飛思卡爾簡化電控系統(tǒng)設計 提速節(jié)能高效革命

據統(tǒng)計，全世界半數左右的能源消耗在各種馬達驅動的設備中，引擎作為這些設備的核心，在全球性節(jié)能環(huán)保的大趨勢下，成為提升與改善能效最受關注的部分?，F代的引擎再不是一個刻板的系統(tǒng)，而是能利用執(zhí)行器與電機根據不同駕駛情況的需要夠提供廣泛的動態(tài)調整，進而優(yōu)化引擎燃燒效率。改善驅動設備能效的關鍵是通過更出色的引擎控制提升引擎效率，半導體技術在其中扮演的角色不容忽視。

電子技術出現在引擎管理是最近幾十年里是引擎發(fā)展中最核心的主題，電子引擎控制的優(yōu)勢是省油、廢氣污染少、加速快和馬力更大。如同減排制度一樣，在20世紀80年代，燃油經濟性和環(huán)境方面的問題掀起了為小轎車和卡車制造電子引擎控制系統(tǒng)的第一波浪潮，小型內燃機市場也將遇到同樣的情況。

隨著電子技術的不斷前進，電子系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)引擎的諸多觀念，小型引擎市場正在從機械點火、化油器系統(tǒng)轉向更加清潔高效的電子點火控制與電子燃油噴射（EFI）系統(tǒng)。電子引擎控制包括了進氣系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、引擎故障救援系統(tǒng)等復雜的電子單元。不過，引擎制造商現已能夠減少組件數量，設計出能夠精準控制引擎事件的更加小巧高效的引擎，從而提高可預測性、可靠性和燃油效率，幫助減少污染。一個典型的例子是，以往，傳統(tǒng)的兩沖程發(fā)動機中的30～40%的燃油沒有燃燒就直接排放到廢氣中；通過電子燃油噴射可以減少大約75%的一氧化碳排放和大約90%的碳氫化物排放，與此同時，燃油使用也可以減少35%。節(jié)能減排的效果可以說是立竿見影。

引擎控制模塊（ECM，Engine Control Module) 是整個引擎系統(tǒng)的靈魂，控制整個引擎的運轉。控制引擎系統(tǒng)需要許多感應器接收并傳遞引擎運轉信息，控制引擎運轉的信息很多，包括進氣溫度傳感器、油門開度傳感器、歧管壓力傳感器、水溫傳感器、曲軸角度傳感器、爆震傳感器、氧傳感器等，傳感器將搜集到的引擎各種狀態(tài)信息送至ECU作運算，這些引擎運轉信息經過運算后，會由ECU對各個執(zhí)行器發(fā)出控制訊號來控制執(zhí)行器的動作，最主要的目的就是要計算并控制引擎的最佳噴油量及點火時機，以實現引擎工作效率盡可能高，從而達到節(jié)能減排的作用。

現代引擎控制系統(tǒng)需求量大，應用于各個領域，使用面廣，隨著城市交通問題和節(jié)能減排問題的深入，車輛小型化與自動化機械對小型化引擎的需求量不斷提升，小型引擎需要比傳統(tǒng)引擎更多的技術要求，包括效率，噪聲，尺寸等。在電驅動設備一些固有問題（耐久性與易用性）依然無法解決，以及新的燃料系統(tǒng)正在逐漸引入的前提下，一些微型車輛或者小型車輛上的高效小引擎，依然具有廣闊的市場空間。與此同時，工業(yè)自動化特別是一些現場應用的機動設備市場依然在不斷成長，這部分對引擎控制系統(tǒng)的高效與小型化需求更為嚴格。面向21世紀，滿足與地球環(huán)境共存、與小型引擎結合要求的“全優(yōu)的引擎控制”將得到更加快速的發(fā)展，技術發(fā)展的勢為：① 節(jié)能和智能化；② 微、輕、薄和高速化；③驅動、控制電路集成化和專用化；④ 低噪音、低振動、低干擾；⑤ 新結構、新原理產品開發(fā)。

電子引擎控制系統(tǒng)是以微控制器、微處理器或者DSP/DSC產品為核心，這部分系統(tǒng)的改善，主要目的是通過分析傳感器采集的數據，優(yōu)化算法并有效控制引擎工作狀態(tài)，進而能夠提升引擎的工作效率，實現節(jié)能任務。MM912xP812是飛思卡爾面向摩托車及其他小引擎內燃機（單雙缸）噴油電控開發(fā)的一款專用芯片，通過成熟的系統(tǒng)集成封裝（SiP）技術，集成了主流汽車級16位微控制器S12P以及點火噴油控制芯片MC33812于一體。點火噴油控制芯片MC33812包含以下主要功能單元，他們是3個低邊驅動，一個預驅動，5V電壓調節(jié)器，看門狗電路，ISO9141 K線接口電路，MCU并行接口電路。低邊驅動電路主要用來驅動噴油嘴，故障指示燈，繼電器或者另外一個噴油嘴、油泵。而預驅動電路則可以用來驅動IGBT或者達林頓電路，進而驅動點火線圈。

隨著微控制器和微處理器等產品性能的提升與控制算法的完善，單純提升這部分效率已經無法滿足越來越嚴格的能效要求。

隨著對低能耗、高安全性、高可靠性連接和精確控制的需求不斷提升，工廠自動化的工業(yè)驅動日趨復雜，需要尖端技術的支持。馬達控制系統(tǒng)涉及的元器件包括廣泛系列的模擬產品、數字控制器和軟件，能夠精確地控制機械驅動的位置、速度以及扭矩。高效引擎控制需要搜集的信息越來越多，加入的傳感器也越來越多，模擬部分逐漸成為未來競爭的新焦點。這部分涉及的產品和技術很多，包括放大器，數據轉換器，隔離產品，溫度傳感器，接口和電源管理等。這更需要元器件企業(yè)擁有高度穩(wěn)健的工藝技術和超長的產品生命周期策略，能夠充分滿足客戶對可靠性和持續(xù)供應的嚴格要求。

在減排、全球性的環(huán)保呼吁以及提高能效等因素的作用下，小型引擎制造商在部署電子引擎控制系統(tǒng)方面遇到了難題，包括面向電動自行車、小型摩托車和動力設備的電噴控制（EFI）、電控化油器（e-Carb）及電子點火系統(tǒng)等。特別是對模擬與電源管理技術而言，對整個控制系統(tǒng)的影響非常重要，現在的解決方案基本上都依賴單獨的低功能芯片或者分立器件組合，傳統(tǒng)的方案無法適應最新的高效、小型化與節(jié)能的小型引擎的設計需求。更主要的是，因為模擬IC的尺寸不統(tǒng)一及相對較大，復雜的模擬設計方案會讓引擎控制系統(tǒng)的設計缺乏足夠的靈活性，若一味壓縮尺寸則易造成電子系統(tǒng)部分可靠性的損失，因此高集成度的模擬整體方案不僅可以縮小電路部分的尺寸，還能最大限度提升設計的靈活性以及可靠性，最大限度增加產品的市場競爭力。

模擬半導體產品在引擎中的可靠性問題，可以通過這樣的案例說明，為了提高引擎的精密程度，傳感器和功率管理器件就得貼近引擎。由于應用環(huán)境是在引擎罩中，內燃引擎會因為運行而變得非常熱，同時也會振動得很厲害，所以和引擎相關的半導體器件必須非常耐用。在這樣的情況下，模擬器件要長期保持精度和可靠，實屬不易，必須專門開發(fā)。在高質量的同時，低成本則是制約半導體產品在汽車中應用的另一個因素，小型引擎需要半導體產品來提升效率，但同樣也需要盡可能低的成本來確保整個系統(tǒng)沒有太高的附加成本，以贏得市場的訂單，所以，模擬部分的集成度和開發(fā)靈活性就同樣至關重要。

飛思卡爾半導體為此專門推出面向運輸、工業(yè)及消費品行業(yè)小型內燃機的單缸(MC33813)和雙缸(MC33814)電子控制芯片。這些用于控制小型引擎的模擬集成電路將能夠降低設計復雜性及物料和制造成本，同時幫助客戶加快新產品的上市速度。IC完善并擴展了飛思卡爾的摩托車引擎控制單元 (ECU)整個平臺，保留了MC9S12微控制器，但進一步提升了集成和改進的診斷功能。新的方案全面考慮到提供采用50-250 cc引擎的摩托車、踏板車及電動自行車的1級引擎ECU供應商的需求。

MC33813和MC33814的目標應用中都包括摩托車、輕型摩托車、踏板車和三輪摩托出租車使用的單缸和雙缸汽油發(fā)動機。此外，上述器件也適用于大量戶外動力設備采用的小型引擎，如割草機、園藝拖拉機、切割機、刨邊機、鏈鋸、除雪機和吹葉機、土地耕整機、發(fā)電機及舷外引擎等。

MC33813是面向單缸摩托車及其他小型引擎應用的引擎控制模擬電源IC。它由5個集成低邊驅動器及2個預驅動器組成。MC33814主要面向采用雙缸引擎應用。它由6個集成低邊驅動器及3個預驅動器組成。這兩款IC中都包括1條可變磁阻傳感器（VRS）輸入電路、1個使用外部晶體管的電壓預調器、以及2個5伏調壓器（一個用于MCU VCC供電，另一個用于保護傳感器供電）。 此外，這兩款IC中還包括帶看門狗的1條MCU重置控制電路、面向診斷通信的1個ISO 9141 K-Line接口以及1個SPI接口。 低端驅動器最多可驅動2個燃油噴射器、1個燈泡以及2個繼電器或其他負荷，如燃油泵及轉速計。預驅動器能夠驅動IGBT或MOSFET晶體管，以便控制點火線圈及HEGO加熱器。