深談汽車動(dòng)力系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中的傳感技術(shù)

　　當(dāng)今的汽車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)力存在大量增長機(jī)會(huì)。這些“適度混合動(dòng)力”方案可能看上去已經(jīng)過氣，但業(yè)界仍在圍繞這些應(yīng)用進(jìn)行大量電子及機(jī)械開發(fā)。

　　本文將首先審視一些跟倫德爾（Lundell）式電動(dòng)機(jī)（更廣為人知的名稱是“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。最后一段闡釋現(xiàn)有電感型傳感器技術(shù)可以怎樣優(yōu)化剎車踏板以幫助汽車節(jié)省更多能量。

　　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，無源整流二極管被大電流開關(guān)替代。這些開關(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)開關(guān)以極快速度關(guān)斷；開關(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)非常類似。有鑒于此，預(yù)驅(qū)動(dòng)器IC包含在自主門極控制環(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)境最惡劣的位置，可能會(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)，有可能采用高性價(jià)比的降壓技術(shù)而非絕緣硅（SOI）技術(shù)來構(gòu)建此類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)器來控制高門極-源極電容（Cgs）的MOSFET

　　除了傳統(tǒng)鉛酸電池，我們看到越來越多的儲(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)部分硅片面積專門用于監(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。此外，在元器件認(rèn)證階段，可能使用高達(dá)200℃的溫度來進(jìn)一步加速老化過程，以將使用壽命測(cè)試時(shí)長保持在合理的2，000小時(shí)之內(nèi)。通過使用帶有擴(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)。

　　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(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)候要求柴油微粒過濾器（DPF）來減少油煙，而DPF需要要求傳感器來幫助維持適當(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)，要求越來越復(fù)雜的集成電子電路來因應(yīng)這些挑戰(zhàn)。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(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

　　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(gè)開關(guān)，用于幫助確定什么時(shí)候應(yīng)該導(dǎo)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(zhì)上而言，標(biāo)準(zhǔn)摩擦剎車系統(tǒng)采用測(cè)量剎車踏板精確位移的控制系統(tǒng)來升級(jí)。當(dāng)剎車踏板僅輕微位移時(shí)，摩擦剎車系統(tǒng)不會(huì)激活。在這個(gè)“回收帶”，能量回收系統(tǒng)將測(cè)量剎車踏板位移，并確定移動(dòng)中汽車的多少運(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)力汽車僅使用電氣回收技術(shù)，在更長的時(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(shù)。圖4顯示了這類應(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(hào)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(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。汽車中的許多踏板應(yīng)用跟安全直接相關(guān)，需要通過恰當(dāng)?shù)腎SO26262理解、方法及工具集方式因應(yīng)。可以在跟某些功能共用相同結(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)朝向開發(fā)與電感型傳感器連接的新的集成電路。

　　電子元器件開發(fā)者及供應(yīng)商正在趨向未來汽車動(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)力汽車提供相對(duì)適度的燃油經(jīng)濟(jì)性提升，但它們的性價(jià)比很高。恰好是這種強(qiáng)固的汽車逐步改善途徑將使大多數(shù)汽車朝向新技術(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)。