應(yīng)用。它由6個(gè)集成低邊驅(qū)動(dòng)器及3個(gè)預(yù)驅(qū)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(yù)調(diào)器、以及2個(gè)5伏調(diào)壓器（一個(gè)用于MCU VCC供電，另一個(gè)用于保護(hù)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(qū)動(dòng)器最多可驅(qū)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(fù)荷，如燃油泵及轉(zhuǎn)速計(jì)。預(yù)驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)IGBT或MOSFET晶體管，以便控制點(diǎn)火線圈及HEGO加熱器。