【導(dǎo)讀】本文講解的是最新汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)電子電路中的硅技術(shù),以倫德?tīng)柺诫妱?dòng)機(jī)為例,由于采用了更好的電子控制,它的能效提升了,更多的能量被恢復(fù),發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)的影響被處理平順了。是一種很好的汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)電子電路中的硅技術(shù),值得大家學(xué)習(xí)。
簡(jiǎn)介
當(dāng)今的汽車(chē)正朝著提供高能效同時(shí)對(duì)環(huán)境影響降至最低的方向發(fā)展。但就長(zhǎng)遠(yuǎn)而言,以非石油為基礎(chǔ)的動(dòng)力系統(tǒng)似乎是最具前景的解決方案;與此同時(shí),汽車(chē)工業(yè)正在推出基于現(xiàn)有技術(shù)引入更多改進(jìn)。一項(xiàng)主要趨勢(shì)是混合動(dòng)力化(hybridization),其中微混合動(dòng)力(包括停止-啟動(dòng)系統(tǒng))和輕度(mild)混合動(dòng)力存在大量增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。這些“適度混合動(dòng)力”方案可能看上去已經(jīng)過(guò)氣,但業(yè)界仍在圍繞這些應(yīng)用進(jìn)行大量電子及機(jī)械開(kāi)發(fā)。
本文將首先審視一些跟倫德?tīng)?Lundell)式電動(dòng)機(jī)(更廣為人知的名稱(chēng)是“交流發(fā)電機(jī)”)相關(guān)的持續(xù)改進(jìn)的極佳示例。由于采用了更好的電子控制,它的能效提升了,更多的能量被恢復(fù),發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)的影響被處理平順了。本文的第二部分將重點(diǎn)介紹汽車(chē)中加入的更多
傳感器,這些傳感器將幫助進(jìn)一步降低傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)石油的依賴(lài)。最后一段闡釋現(xiàn)有電感型傳感器技術(shù)可以怎樣優(yōu)化剎車(chē)踏板以幫助汽車(chē)節(jié)省更多能量。
1. 啟動(dòng)交流發(fā)電機(jī)
在啟動(dòng)交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中,無(wú)源整流二極管被大電流開(kāi)關(guān)替代。這些開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)交流發(fā)電機(jī),使其作為電機(jī)(啟動(dòng)機(jī)模式),并在交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的定子電流上執(zhí)行同步整流(交流發(fā)電機(jī)模式)。
同步整流大幅通過(guò)以高導(dǎo)電性的通道分流(本體)二極管,提升交流發(fā)電機(jī)能效,將正向壓降降至低于150 mV。
圖1:交流發(fā)電機(jī)中的同步整流
此應(yīng)用的一項(xiàng)主要功能挑戰(zhàn)就是確保在定子電流反向時(shí)開(kāi)關(guān)以極快速度關(guān)斷;開(kāi)關(guān)關(guān)斷有任何延遲都會(huì)導(dǎo)致不必要的電池放電,其方式跟常規(guī)二極管的反向恢復(fù)非常類(lèi)似。有鑒于此,預(yù)驅(qū)動(dòng)器IC包含在自主門(mén)極控制環(huán)路內(nèi)部工作的高歪曲率驅(qū)動(dòng)器,設(shè)計(jì)目的是在整流期間歐姆損耗與電流符號(hào)改變時(shí)的過(guò)渡損耗之間取得盡可能最佳的折衷。在IC中集成這些預(yù)驅(qū)動(dòng)器相當(dāng)復(fù)雜。
首先,它要求多種不同電壓域共存在同一個(gè)硅襯底上,同時(shí)確保這些電壓域之間的可靠通信。
其次,啟動(dòng)交流發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器IC被置于可能是環(huán)境最?lèi)毫拥奈恢?,可能?huì)遭受電池反向、負(fù)載突降、陰極接地轉(zhuǎn)移、定子相位上極大的dV/dt(數(shù)量級(jí)為每微 秒100 V)、電磁干擾等多種瞬態(tài)事件。同樣,使用差分技術(shù)及細(xì)致管理硅襯底上的寄生(雙極)效應(yīng),有可能采用高性?xún)r(jià)比的降壓技術(shù)而非絕緣硅(SOI)技術(shù)來(lái)構(gòu)建此類(lèi)IC。
圖2:?jiǎn)?dòng)交流發(fā)電機(jī)中采用強(qiáng)固的預(yù)驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制高門(mén)極-源極電容(Cgs)的MOSFET
除了傳統(tǒng)鉛酸電池,我們看到越來(lái)越多的儲(chǔ)能組件被用于啟動(dòng)-停止系統(tǒng)中的電源網(wǎng)絡(luò),如鋰離子電池、超級(jí)電容等。在這些系統(tǒng)中,安全領(lǐng)域變得跟核心功能一樣重要。因此,我們看到ISO26262安全標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越多地進(jìn)入我們的視野,有時(shí)會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)部分硅片面積專(zhuān)門(mén)用于監(jiān)測(cè)應(yīng)用,檢測(cè)此IC及其伴侶IC的運(yùn)行健全狀況,并在有需要的情況下確保安全狀態(tài)。
最后,智能電路及大功率元器件在緊鄰位置的組合表示控制電路的結(jié)點(diǎn)溫度大幅上升;在應(yīng)用中需要考慮工作結(jié)點(diǎn)溫度高于175℃的情形并不罕見(jiàn)。此外,在元器件認(rèn)證階段,可能使用高達(dá)200℃的溫度來(lái)進(jìn)一步加速老化過(guò)程,以將使用壽命測(cè)試時(shí)長(zhǎng)保持在合理的2,000小時(shí)之內(nèi)。通過(guò)使用帶有擴(kuò)展溫度范圍的硅工藝,并在設(shè)計(jì)階段將在設(shè)計(jì)約束考慮在內(nèi),就能夠有效地應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)。
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2. 內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的傳感技術(shù)
傳感器在使當(dāng)代內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到前所未有的能效水平,同時(shí)還將排放降至最低。例如,空氣流量(MAF)傳感器衡量進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的空氣量,從而精確噴入恰當(dāng)數(shù)量的燃油。而在發(fā)動(dòng)機(jī)的另一端,氧氣和氮氧化物(NOx)傳感器直接測(cè)量廢氣成分,并將信息饋送回給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)。
壓力傳感器的進(jìn)襲事實(shí)上無(wú)所不在,代表了一種伴隨內(nèi)燃機(jī)演進(jìn)及追求增強(qiáng)控制的趨勢(shì)。最初是歧管絕對(duì)壓力(MAP)傳感器,此傳感器是使用MAF傳感器之外的另一選擇。隨著燃油噴射技術(shù)的進(jìn)步,需要汽車(chē)直噴(GDI)及柴油直噴(DDI)壓力傳感器來(lái)配合通過(guò)直接連接至每個(gè)氣缸燃燒室的共軌燃油管測(cè)量噴射的燃油壓力。后者某些時(shí)候要求柴油微粒過(guò)濾器(DPF)來(lái)減少油煙,而DPF需要要求傳感器來(lái)幫助維持適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件。即使是在發(fā)動(dòng)機(jī)外部,胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)確保輪胎恰當(dāng)充氣,從而不僅提供更好的安全性,還提供更高的燃油效率,因?yàn)檩喬L動(dòng)阻力減小了。
壓力傳感器的另一個(gè)前沿陣地是燃燒室本身。為了提供最終的燃燒控制,其中一個(gè)必要條件是隨時(shí)都精確知道所有氣缸內(nèi)的壓力。某些類(lèi)型的清潔柴油發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)在氣缸內(nèi)壓力傳感器的幫助下運(yùn)轉(zhuǎn)。那些相同的傳感器也是正在研究的新發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵推動(dòng)因素,一個(gè)例子就是均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)火(HCCI),此技術(shù)的目標(biāo)是結(jié)合汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的低排放及柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的能效。
所有這些進(jìn)步都提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn),要求越來(lái)越復(fù)雜的集成電子電路來(lái)因應(yīng)這些挑戰(zhàn)。舉例來(lái)說(shuō),更好的控制要求更高的精度,而目前0.5%的容限很常見(jiàn)。與此同時(shí),隨著壓力傳感功能的布局移向更接近發(fā)動(dòng)機(jī)的中心,工作溫度范圍持續(xù)擴(kuò)展。這就對(duì)傳感元件及補(bǔ)償其非理想特性所需的電子電路施加了額外的限制。
新一代壓力傳感器IC的框圖如圖3所示。低噪聲模擬前端開(kāi)始提供高精度性能,隨后是高精度Σ-Δ(sigma-delta)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理為傳感元件的偏移和靈敏度提供非線性溫度補(bǔ)償。常見(jiàn)的5 V模擬輸出逐漸被單邊半字節(jié)傳輸(SENT)及PSI5等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字輸出替代。此方法通過(guò)省去傳感器中的輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換及ECU端的模數(shù)轉(zhuǎn)換,減小總量化誤差。
每個(gè)傳感器在生產(chǎn)時(shí)都被校準(zhǔn),補(bǔ)償系數(shù)存儲(chǔ)在內(nèi)部EEPROM中。
圖3 : 用于壓力傳感器的下一代精密信號(hào)調(diào)理接口IC框圖
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3. 用于剎車(chē)踏板的電感型位置傳感器接口
典型剎車(chē)踏板僅有一個(gè)開(kāi)關(guān),用于幫助確定什么時(shí)候應(yīng)該導(dǎo)通剎車(chē)燈。隨著剎車(chē)能量回收(regen)功能的增添,就需要新的剎車(chē)踏板位置傳感器。本質(zhì)上而言,標(biāo)準(zhǔn)摩擦剎車(chē)系統(tǒng)采用測(cè)量剎車(chē)踏板精確位移的控制系統(tǒng)來(lái)升級(jí)。當(dāng)剎車(chē)踏板僅輕微位移時(shí),摩擦剎車(chē)系統(tǒng)不會(huì)激活。在這個(gè)“回收帶”,能量回收系統(tǒng)將測(cè)量剎車(chē)踏板位移,并確定移動(dòng)中汽車(chē)的多少運(yùn)動(dòng)能量需要轉(zhuǎn)移到臨時(shí)能量存儲(chǔ)。這能量存儲(chǔ)可以采用多種形式;原設(shè)備制造商(OEM)可能傾向于氣壓或液壓蓄力器、48 V電池、超級(jí)電容,或者甚至是飛輪。輕度混合動(dòng)力汽車(chē)會(huì)在下一個(gè)加速階段將存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)換回至有限時(shí)間的推進(jìn)動(dòng)力,而微混合動(dòng)力汽車(chē)僅使用電氣回收技術(shù),在更長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)為板網(wǎng)(boardnet)供電。
為了測(cè)量“回收帶”期間剎車(chē)踏板的確切位置,可以使用像給加速踏板使用的類(lèi)似的技術(shù)。圖4顯示了這類(lèi)應(yīng)用免接觸式傳感器方案的框圖。
圖4:電感型位置傳感器應(yīng)用框圖
安森美半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的定制電感型傳感器接口充分利用先進(jìn)的前端濾波器,還結(jié)合了智能處理功能。片上驅(qū)動(dòng)器通過(guò)最少一個(gè)勵(lì)磁電感刺激傳感器。傳感器的耦合輸出電感會(huì)產(chǎn)生包含勵(lì)磁電感與輸出電感相對(duì)位置信息的信號(hào)。電感相對(duì)位置的變化在很大程度上取決于所選擇的傳感器設(shè)計(jì),它通常是線性或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。然后,此集成電路將將傳感器的電氣輸入和輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字位置信息。解析出的位置信號(hào)然后通過(guò)接口傳送給微控制器,具體什么接口取決于客戶(hù)要求或偏好。可以選擇專(zhuān)有混合信號(hào)方案來(lái)配合傳感器接口輸出格式,包括比例電壓、正弦-余弦(Sin-Cos)電壓、脈寬調(diào)制(PWM)、SENT或PSI5。
傳感器領(lǐng)域的半導(dǎo)體供應(yīng)商除了具備所要求的技能,還應(yīng)對(duì)ISO26262標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)出正確的態(tài)度。汽車(chē)中的許多踏板應(yīng)用跟安全直接相關(guān),需要通過(guò)恰當(dāng)?shù)腎SO26262理解、方法及工具集方式因應(yīng)??梢栽诟承┕δ芄灿孟嗤Y(jié)果、提供獨(dú)立數(shù)據(jù)輸出的冗余型配置中使用電感型傳感器,在模塊級(jí)達(dá)到ASIL-D要求。新興的回收應(yīng)用結(jié)合新的適合安全標(biāo)準(zhǔn),正在推動(dòng)行業(yè)朝向開(kāi)發(fā)與電感型傳感器連接的新的集成電路。
結(jié)論
電子元器件開(kāi)發(fā)者及供應(yīng)商正在趨向未來(lái)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)在道路上創(chuàng)造不同。雖然微混合及輕度混合動(dòng)力汽車(chē)提供相對(duì)適度的燃油經(jīng)濟(jì)性提升,但它們的性?xún)r(jià)比很高。恰好是這種強(qiáng)固的汽車(chē)逐步改善途徑將使大多數(shù)汽車(chē)朝向新技術(shù)穩(wěn)步演進(jìn),同時(shí)還構(gòu)建下一代動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)。