利用電子技術(shù)減少汽車廢氣污染

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 要控制廢氣排放所面臨的挑戰(zhàn)并不僅僅是要設(shè)計一個具有清潔燃燒能力的完美發(fā)動機，還要利用合適的半導(dǎo)體電子器件對發(fā)動機的燃燒過程進行合理的控制。英飛凌為今天的發(fā)動機管理平臺提供了所需要的單片機、傳感器和功率半導(dǎo)體器件。
　　用于動力總成系統(tǒng)的半導(dǎo)體器件
　　為控制廢氣排放量，可利用半導(dǎo)體傳感器來精確測量吸入空氣的成份。利用單片機快速計算出所使用的燃料數(shù)量，然后再起動燃料噴射器。由于有正確的空氣-燃料比，因此可以達到近乎完美的燃燒狀態(tài)，從而使廢氣的排放達到最少。
　　汽車動力總成應(yīng)用中需要多個傳感器來將"真實"環(huán)境與電子部分連接起來。基于半導(dǎo)體的傳感器專用于測量速度、位置、溫度和壓力。對于動力總成應(yīng)用來說，最大的變化趨勢是利用集成了傳感器單元和信號處理部分的有源傳感器來代替過去的被動式傳感器。由于需要更精確地測量發(fā)動機的狀態(tài)，因此這一趨勢發(fā)展很快。
　　在通過傳感器測量到發(fā)動機的狀態(tài)以后，單片機就可以處理這些數(shù)據(jù)并提供合適的控制信號來控制致動器的動作。單片機是利用邏輯技術(shù)制造的，而集成度的提高使得可以將功能強大的處理器與外設(shè)集成在一起。目前的趨勢是將DSP功能集成進來，從而允許實現(xiàn)更為復(fù)雜和精確的信號處理軟件算法。這樣就可用軟件實現(xiàn)以前采用硬件實現(xiàn)的功能。
　　一旦單片機"知道"下一步該做什么，單片機就發(fā)送合適的信號到致動器。通常，致動器需要高電壓或者大電流才能動作。因此，需要利用功率半導(dǎo)體器件來驅(qū)動致動器，如燃料噴射器或火花塞。過去幾年里，功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展主要集中于優(yōu)化現(xiàn)有系統(tǒng)的成本和部分集成。這產(chǎn)生了能夠集成功率輸出級（DMOS或雙極）、模擬電路和數(shù)字邏輯的混合集成技術(shù)（BCD）。高集成度功率器件的優(yōu)勢是可以支持診斷，從而可使系統(tǒng)具有更好的可靠性（動力總成是汽車中的關(guān)鍵應(yīng)用）。同時，這還可使最終產(chǎn)品所需要的外部器件數(shù)量大大降低。
　　系統(tǒng)解決方案
　　目前的動力總成電子控制單元（ECU）中，電子器件部分主要是半導(dǎo)體器件。
　　半導(dǎo)體傳感器
　　傳感器位于動力總成系統(tǒng)的前端。傳感器用來測量物理參數(shù)，如水溫、空氣壓力以及發(fā)動機曲軸的轉(zhuǎn)動速度。這些數(shù)據(jù)非常關(guān)鍵，它們?yōu)殚]環(huán)控制系統(tǒng)提供了關(guān)鍵信息。除了溫度傳感、壓力傳感和霍爾傳感器以外，微機械技術(shù)還帶來了嶄新的加速和偏向角速度傳感器，同時還允許利用標(biāo)準晶圓制造工藝集成信號處理電路和數(shù)字化電路。
　　1.溫度傳感器
　　根據(jù)擴展電阻原理，線性和穩(wěn)定的半導(dǎo)體傳感器可低成本地替代鎳或鉑金屬膜傳感器，同時還可提供比PTC熱電阻技術(shù)上更優(yōu)越的器件。
　　2.位置和速度傳感器
　　動態(tài)差分霍爾IC可以測量曲軸或凸輪軸速度、傳動速度和車輪速度。通過使用位于單個芯片上的兩個霍爾單元，一個差分放大器和處理電路，可以測量到磁場差。這意味著可以將溫度漂移、制造容差和外部電磁環(huán)境等破壞性環(huán)境影響降到最小。同樣的信號水平，與單片機的接口要比采用舊式的有感線圈簡單得多、便宜得多。
　　英飛凌新開發(fā)的TLE4925C特別適合曲軸應(yīng)用。其集成電路（基于霍爾效應(yīng)）提供了頻率與轉(zhuǎn)速成正比的數(shù)字信號輸出。額外的自校正模塊提供最優(yōu)的精度。利用新的模塊型封裝所集成的濾波器電容器（參看下圖）可以減少干擾。
　　3.進氣管絕對壓力/大氣絕對壓力傳感器
　　在新一代傳感器中，復(fù)雜的處理電路完全集成在傳感器芯片上。隨著表面微機械技術(shù)得以在標(biāo)準BiCMOS工藝進行微機械加工，利用其技術(shù)制造的傳感器稱為MEMS(微電子機械系統(tǒng))。利用微機械技術(shù)，可以制作出厚度僅有400 m的多晶硅薄膜。這些薄膜構(gòu)成在芯片上的多個電容器和兩個參考電容器。信號則源于壓感區(qū)域和參考區(qū)域的差別。
　　由于需要利用模擬的絕對壓力傳感器來測量進氣管絕對壓力和大氣絕對壓力，因此標(biāo)準BiCMOS技術(shù)就特別重要。這是因為需要復(fù)雜的電路來提供模擬輸出信號，進行線性化和偏差補償。一個MAP傳感器測量進氣管中空氣的絕對壓力，并為發(fā)動機管理系統(tǒng)提供一個重要的參數(shù)（空氣體積）。另一方面，一個BAP傳感器則測量環(huán)境空氣壓力（是汽車高度的函數(shù)），這也是發(fā)動機管理系統(tǒng)所需要的同樣重要的一個參數(shù)（空氣密度）。有了這兩個參數(shù)，就可算出空氣的質(zhì)量，并利用算出的空氣質(zhì)量來決定噴入多少燃料以實現(xiàn)最佳的燃燒。英飛凌的BAP傳感器KP120適用于柴油和汽油發(fā)動機的管理。
　　單片機
　　單片機是動力總成系統(tǒng)的大腦。實時運行的高度復(fù)雜的算法用來在各種情況下管理發(fā)動機及傳送動作。由于系統(tǒng)位于發(fā)動機罩下的惡劣環(huán)境中，因此除了合適的CPU以外，單片機的整個系統(tǒng)架構(gòu)對于系統(tǒng)性能來說非常重要。目前在動力總成應(yīng)用中使用的CPU架構(gòu)有8位、16位和32位。
　　8位架構(gòu)主要用于非常低端的汽車產(chǎn)品，但在摩托車ECU中的應(yīng)用前景看起來很好。英飛凌提供低成本的增強8位C500核心，以及適合在成本敏感的摩托車市場中應(yīng)用的高性能外設(shè)。由于相應(yīng)的軟件和工具集與業(yè)界標(biāo)準的80C51單片機完全兼容，因此可加快軟件開發(fā)周期。