當今的汽車(chē)正朝著(zhù)提供高能效同時(shí)對環(huán)境影響降至最低的方向發(fā)展。但就長(cháng)遠而言，以非石油為基礎的動(dòng)力系統似乎是最具前景的解決方案；與此同時(shí)，汽車(chē)工業(yè)正在推出基于現有技術(shù)引入更多改進(jìn)。一項主要趨勢是混合動(dòng)力化（hybridization），其中微混合動(dòng)力（包括停止-啟動(dòng)系統）和輕度（mild）混合動(dòng)力存在大量增長(cháng)機會(huì )。這些“適度混合動(dòng)力”方案可能看上去已經(jīng)過(guò)氣，但業(yè)界仍在圍繞這些應用進(jìn)行大量電子及機械開(kāi)發(fā)。

 

本文將首先審視一些跟倫德?tīng)枺↙undell）式電動(dòng)機（更廣為人知的名稱(chēng)是“交流發(fā)電機”）相關(guān)的持續改進(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，發(fā)動(dòng)機頻繁啟動(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(chē)中加入的更多傳感器，這些傳感器將幫助進(jìn)一步降低傳統內燃發(fā)動(dòng)機對石油的依賴(lài)。最后一段闡釋現有電感型傳感器技術(shù)可以怎樣優(yōu)化剎車(chē)踏板以幫助汽車(chē)節省更多能量。

 

 

在啟動(dòng)交流發(fā)電機系統中，無(wú)源整流二極管被大電流開(kāi)關(guān)替代。這些開(kāi)關(guān)負責驅動(dòng)啟動(dòng)交流發(fā)電機，使其作為電機（啟動(dòng)機模式），并在交流發(fā)電機內部產(chǎn)生的定子電流上執行同步整流（交流發(fā)電機模式）。同步整流大幅通過(guò)以高導電性的通道分流（本體）二極管，提升交流發(fā)電機能效，將正向壓降降至低于150 mV。

 

圖1：交流發(fā)電機中的同步整流

 

此應用的一項主要功能挑戰就是確保在定子電流反向時(shí)開(kāi)關(guān)以極快速度關(guān)斷；開(kāi)關(guān)關(guān)斷有任何延遲都會(huì )導致不必要的電池放電，其方式跟常規二極管的反向恢復非常類(lèi)似。有鑒于此，預驅動(dòng)器IC包含在自主門(mén)極控制環(huán)路內部工作的高歪曲率驅動(dòng)器，設計目的是在整流期間歐姆損耗與電流符號改變時(shí)的過(guò)渡損耗之間取得盡可能最佳的折衷。在IC中集成這些預驅動(dòng)器相當復雜。

 

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)電機的驅動(dòng)器IC被置于可能是環(huán)境最?lèi)毫拥奈恢?，可能?huì )遭受電池反向、負載突降、陰極接地轉移、定子相位上極大的dV/dt（數量級為每微 秒100 V）、電磁干擾等多種瞬態(tài)事件。同樣，使用差分技術(shù)及細致管理硅襯底上的寄生（雙極）效應，有可能采用高性?xún)r(jià)比的降壓技術(shù)而非絕緣硅（SOI）技術(shù)來(lái)構建此類(lèi)IC。

 

圖2：?jiǎn)?dòng)交流發(fā)電機中采用強固的預驅動(dòng)器來(lái)控制高門(mén)極-源極電容（Cgs）的MOSFET

 

除了傳統鉛酸電池，我們看到越來(lái)越多的儲能組件被用于啟動(dòng)-停止系統中的電源網(wǎng)絡(luò )，如鋰離子電池、超級電容等。在這些系統中，安全領(lǐng)域變得跟核心功能一樣重要。因此，我們看到ISO26262安全標準越來(lái)越多地進(jìn)入我們的視野，有時(shí)會(huì )導致相當部分硅片面積專(zhuān)門(mén)用于監測應用，檢測此IC及其伴侶IC的運行健全狀況，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點(diǎn)溫度大幅上升；在應用中需要考慮工作結點(diǎn)溫度高于175℃的情形并不罕見(jiàn)。此外，在元器件認證階段，可能使用高達200℃的溫度來(lái)進(jìn)一步加速老化過(guò)程，以將使用壽命測試時(shí)長(cháng)保持在合理的2，000小時(shí)之內。通過(guò)使用帶有擴展溫度范圍的硅工藝，并在設計階段將在設計約束考慮在內，就能夠有效地應對這個(gè)挑戰。

 

內燃發(fā)動(dòng)機中使用的傳感技術(shù)

 

傳感器在使當代內燃發(fā)動(dòng)機達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)機燃燒室的空氣量，從而精確噴入恰當數量的燃油。而在發(fā)動(dòng)機的另一端，氧氣和氮氧化物（NOx）傳感器直接測量廢氣成分，并將信息饋送回給發(fā)動(dòng)機控制單元（ECU）。

 

壓力傳感器的進(jìn)襲事實(shí)上無(wú)所不在，代表了一種伴隨內燃機演進(jìn)及追求增強控制的趨勢。最初是歧管絕對壓力（MAP）傳感器，此傳感器是使用MAF傳感器之外的另一選擇。隨著(zhù)燃油噴射技術(shù)的進(jìn)步，需要汽車(chē)直噴（GDI）及柴油直噴（DDI）壓力傳感器來(lái)配合通過(guò)直接連接至每個(gè)氣缸燃燒室的共軌燃油管測量噴射的燃油壓力。后者某些時(shí)候要求柴油微粒過(guò)濾器（DPF）來(lái)減少油煙，而DPF需要要求傳感器來(lái)幫助維持適當的工作條件。即使是在發(fā)動(dòng)機外部，胎壓監測系統（TPMS）確保輪胎恰當充氣，從而不僅提供更好的安全性，還提供更高的燃油效率，因為輪胎滾動(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的壓力。某些類(lèi)型的清潔柴油發(fā)動(dòng)機已經(jīng)在氣缸內壓力傳感器的幫助下運轉。那些相同的傳感器也是正在研究的新發(fā)動(dòng)機的關(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)的目標是結合汽油發(fā)動(dòng)機的低排放及柴油發(fā)動(dòng)機的能效。所有這些進(jìn)步都提出了新的技術(shù)挑戰，要求越來(lái)越復雜的集成電子電路來(lái)因應這些挑戰。舉例來(lái)說(shuō)，更好的控制要求更高的精度，而目前0.5%的容限很常見(jiàn)。與此同時(shí)，隨著(zhù)壓力傳感功能的布局移向更接近發(fā)動(dòng)機的中心，工作溫度范圍持續擴展。這就對傳感元件及補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(kāi)始提供高精度性能，隨后是高精度Σ-Δ（sigma-delta）模數轉換器（ADC）。復雜的數字信號處理為傳感元件的偏移和靈敏度提供非線(xiàn)性溫度補償。常見(jiàn)的5 V模擬輸出逐漸被單邊半字節傳輸（SENT）及PSI5等標準數字輸出替代。此方法通過(guò)省去傳感器中的輸出數模轉換及ECU端的模數轉換，減小總量化誤差。

 

每個(gè)傳感器在生產(chǎn)時(shí)都被校準，補償系數存儲在內部EEPROM中。

 

圖3 ： 用于壓力傳感器的下一代精密信號調理接口IC框圖

 

 

典型剎車(chē)踏板僅有一個(gè)開(kāi)關(guān)，用于幫助確定什么時(shí)候應該導通剎車(chē)燈。隨著(zhù)剎車(chē)能量回收（regen）功能的增添，就需要新的剎車(chē)踏板位置傳感器。本質(zhì)上而言，標準摩擦剎車(chē)系統采用測量剎車(chē)踏板精確位移的控制系統來(lái)升級。當剎車(chē)踏板僅輕微位移時(shí)，摩擦剎車(chē)系統不會(huì )激活。在這個(gè)“回收帶”，能量回收系統將測量剎車(chē)踏板位移，并確定移動(dòng)中汽車(chē)的多少運動(dòng)能量需要轉移到臨時(shí)能量存儲。這能量存儲可以采用多種形式；原設備制造商（OEM）可能傾向于氣壓或液壓蓄力器、48 V電池、超級電容，或者甚至是飛輪。輕度混合動(dòng)力汽車(chē)會(huì )在下一個(gè)加速階段將存儲的能量轉換回至有限時(shí)間的推進(jìn)動(dòng)力，而微混合動(dòng)力汽車(chē)僅使用電氣回收技術(shù)，在更長(cháng)的時(shí)間段內為板網(wǎng)（boardnet）供電。

 

為了測量“回收帶”期間剎車(chē)踏板的確切位置，可以使用像給加速踏板使用的類(lèi)似的技術(shù)。圖4顯示了這類(lèi)應用免接觸式傳感器方案的框圖。

 

圖4：電感型位置傳感器應用框圖

 

安森美半導體開(kāi)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，還結合了智能處理功能。片上驅動(dòng)器通過(guò)最少一個(gè)勵磁電感刺激傳感器。傳感器的耦合輸出電感會(huì )產(chǎn)生包含勵磁電感與輸出電感相對位置信息的信號。電感相對位置的變化在很大程度上取決于所選擇的傳感器設計，它通常是線(xiàn)性或旋轉運動(dòng)的結果。然后，此集成電路將將傳感器的電氣輸入和輸出信號轉換為數字位置信息。解析出的位置信號然后通過(guò)接口傳送給微控制器，具體什么接口取決于客戶(hù)要求或偏好?？梢赃x擇專(zhuān)有混合信號方案來(lái)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、脈寬調制（PWM）、 SENT或PSI5.

 

傳感器領(lǐng)域的半導體供應商除了具備所要求的技能，還應對ISO26262標準呈現出正確的態(tài)度。汽車(chē)中的許多踏板應用跟安全直接相關(guān)，需要通過(guò)恰當的ISO26262理解、方法及工具集方式因應?？梢栽诟承┕δ芄灿孟嗤Y果、提供獨立數據輸出的冗余型配置中使用電感型傳感器，在模塊級達到ASIL-D要求。新興的回收應用結合新的適合安全標準，正在推動(dòng)行業(yè)朝向開(kāi)發(fā)與電感型傳感器連接的新的集成電路。

 

電子元器件開(kāi)發(fā)者及供應商正在趨向未來(lái)汽車(chē)動(dòng)力系統在道路上創(chuàng )造不同。雖然微混合及輕度混合動(dòng)力汽車(chē)提供相對適度的燃油經(jīng)濟性提升，但它們的性?xún)r(jià)比很高。恰好是這種強固的汽車(chē)逐步改善途徑將使大多數汽車(chē)朝向新技術(shù)穩步演進(jìn)，同時(shí)還構建下一代動(dòng)力系統的基礎。來(lái)源：電子發(fā)燒友。

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