半导体技术在汽车动力系统中的应用分析

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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。