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(jì)一個(gè)具有清潔燃燒能力的完美發(fā)動(dòng)機(jī)，還要利用合適的半導(dǎo)體電子器件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程進(jìn)行合理的控制。英飛凌為今天的發(fā)動(dòng)機(jī)管理平臺(tái)提供了所需要的單片機(jī)、傳感器和功率半導(dǎo)體器件。
　　用于動(dòng)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(cè)量吸入空氣的成份。利用單片機(jī)快速計(jì)算出所使用的燃料數(shù)量，然后再起動(dòng)燃料噴射器。由于有正確的空氣-燃料比，因此可以達(dá)到近乎完美的燃燒狀態(tài)，從而使廢氣的排放達(dá)到最少。
　　汽車動(dòng)力總成應(yīng)用中需要多個(gè)傳感器來將"真實(shí)"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(cè)量速度、位置、溫度和壓力。對(duì)于動(dòng)力總成應(yīng)用來說，最大的變化趨勢(shì)是利用集成了傳感器單元和信號(hào)處理部分的有源傳感器來代替過去的被動(dòng)式傳感器。由于需要更精確地測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，因此這一趨勢(shì)發(fā)展很快。
　　在通過傳感器測(cè)量到發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)以后，單片機(jī)就可以處理這些數(shù)據(jù)并提供合適的控制信號(hào)來控制致動(dòng)器的動(dòng)作。單片機(jī)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(qiáng)大的處理器與外設(shè)集成在一起。目前的趨勢(shì)是將DSP功能集成進(jìn)來，從而允許實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜和精確的信號(hào)處理軟件算法。這樣就可用軟件實(shí)現(xiàn)以前采用硬件實(shí)現(xiàn)的功能。
　　一旦單片機(jī)"知道"下一步該做什么，單片機(jī)就發(fā)送合適的信號(hào)到致動(dòng)器。通常，致動(dòng)器需要高電壓或者大電流才能動(dòng)作。因此，需要利用功率半導(dǎo)體器件來驅(qū)動(dòng)致動(dòng)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(jí)（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(shì)是可以支持診斷，從而可使系統(tǒng)具有更好的可靠性（動(dòng)力總成是汽車中的關(guān)鍵應(yīng)用）。同時(shí)，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(dòng)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(dòng)力總成系統(tǒng)的前端。傳感器用來測(cè)量物理參數(shù)，如水溫、空氣壓力以及發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)械技術(shù)還帶來了嶄新的加速和偏向角速度傳感器，同時(shí)還允許利用標(biāo)準(zhǔn)晶圓制造工藝集成信號(hào)處理電路和數(shù)字化電路。
　　1.溫度傳感器
　　根據(jù)擴(kuò)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(shí)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(dòng)態(tài)差分霍爾IC可以測(cè)量曲軸或凸輪軸速度、傳動(dòng)速度和車輪速度。通過使用位于單個(gè)芯片上的兩個(gè)霍爾單元，一個(gè)差分放大器和處理電路，可以測(cè)量到磁場(chǎng)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(hào)水平，與單片機(jī)的接口要比采用舊式的有感線圈簡(jiǎn)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(hào)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(jìn)氣管絕對(duì)壓力/大氣絕對(duì)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(jī)械技術(shù)得以在標(biāo)準(zhǔn)BiCMOS工藝進(jìn)行微機(jī)械加工，利用其技術(shù)制造的傳感器稱為MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))。利用微機(jī)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(gè)電容器和兩個(gè)參考電容器。信號(hào)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(duì)壓力傳感器來測(cè)量進(jìn)氣管絕對(duì)壓力和大氣絕對(duì)壓力，因此標(biāo)準(zhǔn)BiCMOS技術(shù)就特別重要。這是因?yàn)樾枰獜?fù)雜的電路來提供模擬輸出信號(hào)，進(jìn)行線性化和偏差補(bǔ)償。一個(gè)MAP傳感器測(cè)量進(jìn)氣管中空氣的絕對(duì)壓力，并為發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)提供一個(gè)重要的參數(shù)（空氣體積）。另一方面，一個(gè)BAP傳感器則測(cè)量環(huán)境空氣壓力（是汽車高度的函數(shù)），這也是發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)所需要的同樣重要的一個(gè)參數(shù)（空氣密度）。有了這兩個(gè)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(shí)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(dòng)機(jī)的管理。
　　單片機(jī)
　　單片機(jī)是動(dòng)力總成系統(tǒng)的大腦。實(shí)時(shí)運(yùn)行的高度復(fù)雜的算法用來在各種情況下管理發(fā)動(dòng)機(jī)及傳送動(dòng)作。由于系統(tǒng)位于發(fā)動(dòng)機(jī)罩下的惡劣環(huán)境中，因此除了合適的CPU以外，單片機(jī)的整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)于系統(tǒng)性能來說非常重要。目前在動(dòng)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(qiáng)8位C500核心，以及適合在成本敏感的摩托車市場(chǎng)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(zhǔn)的80C51單片機(jī)完全兼容，因此可加快軟件開發(fā)周期。