半导体技术在汽车动力系统中的应用分析 - 文章

半导体技术在汽车动力系统中的应用分析

作者：英飞凌半导体公司陈铂张涵来源：电子工程专辑

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自从2001年4月16日，国家环保总局正式发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(II)》，中国正逐步加快对汽车排放进行限制的步伐。之后，随着中国汽车保有量和年产量的迅猛发展，中国为了进一步保护环境推行可持续发展战略，先后又发布了国III、国IV法规(见表I)，以追赶欧美等发达国家的法规要求。和国际上排放法规的推行数度相比，可以看出，我国推行的力度很强，并且推行的步伐也更快。

近几十年来，汽车技术的发展和进步是以越来越多的电子技术应用紧密联系在一起的。电子技术在在汽车里的广泛应用提高了汽车的性能，有效降低了排放，有力地推进了汽车安全性和可靠性。而汽车电子的进步又总是和汽车半导体的进步密不可分。汽车电子的革新对半导体技术提出了新的挑战，而半导体技术的创新又为汽车电子的进步提供了必不可少的条件。动力系统作为汽车电子里最重要的核心系统之一，半导体技术更是起到了非常重要的作用。半导体器件作为动力系统的基本组成部分，直接影响到整个系统的规划，布局和系统控制战略。下面从微处理器，传感器和汽车功率器件等几个方面介绍半导体技术在汽车动力系统里的应用，创新以及对汽车半导体未来的展望。

随着汽车性能包括排放，可靠性和安全性的不断提高，一代又一代汽车的动力系统发生了非常大的变化。如果比较这一代又一代的汽车动力控制系统，我们会发现，传感器，执行器的数量明显的增加了，控制系统的复杂程度也大大提高了。

为了更有效控制的汽车动力系统，越来越多的传感器被应用到系统当中。传感器可以更准确的各种测量物理参数，以便于系统了解当前的状态，为准确有效的控制提供了可能。一代又一代微处理器的推出，为动力系统提供了越来越强的实时运算能力。半导体功率器件的不断更新和进步，使得执行器，如引擎点火，喷油嘴，结气门体等的控制更加准确和有效。

汽车微控制器的进步和革新

随着汽车应用中对于油耗，排放还有动力性能更高的要求，微处理器面临着巨大的挑战。为了适应以上提到的要求，微处理器在中央处理器运算能力，信号采集以及外设方面，以及对于执行器的控制能力方面都得到了很大的发展。

动力系统的革新和进步，往往和排放法规的推出联系在一起。作为动力系统革新的推动力，新的排放法规的出台总是推动着动力系统的更新换代。为了达到欧2的标准，8位微处理器就足以满足要求。英飞凌的8位微处理器C505今天依然被广泛的使用在这样的系统中。从90年代初开始，由于系统对于微处理器要求的提高，16位微处理器逐渐开始应用在动力系统当中。英飞凌16位微处理器C167以卓越的实时处理能力在市场上得到了广泛的认可。从而在汽车的嵌入式系统中得到了非常广泛的应用。

表：I型试验排放限值及法规执行日期

图1：发动机及其管理系统的组成

C167的内核以及外围设备都是为引擎应用量身定作的。比如用于产生控制信号的功能单元，用于优化点火以及喷油的模数/数模转换器等等都为引擎控制系统提供很多方便。正是由于这些独特的功能使得英飞凌16位单片机至今依然被广泛的应用于动力系统当中。

对于汽车里很多电子马达的控制，比如线控传动系统、启动马达系统或者电子增压涡轮控制，英飞凌8位C868或者是基于C166v2结构的XC164系列提供了最优的解决方案。随着要求的更进一步提高，32位微处理器越来越多的被应用于动力系统控制当中，英飞凌32位Tricore是这个领域的佼佼者。Tricore除了具有RISC结构以外，还集成一个数字信号处理模块。这样系统处理复杂信号的能力得到了大大的提高。

图2：微控制器性能对燃油消耗量的影响

英飞凌推出的32位微处理器AUDO系列不仅仅具有32位的内核和DSP的处理芯片，同时还集成了一组精心设计的外围设备。这组外设是为动力系统专门优化的。外设有自己的外设管理模块。它可以独立的完成对于外设的控制。也就是说，外设比如时钟、模数/数模转换、CAN总线的管理都可以由外设管理器直接完成，不需要占用主处理的资源。主处理器程序不会被外设的中断打断。这样明显加强了微处理器的实时性能，系统的实时性能也就相应得提高。这对于动力系统来说是非常重要的。AUDO32位微处理器系列另一个很显著的特点是运行在中央处理器的应用软件和运行在外设管理器里的底层驱动可以分开独立运行。应用程序可以运行标准的操作系统比如OSEK上，而底层的驱动程序就是应用程序和外设之间的接口。AUDO系列微处理器还有一个独立工作的通用时钟阵列，具有完成复杂工作的能力。这种结构为汽车动力控制系统中的喷射控制，点火控制等提供了最优的解决方案。这一系列的外设取代原来要专用芯片才能完成的功能，从而起到简化系统结构，降低系统成本的作用。

汽车功率器件面临的挑战

控制系统最初主要是由分立元器件组成的。随着控制系统越来越复杂，尤其是对于系统诊断和保护功能的新的要求，以及系统把一些特定的功能分配到功率器件当中来完成，分立元件逐渐不能满足这样的要求。今天应用于汽车动力系统中的功率器件大都基于BCD技术(Bipolar CMOS DMOS)。这种技术不仅有能够驱动大电流的DMOS结构，还可以集成复杂的逻辑和控制功能，比如过流、过温保护、诊断功能、准确的电流控制，等等。这些功能明显的加强了系统的可靠性，同时为OBD提供了很大的方便。越来越多的功能被集成在功率器件里，这也有效的优化了系统结构，进一步节省了系统的成本。虽然越来越多的智能芯片被运用于系统当中，分立元件以其特有的优势依然常常被应用于动力系统当中，尤其是对于功率损耗特别大的应用，比如柴油喷射系统中。

在动力系统当中，功率器件控制喷嘴，氧传感器加热器，点火装置，风扇以及各种各样的继电器等等。英飞凌提供一个非常全的产品系列，能够被运用于驱动这些负载。从2通道到18通道的低端多通道开关，驱动能力从50mA到10A，基于客户不同的需求，总是可以在这个标准产品系列中选取合适的产品。基于最新的技术和封装英飞凌仍然在不断完善这个驱动产品系列。在这个产品系列中，英飞凌非常重视模块性，可扩展性和灵活性。Lego和Flex产品系列很好的体现了这几个特性，产品系列中不同产品具有很好的兼容性。根据不同的需要，可以把一个或者几个产品结合起来使用。

由于小型汽车市场快速发展，对于汽车动力系统提出了新的挑战。这种挑战在动力系统结构，控制战略方面都产生了很深刻的影响。体现在汽车功率半导体上，系统需要高集成度的产品。由于小型汽车特殊性，为集成多种功率芯片功能于一个芯片当中提供了可能。这样做可以使系统结构紧凑，可靠性增强，相应的系统成本也会大幅的降低。当然这样的系统对于系统的散热处理，芯片的封装技术等方面提出了更加严格的要求。

BCD技术同时具有DMOS，CMOS，Bipolar结构，这使基于BCD的产品可以集成复杂的控制功能，这对动力系统的功能模块划分产生了影响。越来越多地功能在系统功能模块划分中被转移到功率器件当中。以前很多功能需要专用芯片来完成，或者需要占用很多微处理器资源，现在都被集成在功率器件当中。比如在汽油直喷系统中，系统需要一个Peak and Hold的功能，这个功能就能够由基于BCD技术的功率半导体芯片非常有效的实现。智能功率半导体芯片还集成了保护和诊断功功能，可以自动诊断短路，过流，过温开路等错误。并且可以对这些错误状态做出相应的处理，比如说过温过流情况下的自动关断。这些诊断信息经过编码后，还可以通过串行通信接口和微处理器进行通信。

汽车传感器的广泛应用

最初传感器在汽车引擎控制里的应用是引擎点火器的控制，系统基于负载和转速来决定点火角度和点火时间。通过这种技术实现的点火控制很简单，已经远远不能适应今天越来越严格的油耗，排放以及动力性能的要求。在现代的系统中，除了负载，转速信号传感器以外，引擎温度，进气管温度，进气量，节气阀位置，氧传感器信号等等都必须被采集和处理。只有采集了这些信号，并对这些信号进行处理，引擎控制系统才能准确掌握引擎的状态，从而完成准确的控制。相比于被动传感器来说，半导体传感器拥有高准确度，高抗干扰性能和很好的耐久性能等优点。因而半导体传感器在汽车领域里逐渐取代被动传感器，得到了越来越广泛的应用。

半导体传感器不仅具有感知部件，还往往集成了很多别的功能，比如信号的预处理，诊断以及信号接口处理等等。英飞凌的集成压力和电磁传感器件，已经在汽车动力系统中，无数次的被应用于测量进气压力，大气压力，传动转速，爆震检测，节气门位置检测，油门位子检测等等。

图3：8缸发动机控制ECU基于英飞凌汽车电子器件

总结和展望

在半导体芯片在动力总成系统中的应用方面，英飞凌做了许多系统上的工作。英飞凌应用32位单片机、智能功率器件以及部分传感器，成功研制一款8缸发动机的控制器ECU，可以控制所有实际的发动机管理系统负载，并且在这款ECU中不仅仅实现了发动机系统的管理，而且集成了自动变速箱的控制，因此这块ECU被称为动力总成系统电控单元。通过图3、图4可以看到该电控单元的框图，其中主要分为以下几个部分：

1. 计算单元；
2. 电源单元；
3. 传感器以及传感器信号调理单元；
4. 发动机管理系统负载驱动单元；
5. 自动变速箱系统负载驱动单元；
6. 总线传输单元；
7. 调试接口单元；
8. 发动机及变速箱模拟单元，包括爆震信号模拟等。

图4：8缸发动机控制ECU框图

通过这一综合的电控单元，可以十分轻松的调试系统，为32位的高速的发动机管理系统以及变速箱管理体统的开发提供了有力的支持。这个系统的主要器件都是基于英飞凌的产品，体现了英飞凌完整的汽车电子产品线。

半导体产品：微处理器，功率芯片和传感器组成了整个动力电子控制系统。汽车电子动力系统对于高集成度的要求，以及控制系统的复杂性的提高必然会导致半导体技术的进一步革新，和一系列新的产品的出现。

在微处理器方面英飞凌将继续上面介绍的AUDO构架，进一步完善产品线。基于AUDO构架卓越的运算能力以及优秀的实时处理能力，英飞凌会推出低端32位微处理器，以适应不同市场的需求。AUDO微处理器的主频将进一步提高。外设功能也将得到进一步的加强。并且AUDO微处理器非常重视可扩展性和软件的兼容性，这为软件的重复使用创造了很好的条件。

在功率器件方面，将越来越注重灵活性，模块性和可扩展性。产品向高集成度方面发展。以一个4缸的引擎控制作为例子，在功率半导体方面，只要一个多通道低端开关，一个芯片完成电源供应，监视和通信。一个全桥芯片管理节气们体和4个IGBT来完成点火功能就可以组成一个完整的4缸引擎的控制。英飞凌正在推出一个快速的串行接口。这个接口已经被集成在英飞凌的很多产品当中。这个接口将一方面提高数据传输的带宽，另一方面将有效的降低系统对于微处理器I/O资源的要求。

传感器方面，由于传感器往往不在控制模块上，需要较长的导线才能和控制模块连接起来，这对电磁辐射，信号通信以及传感器的工作温度等等提出很多要求。将来传感器和微处理器通过双工通信接口相连的系统将会取得重要地位，通信数字化也将成为趋势。

汽车半导体的技术进步和革新，必须和汽车系统的进步和革新紧密联系。在系统层面上对功能的科学规划可以有效控制半导体成本的同时，提高系统的性能，并且满足汽车行业严格的可靠性和质量的要求。

作者：陈铂、张涵、Leteinturier Patrick、Weitzel Joachim

英飞凌半导体公司 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (10/8/2007)


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