最新汽车动力系统电子电路中的硅技术

 简介

当今的汽车正朝着提供高能效同时对环境影响降至最低的方向发展。但就长远而言，以非石油为基础的动力系统似乎是最具前景的解决方案;与此同时，汽车工业正在推出基于现有技术引入更多改进。一项主要趋势是混合动力化(hybridization)，其中微混合动力(包括停止-启动系统)和轻度(mild)混合动力存在大量增长机会。这些“适度混合动力”方案可能看上去已经过气，但业界仍在围绕这些应用进行大量电子及机械开发。

本文将首先审视一些跟伦德尔(Lundell)式电动机(更广为人知的名称是“交流发电机”)相关的持续改进的极佳示例。由于采用了更好的电子控制，它的能效提升了，更多的能量被恢复，发动机频繁启动的影响被处理平顺了。本文的第二部分将重点介绍汽车中加入的更多传感器，这些传感器将帮助进一步降低传统内燃发动机对石油的依赖。最后一段阐释现有电感型传感器技术可以怎样优化刹车踏板以帮助汽车节省更多能量。

1. 启动交流发电机

在启动交流发电机系统中，无源整流二极管被大电流开关替代。这些开关负责驱动启动交流发电机，使其作为电机(启动机模式)，并在交流发电机内部产生的定子电流上执行同步整流(交流发电机模式)。

同步整流大幅通过以高导电性的通道分流(本体)二极管，提升交流发电机能效，将正向压降降至低于150 mV。

图1：交流发电机中的同步整流

此应用的一项主要功能挑战就是确保在定子电流反向时开关以极快速度关断;开关关断有任何延迟都会导致不必要的电池放电，其方式跟常规二极管的反向恢复非常类似。有鉴于此，预驱动器IC包含在自主门极控制环路内部工作的高歪曲率驱动器，设计目的是在整流期间欧姆损耗与电流符号改变时的过渡损耗之间取得尽可能最佳的折衷。在IC中集成这些预驱动器相当复杂。

首先，它要求多种不同电压域共存在同一个硅衬底上，同时确保这些电压域之间的可靠通信。

其次，启动交流发电机的驱动器IC被置于可能是环境最恶劣的位置，可能会遭受电池反向、负载突降、阴极接地转移、定子相位上极大的dV/dt(数量级为每微 秒100 V)、电磁干扰等多种瞬态事件。同样，使用差分技术及细致管理硅衬底上的寄生(双极)效应，有可能采用高性价比的降压技术而非绝缘硅(SOI)技术来构建此类IC。

图2：启动交流发电机中采用强固的预驱动器来控制高门极-源极电容(Cgs)的MOSFET

除了传统铅酸电池，我们看到越来越多的储能组件被用于启动-停止系统中的电源网络，如锂离子电池、超级电容等。在这些系统中，安全领域变得跟核心功能一样重要。因此，我们看到ISO26262安全标准越来越多地进入我们的视野，有时会导致相当部分硅片面积专门用于监测应用，检测此IC及其伴侣IC的运行健全状况，并在有需要的情况下确保安全状态。

最后，智能电路及大功率元器件在紧邻位置的组合表示控制电路的结点温度大幅上升;在应用中需要考虑工作结点温度高于175℃的情形并不罕见。此外，在元器件认证阶段，可能使用高达200℃的温度来进一步加速老化过程，以将使用寿命测试时长保持在合理的2,000小时之内。通过使用带有扩展温度范围的硅工艺，并在设计阶段将在设计约束考虑在内，就能够有效地应对这个挑战。

2. 内燃发动机中使用的传感技术

传感器在使当代内燃发动机达到前所未有的能效水平，同时还将排放降至最低。例如，空气流量(MAF)传感器衡量进入发动机燃烧室的空气量，从而精确喷入恰当数量的燃油。而在发动机的另一端，氧气和氮氧化物(NOx)传感器直接测量废气成分，并将信息馈送回给发动机控制单元(ECU)。

压力传感器的进袭事实上无所不在，代表了一种伴随内燃机演进及追求增强控制的趋势。最初是歧管绝对压力(MAP)传感器，此传感器是使用MAF传感器之外的另一选择。随着燃油喷射技术的进步，需要汽车直喷(GDI)及柴油直喷(DDI)压力传感器来配合通过直接连接至每个气缸燃烧室的共轨燃油管测量喷射的燃油压力。后者某些时候要求柴油微粒过滤器(DPF)来减少油烟，而DPF需要要求传感器来帮助维持适当的工作条件。即使是在发动机外部，胎压监测系统(TPMS)确保轮胎恰当充气，从而不仅提供更好的安全性，还提供更高的燃油效率，因为轮胎滚动阻力减小了。

压力传感器的另一个前沿阵地是燃烧室本身。为了提供最终的燃烧控制，其中一个必要条件是随时都精确知道所有气缸内的压力。某些类型的清洁柴油发动机已经在气缸内压力传感器的帮助下运转。那些相同的传感器也是正在研究的新发动机的关键推动因素，一个例子就是均质充量压缩点火(HCCI)，此技术的目标是结合汽油发动机的低排放及柴油发动机的能效。

所有这些进步都提出了新的技术挑战，要求越来越复杂的集成电子电路来因应这些挑战。举例来说，更好的控制要求更高的精度，而目前0.5%的容限很常见。与此同时，随着压力传感功能的布局移向更接近发动机的中心，工作温度范围持续扩展。这就对传感元件及补偿其非理想特性所需的电子电路施加了额外的限制。

新一代压力传感器IC的框图如图3所示。低噪声模拟前端开始提供高精度性能，随后是高精度Σ-Δ(sigma-delta)模数转换器(ADC)。复杂的数字信号处理为传感元件的偏移和灵敏度提供非线性温度补偿。常见的5 V模拟输出逐渐被单边半字节传输(SENT)及PSI5等标准数字输出替代。此方法通过省去传感器中的输出数模转换及ECU端的模数转换，减小总量化误差。

每个传感器在生产时都被校准，补偿系数存储在内部EEPROM中。

图3 : 用于压力传感器的下一代精密信号调理接口IC框图

3. 用于刹车踏板的电感型位置传感器接口

典型刹车踏板仅有一个开关，用于帮助确定什么时候应该导通刹车灯。随着刹车能量回收(regen)功能的增添，就需要新的刹车踏板位置传感器。本质上而言，标准摩擦刹车系统采用测量刹车踏板精确位移的控制系统来升级。当刹车踏板仅轻微位移时，摩擦刹车系统不会激活。在这个“回收带”，能量回收系统将测量刹车踏板位移，并确定移动中汽车的多少运动能量需要转移到临时能量存储。这能量存储可以采用多种形式;原设备制造商(OEM)可能倾向于气压或液压蓄力器、48 V电池、超级电容，或者甚至是飞轮。轻度混合动力汽车会在下一个加速阶段将存储的能量转换回至有限时间的推进动力，而微混合动力汽车仅使用电气回收技术，在更长的时间段内为板网(boardnet)供电。

为了测量“回收带”期间刹车踏板的确切位置，可以使用像给加速踏板使用的类似的技术。图4显示了这类应用免接触式传感器方案的框图。

图4：电感型位置传感器应用框图

安森美半导体开发的定制电感型传感器接口充分利用先进的前端滤波器，还结合了智能处理功能。片上驱动器通过最少一个励磁电感刺激传感器。传感器的耦合输出电感会产生包含励磁电感与输出电感相对位置信息的信号。电感相对位置的变化在很大程度上取决于所选择的传感器设计，它通常是线性或旋转运动的结果。然后，此集成电路将将传感器的电气输入和输出信号转换为数字位置信息。解析出的位置信号然后通过接口传送给微控制器，具体什么接口取决于客户要求或偏好。可以选择专有混合信号方案来配合传感器接口输出格式，包括比例电压、正弦-余弦(Sin-Cos)电压、脉宽调制(PWM)、SENT或PSI5。

传感器领域的半导体供应商除了具备所要求的技能，还应对ISO26262标准呈现出正确的态度。汽车中的许多踏板应用跟安全直接相关，需要通过恰当的ISO26262理解、方法及工具集方式因应。可以在跟某些功能共用相同结果、提供独立数据输出的冗余型配置中使用电感型传感器，在模块级达到ASIL-D要求。新兴的回收应用结合新的适合安全标准，正在推动行业朝向开发与电感型传感器连接的新的集成电路。

结论

电子元器件开发者及供应商正在趋向未来汽车动力系统在道路上创造不同。虽然微混合及轻度混合动力汽车提供相对适度的燃油经济性提升，但它们的性价比很高。恰好是这种强固的汽车逐步改善途径将使大多数汽车朝向新技术稳步演进，同时还构建下一代动力系统的基础。