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汽车动力总成中的半导体器件
2007/2/10 11:58:31    产通学院,365PR NET

电子控制系统是由电子控制单元(ECU)、传感器和执行器等三大部分组成。其工作过程是ECU通过传感器反馈的资料参数,运算发出指令给执行器,以达到精确控制总成运行的目的。

目前的动力总成电子控制单元(ECU)中,电子器件部分主要是半导体器件。汽车动力总成应用中需要多个传感器来将“真实”环境与电子部分连接起来。基于半导体的传感器专用于测量速度、位置、温度和压力。对于动力总成应用来说,最大的变化趋势是利用集成了传感器单元和信号处理部分的有源传感器来代替过去的被动式传感器。


(1)半导体传感器

传感器位于动力总成系统的前端。传感器用来测量物理参数,如水温、空气压力以及发动机曲轴的转动速度。这些资料非常关键,它们为死循环控制系统提供了关键信息。除了温度传感、压力传感和霍尔传感器以外,微机械技术还带来了崭新的加速和偏向角速度传感器,同时还允许利用标准晶圆制造工艺集成信号处理电路和数字化电路。如英飞凌开发的TLE4925C的位置和速度传感器,特别适合曲轴应用。其集成电路(基于霍尔效应)提供了频率与转速成正比的数字信号输出。

飞思卡尔的传感器种类也颇具特色。基于硅微机械加工的检测单元和完善的信号调整与补偿电路相结合,使其0V~5V的输出可以直接输入到微控制器进行采集。外观类似于普通芯片的X轴、Y轴、Z轴及X-Y轴双向加速度传感器,不仅可用于安全气囊系统的正面碰撞(40g)及侧面碰撞(250g)检测,也可使用飞思卡尔低g值(1.5g至8g)的产品进行振动检测、数据采集等工作。而压力传感器更是以其广泛的压力检测范围应用于包括发动机电子燃油喷射控制在内的多种控制系统中。此外,还有温度传感器、进气管绝对压力/大气绝对压力传感器等。


(2)单片机

单片机是动力总成系统的大脑。实时运行的高度复杂的算法用来在各种情况下管理发动机及传送动作。由于系统位于发动机罩下的恶劣环境中,因此除了合适的CPU以外,单片机的整个系统架构对于系统性能来说非常重要。

目前,在动力总成应用中使用的CPU架构有8bit、16bit和32bit,如美国德尔福(Delphi)在中国大力推广的发动机控制模块(ECM)就大量使用了飞思卡尔的MC912DT128A微控制器。以汽车电子中常用于CAN网络控制的MC68HC908GZ16为例,它是基于用户定制集成电路(CSIC)的68HC08中的一款低成本、高性能8bit微控制器(MCU)。

在通过传感器测量到发动机的状态以后,单片机就可以处理这些资料并提供合适的控制信号来控制致动器的动作。一旦单片机“知道”下一步该做什么,单片机就发送合适的信号到致动器。通常,致动器需要高电压或者大电流才能动作。因此,需要利用功率半导体器件来驱动致动器,如燃料喷射器或火花塞。


(3)功率半导体

过去几年里,功率半导体技术的发展主要集中于优化现有系统的成本和部分集成。这产生了能够集成功率输出级(DMOS或双极)、模拟电路和数字逻辑的混合集成技术(BCD)。高集成度功率器件的优势是可以支持诊断,从而可使系统具有更好的可靠性(动力总成是汽车中的关键应用)。同时,这还可使最终产品所需要的外部器件数量大大降低。


(4)IGBT

点火绝缘栅双极晶体管(IGBT)是用于点火应用的理想产品,可经得起严酷的环境条件(高温、振动、EMI等)。IGBT可提供有吸引力的参数,如逻辑电平输入、低饱合电压、集成ESD保护和动态齐纳箝位。同时此类器件还非常坚固并且具有感应开关能力。


(5)CAN(汽车局域网络)

收发器的主要功能是通过汽车中的通信线路传输单片机通信信号。在动力总成应用中,高速CAN是标准的总线协议,CAN协议由德国博世公司最先推出,是目前使用最广泛的一种汽车网络,从10万元以下的汽车到过百万的奔驰都不同程度的使用了CAN。连接于各个ECU之间的CAN总线实际上是由CAN控制器、收发器和一对双绞线构成。CAN总线控制器可以捡出各种错误并可以让出错的单元退出总线。另外,CAN总线还有优先级控制可以满足实时通讯。


(6)LIN(本地互联网络)

LIN(本地互联网络)作为CAN(控制器局域网)的补充,由一些汽车工业制造商与飞思卡尔共同为汽车工业推出。其传输速率仅可达到20kbps,所以主要用于性能、传输速度和复杂性较低的系统中。但因其连接是基于普通的串行通信接口及通用异步接收/传送器,甚至基于主从结构、单线单向的LIN的从动芯片可以用普通I/O口进行连接,因此,可以有效地降低系统的整体成本。

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