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最新汽車動力系統電子電路中的硅技術
作者:揚州市涵洋工程機械有限公司(揚州市欣輝汽車附件有限公司) 時間:2018-06-06
當今的汽車正朝著提供高能效同時對環境影響降至最低的方向發展。但就長遠而言,以非石油為基礎的動力系統似乎是最具前景的解決方案;與此同時,汽車工業正在推出基于現有技術引入更多改進。一項主要趨勢是混合動力化(hybridization),其中微混合動力(包括停止-啟動系統)和輕度(mild)混合動力存在大量增長機會。這些“適度混合動力”方案可能看上去已經過氣,但業界仍在圍繞這些應用進行大量電子及機械開發。
  本文將首先審視一些跟倫德爾(Lundell)式電動機(更廣為人知的名稱是“交流發電機”)相關的持續改進的極佳示例。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,發動機頻繁啟動的影響被處理平順了。本文的第二部分將重點介紹汽車中加入的更多傳感器,這些傳感器將幫助進一步降低傳統內燃發動機對石油的依賴。最后一段闡釋現有電感型傳感器技術可以怎樣優化剎車踏板以幫助汽車節省更多能量。
  1.啟動交流發電機
  在啟動交流發電機系統中,無源整流二極管被大電流開關替代。這些開關負責驅動啟動交流發電機,使其作為電機(啟動機模式),并在交流發電機內部產生的定子電流上執行同步整流(交流發電機模式)。
  同步整流大幅通過以高導電性的通道分流(本體)二極管,提升交流發電機能效,將正向壓降降至低于150mV。
  圖1:交流發電機中的同步整流
  此應用的一項主要功能挑戰就是確保在定子電流反向時開關以極快速度關斷;開關關斷有任何延遲都會導致不必要的電池放電,其方式跟常規二極管的反向恢復非常類似。有鑒于此,預驅動器IC包含在自主門極控制環路內部工作的高歪曲率驅動器,設計目的是在整流期間歐姆損耗與電流符號改變時的過渡損耗之間取得盡可能最佳的折衷。在IC中集成這些預驅動器相當復雜。首先,它要求多種不同電壓域共存在同一個硅襯底上,同時確保這些電壓域之間的可靠通信。
  其次,啟動交流發電機的驅動器IC被置于可能是環境最惡劣的位置,可能會遭受電池反向、負載突降、陰極接地轉移、定子相位上極大的dV/dt(數量級為每微秒100V)、電磁干擾等多種瞬態事件。同樣,使用差分技術及細致管理硅襯底上的寄生(雙極)效應,有可能采用高性價比的降壓技術而非絕緣硅(SOI)技術來構建此類IC。
  圖2:啟動交流發電機中采用強固的預驅動器來控制高門極-源極電容(Cgs)的MOSFET
  除了傳統鉛酸電池,我們看到越來越多的儲能組件被用于啟動-停止系統中的電源網絡,如鋰離子電池、超級電容等。在這些系統中,安全領域變得跟核心功能一樣重要。因此,我們看到ISO26262安全標準越來越多地進入我們的視野,有時會導致相當部分硅片面積專門用于監測應用,檢測此IC及其伴侶IC的運行健全狀況,并在有需要的情況下確保安全狀態。
  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點溫度大幅上升;在應用中需要考慮工作結點溫度高于175℃的情形并不罕見。此外,在元器件認證階段,可能使用高達200℃的溫度來進一步加速老化過程,以將使用壽命測試時長保持在合理的2,000小時之內。通過使用帶有擴展溫度范圍的硅工藝,并在設計階段將在設計約束考慮在內,就能夠有效地應對這個挑戰。
  2.內燃發動機中使用的傳感技術
  傳感器在使當代內燃發動機達到前所未有的能效水平,同時還將排放降至最低。例如,空氣流量(MAF)傳感器衡量進入發動機燃燒室的空氣量,從而精確噴入恰當數量的燃油。而在發動機的另一端,氧氣和氮氧化物(NOx)傳感器直接測量廢氣成分,并將信息饋送回給發動機控制單元(ECU)。
  壓力傳感器的進襲事實上無所不在,代表了一種伴隨內燃機演進及追求增強控制的趨勢。最初是歧管絕對壓力(MAP)傳感器,此傳感器是使用MAF傳感器之外的另一選擇。隨著燃油噴射技術的進步,需要汽車直噴(GDI)及柴油直噴(DDI)壓力傳感器來配合通過直接連接至每個氣缸燃燒室的共軌燃油管測量噴射的燃油壓力。后者某些時候要求柴油微粒過濾器(DPF)來減少油煙,而DPF需要要求傳感器來幫助維持適當的工作條件。即使是在發動機外部,胎壓監測系統(TPMS)確保輪胎恰當充氣,從而不僅提供更好的安全性,還提供更高的燃油效率,因為輪胎滾動阻力減小了。
  壓力傳感器的另一個前沿陣地是燃燒室本身。為了提供最終的燃燒控制,其中一個必要條件是隨時都精確知道所有氣缸內的壓力。某些類型的清潔柴油發動機已經在氣缸內壓力傳感器的幫助下運轉。那些相同的傳感器也是正在研究的新發動機的關鍵推動因素,一個例子就是均質充量壓縮點火(HCCI),此技術的目標是結合汽油發動機的低排放及柴油發動機的能效。
  所有這些進步都提出了新的技術挑戰,要求越來越復雜的集成電子電路來因應這些挑戰。舉例來說,更好的控制要求更高的精度,而目前0.5%的容限很常見。與此同時,隨著壓力傳感功能的布局移向更接近發動機的中心,工作溫度范圍持續擴展。這就對傳感元件及補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。低噪聲模擬前端開始提供高精度性能,隨后是高精度Σ-Δ(sigma-delta)模數轉換器(ADC)。復雜的數字信號處理為傳感元件的偏移和靈敏度提供非線性溫度補償。常見的5V模擬輸出逐漸被單邊半字節傳輸(SENT)及PSI5等標準數字輸出替代。此方法通過省去傳感器中的輸出數模轉換及ECU端的模數轉換,減小總量化誤差。
  每個傳感器在生產時都被校準,補償系數存儲在內部EEPROM中。
  圖3:用于壓力傳感器的下一代精密信號調理接口IC框圖
  3.用于剎車踏板的電感型位置傳感器接口
  典型剎車踏板僅有一個開關,用于幫助確定什么時候應該導通剎車燈。隨著剎車能量回收(regen)功能的增添,就需要新的剎車踏板位置傳感器。本質上而言,標準摩擦剎車系統采用測量剎車踏板精確位移的控制系統來升級。當剎車踏板僅輕微位移時,摩擦剎車系統不會激活。在這個“回收帶”,能量回收系統將測量剎車踏板位移,并確定移動中汽車的多少運動能量需要轉移到臨時能量存儲。這能量存儲可以采用多種形式;原設備制造商(OEM)可能傾向于氣壓或液壓蓄力器、48V電池、超級電容,或者甚至是飛輪。輕度混合動力汽車會在下一個加速階段將存儲的能量轉換回至有限時間的推進動力,而微混合動力汽車僅使用電氣回收技術,在更長的時間段內為板網(boardnet)供電。
  為了測量“回收帶”期間剎車踏板的確切位置,可以使用像給加速踏板使用的類似的技術。圖4顯示了這類應用免接觸式傳感器方案的框圖。
  圖4:電感型位置傳感器應用框圖
  安森美半導體開發的定制電感型傳感器接口充分利用先進的前端濾波器,還結合了智能處理功能。片上驅動器通過最少一個勵磁電感刺激傳感器。傳感器的耦合輸出電感會產生包含勵磁電感與輸出電感相對位置信息的信號。電感相對位置的變化在很大程度上取決于所選擇的傳感器設計,它通常是線性或旋轉運動的結果。然后,此集成電路將將傳感器的電氣輸入和輸出信號轉換為數字位置信息。解析出的位置信號然后通過接口傳送給微控制器,具體什么接口取決于客戶要求或偏好??梢赃x擇專有混合信號方案來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、脈寬調制(PWM)、SENT或PSI5。
  傳感器領域的半導體供應商除了具備所要求的技能,還應對ISO26262標準呈現出正確的態度。汽車中的許多踏板應用跟安全直接相關,需要通過恰當的ISO26262理解、方法及工具集方式因應??梢栽诟承┕δ芄灿孟嗤Y果、提供獨立數據輸出的冗余型配置中使用電感型傳感器,在模塊級達到ASIL-D要求。新興的回收應用結合新的適合安全標準,正在推動行業朝向開發與電感型傳感器連接的新的集成電路。
  結論
  電子元器件開發者及供應商正在趨向未來汽車動力系統在道路上創造不同。雖然微混合及輕度混合動力汽車提供相對適度的燃油經濟性提升,但它們的性價比很高。恰好是這種強固的汽車逐步改善途徑將使大多數汽車朝向新技術穩步演進,同時還構建下一代動力系統的基礎。
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