半導(dǎo)體技術(shù)在汽車動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

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

    之后，隨著中國(guó)汽車保有量和年產(chǎn)量的迅猛發(fā)展，中國(guó)為了進(jìn)一步保護(hù)環(huán)境推行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，先后又發(fā)布了國(guó)III、國(guó)IV法規(guī)(見(jiàn)表I)，以追趕歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的法規(guī)要求。和國(guó)際上排放法規(guī)的推行數(shù)度相比，可以看出，我國(guó)推行的力度很強(qiáng)，并且推行的步伐也更快。  

    近幾十年來(lái)，汽車技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步是以越來(lái)越多的電子技術(shù)應(yīng)用緊密聯(lián)系在一起的。電子技術(shù)在在汽車?yán)锏膹V泛應(yīng)用提高了汽車的性能，有效降低了排放，有力地推進(jìn)了汽車安全性和可靠性。而汽車電子的進(jìn)步又總是和汽車半導(dǎo)體的進(jìn)步密不可分。汽車電子的革新對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，而半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新又為汽車電子的進(jìn)步提供了必不可少的條件。動(dòng)力系統(tǒng)作為汽車電子里最重要的核心系統(tǒng)之一，半導(dǎo)體技術(shù)更是起到了非常重要的作用。半導(dǎo)體器件作為動(dòng)力系統(tǒng)的基本組成部分，直接影響到整個(gè)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(gè)方面介紹半導(dǎo)體技術(shù)在汽車動(dòng)力系統(tǒng)里的應(yīng)用，創(chuàng)新以及對(duì)汽車半導(dǎo)體未來(lái)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(dòng)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(dòng)力控制系統(tǒng)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，傳感器，執(zhí)行器的數(shù)量明顯的增加了，控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度也大大提高了。  

    為了更有效控制的汽車動(dòng)力系統(tǒng)，越來(lái)越多的傳感器被應(yīng)用到系統(tǒng)當(dāng)中。傳感器可以更準(zhǔn)確的各種測(cè)量物理參數(shù)，以便于系統(tǒng)了解當(dāng)前的狀態(tài)，為準(zhǔn)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(tǒng)提供了越來(lái)越強(qiáng)的實(shí)時(shí)運(yùn)算能力。半導(dǎo)體功率器件的不斷更新和進(jìn)步，使得執(zhí)行器，如引擎點(diǎn)火，噴油嘴，結(jié)氣門體等的控制更加準(zhǔn)確和有效。  

    汽車微控制器的進(jìn)步和革新  

    隨著汽車應(yīng)用中對(duì)于油耗，排放還有動(dòng)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(yīng)以上提到的要求，微處理器在中央處理器運(yùn)算能力，信號(hào)采集以及外設(shè)方面，以及對(duì)于執(zhí)行器的控制能力方面都得到了很大的發(fā)展。  

    動(dòng)力系統(tǒng)的革新和進(jìn)步，往往和排放法規(guī)的推出聯(lián)系在一起。作為動(dòng)力系統(tǒng)革新的推動(dòng)力，新的排放法規(guī)的出臺(tái)總是推動(dòng)著動(dòng)力系統(tǒng)的更新?lián)Q代。為了達(dá)到歐2的標(biāo)準(zhǔn)，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(kāi)始，由于系統(tǒng)對(duì)于微處理器要求的提高，16位微處理器逐漸開(kāi)始應(yīng)用在動(dòng)力系統(tǒng)當(dāng)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(rèn)可。從而在汽車的嵌入式系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。  

 



表：I型試驗(yàn)排放限值及法規(guī)執(zhí)行日期。 




 圖1：發(fā)動(dòng)機(jī)及其管理系統(tǒng)的組成。  

    C167的內(nèi)核以及外圍設(shè)備都是為引擎應(yīng)用量身定作的。比如用于產(chǎn)生控制信號(hào)的功能單元，用于優(yōu)化點(diǎn)火以及噴油的模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)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(dú)特的功能使得英飛凌16位單片機(jī)至今依然被廣泛的應(yīng)用于動(dòng)力系統(tǒng)當(dāng)中。  

    對(duì)于汽車?yán)锖芏嚯娮玉R達(dá)的控制，比如線控傳動(dòng)系統(tǒng)、啟動(dòng)馬達(dá)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(jié)構(gòu)的XC164系列提供了最優(yōu)的解決方案。隨著要求的更進(jìn)一步提高，32位微處理器越來(lái)越多的被應(yīng)用于動(dòng)力系統(tǒng)控制當(dāng)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(jié)構(gòu)以外，還集成一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理模塊。這樣系統(tǒng)處理復(fù)雜信號(hào)的能力得到了大大的提高。  

 



圖2：微控制器性能對(duì)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(nèi)核和DSP的處理芯片，同時(shí)還集成了一組精心設(shè)計(jì)的外圍設(shè)備。這組外設(shè)是為動(dòng)力系統(tǒng)專門優(yōu)化的。外設(shè)有自己的外設(shè)管理模塊。它可以獨(dú)立的完成對(duì)于外設(shè)的控制。也就是說(shuō)，外設(shè)比如時(shí)鐘、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換、CAN總線的管理都可以由外設(shè)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(shè)的中斷打斷。這樣明顯加強(qiáng)了微處理器的實(shí)時(shí)性能，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能也就相應(yīng)得提高。這對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常重要的。AUDO32位微處理器系列另一個(gè)很顯著的特點(diǎn)是運(yùn)行在中央處理器的應(yīng)用軟件和運(yùn)行在外設(shè)管理器里的底層驅(qū)動(dòng)可以分開(kāi)獨(dú)立運(yùn)行。應(yīng)用程序可以運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)比如OSEK上，而底層的驅(qū)動(dòng)程序就是應(yīng)用程序和外設(shè)之間的接口。AUDO系列微處理器還有一個(gè)獨(dú)立工作的通用時(shí)鐘陣列，具有完成復(fù)雜工作的能力。這種結(jié)構(gòu)為汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)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(shè)取代原來(lái)要專用芯片才能完成的功能，從而起到簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(lái)越復(fù)雜，尤其是對(duì)于系統(tǒng)診斷和保護(hù)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(dāng)中來(lái)完成，分立元件逐漸不能滿足這樣的要求。今天應(yīng)用于汽車動(dòng)力系統(tǒng)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(qū)動(dòng)大電流的DMOS結(jié)構(gòu)，還可以集成復(fù)雜的邏輯和控制功能，比如過(guò)流、過(guò)溫保護(hù)、診斷功能、準(zhǔn)確的電流控制，等等。這些功能明顯的加強(qiáng)了系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步節(jié)省了系統(tǒng)的成本。雖然越來(lái)越多的智能芯片被運(yùn)用于系統(tǒng)當(dāng)中，分立元件以其特有的優(yōu)勢(shì)依然常常被應(yīng)用于動(dòng)力系統(tǒng)當(dāng)中，尤其是對(duì)于功率損耗特別大的應(yīng)用，比如柴油噴射系統(tǒng)中。  

    在動(dòng)力系統(tǒng)當(dāng)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(yùn)用于驅(qū)動(dòng)這些負(fù)載。從2通道到18通道的低端多通道開(kāi)關(guān)，驅(qū)動(dòng)能力從50mA到10A，基于客戶不同的需求，總是可以在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(qū)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(kuò)展性和靈活性。Lego和Flex產(chǎn)品系列很好的體現(xiàn)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(jù)不同的需要，可以把一個(gè)或者幾個(gè)產(chǎn)品結(jié)合起來(lái)使用。  

    由于小型汽車市場(chǎng)快速發(fā)展，對(duì)于汽車動(dòng)力系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)在動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制戰(zhàn)略方面都產(chǎn)生了很深刻的影響。體現(xiàn)在汽車功率半導(dǎo)體上，系統(tǒng)需要高集成度的產(chǎn)品。由于小型汽車特殊性，為集成多種功率芯片功能于一個(gè)芯片當(dāng)中提供了可能。這樣做可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性增強(qiáng)，相應(yīng)的系統(tǒng)成本也會(huì)大幅的降低。當(dāng)然這樣的系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)的散熱處理，芯片的封裝技術(shù)等方面提出了更加嚴(yán)格的要求。  

    BCD技術(shù)同時(shí)具有DMOS，CMOS，Bipolar結(jié)構(gòu)，這使基于BCD的產(chǎn)品可以集成復(fù)雜的控制功能，這對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的功能模塊劃分產(chǎn)生了影響。越來(lái)越多地功能在系統(tǒng)功能模塊劃分中被轉(zhuǎn)移到功率器件當(dāng)中。以前很多功能需要專用芯片來(lái)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(dāng)中。比如在汽油直噴系統(tǒng)中，系統(tǒng)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(dǎo)體芯片非常有效的實(shí)現(xiàn)。智能功率半導(dǎo)體芯片還集成了保護(hù)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(cuò)誤。并且可以對(duì)這些錯(cuò)誤狀態(tài)做出相應(yīng)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。  

    汽車傳感器的廣泛應(yīng)用  

    最初傳感器在汽車引擎控制里的應(yīng)用是引擎點(diǎn)火器的控制，系統(tǒng)基于負(fù)載和轉(zhuǎn)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(xiàn)的點(diǎn)火控制很簡(jiǎn)單，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)今天越來(lái)越嚴(yán)格的油耗，排放以及動(dòng)力性能的要求。在現(xiàn)代的系統(tǒng)中，除了負(fù)載，轉(zhuǎn)速信號(hào)傳感器以外，引擎溫度，進(jìn)氣管溫度，進(jìn)氣量，節(jié)氣閥位置，氧傳感器信號(hào)等等都必須被采集和處理。只有采集了這些信號(hào)，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理，引擎控制系統(tǒng)才能準(zhǔn)確掌握引擎的狀態(tài)，從而完成準(zhǔn)確的控制。相比于被動(dòng)傳感器來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體傳感器擁有高準(zhǔn)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(dǎo)體傳感器在汽車領(lǐng)域里逐漸取代被動(dòng)傳感器，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。  

    半導(dǎo)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(hào)的預(yù)處理，診斷以及信號(hào)接口處理等等。英飛凌的集成壓力和電磁傳感器件，已經(jīng)在汽車動(dòng)力系統(tǒng)中，無(wú)數(shù)次的被應(yīng)用于測(cè)量進(jìn)氣壓力，大氣壓力，傳動(dòng)轉(zhuǎn)速，爆震檢測(cè)，節(jié)氣門位置檢測(cè)，油門位子檢測(cè)等等。  

 



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


    總結(jié)和展望  

    在半導(dǎo)體芯片在動(dòng)力總成系統(tǒng)中的應(yīng)用方面，英飛凌做了許多系統(tǒng)上的工作。英飛凌應(yīng)用32位單片機(jī)、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(jī)的控制器ECU，可以控制所有實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)負(fù)載，并且在這款ECU中不僅僅實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的管理，而且集成了自動(dòng)變速箱的控制，因此這塊ECU被稱為動(dòng)力總成系統(tǒng)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(jì)算單元； 

         2. 電源單元； 

         3. 傳感器以及傳感器信號(hào)調(diào)理單元； 

         4. 發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)負(fù)載驅(qū)動(dòng)單元； 

         5. 自動(dòng)變速箱系統(tǒng)負(fù)載驅(qū)動(dòng)單元； 

         6. 總線傳輸單元； 

         7. 調(diào)試接口單元； 

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

 



圖4：8缸發(fā)動(dòng)機(jī)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(diào)試系統(tǒng)，為32位的高速的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)以及變速箱管理體統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了有力的支持。這個(gè)系統(tǒng)的主要器件都是基于英飛凌的產(chǎn)品，體現(xiàn)了英飛凌完整的汽車電子產(chǎn)品線。  

    半導(dǎo)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(tǒng)。汽車電子動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)于高集成度的要求，以及控制系統(tǒng)的復(fù)雜性的提高必然會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)一步革新，和一系列新的產(chǎn)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(gòu)架，進(jìn)一步完善產(chǎn)品線?；贏UDO構(gòu)架卓越的運(yùn)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(yīng)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(shè)功能也將得到進(jìn)一步的加強(qiáng)。并且AUDO微處理器非常重視可擴(kuò)展性和軟件的兼容性，這為軟件的重復(fù)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(kuò)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(dǎo)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(yīng)，監(jiān)視和通信。一個(gè)全橋芯片管理節(jié)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(dāng)中。這個(gè)接口將一方面提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挘硪环矫鎸⒂行У慕档拖到y(tǒng)對(duì)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(zhǎng)的導(dǎo)線才能和控制模塊連接起來(lái)，這對(duì)電磁輻射，信號(hào)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(tǒng)將會(huì)取得重要地位，通信數(shù)字化也將成為趨勢(shì)。  

    汽車半導(dǎo)體的技術(shù)進(jìn)步和革新，必須和汽車系統(tǒng)的進(jìn)步和革新緊密聯(lián)系。在系統(tǒng)層面上對(duì)功能的科學(xué)規(guī)劃可以有效控制半導(dǎo)體成本的同時(shí)，提高系統(tǒng)的性能，并且滿足汽車行業(yè)嚴(yán)格的可靠性和質(zhì)量的要求。