利用電子技術(shù)減少汽車廢氣污染

1、利用電子技術(shù)減少汽車廢氣污染             利用電子技術(shù)減少汽車廢氣污染 英飛凌科技市場經(jīng)理 蔡志雄 不斷增加的城市空氣污染 經(jīng)過20年的改革開放，中國私人汽車數(shù)量迅速增加，汽車開始進(jìn)入普通人的家庭生活。汽車需求的迅猛增長是推動2002年中國經(jīng)濟(jì)增長的重要力量。去年汽車制造商制造并銷售了325萬輛，比2001年增長了37%。此外，去年載客汽車的銷售首次突破了100萬大關(guān)，猛增56%，達(dá)到了112.6萬輛。 2001年后加入世界貿(mào)易組織（WTO），

2、中國已經(jīng)將汽車的進(jìn)口關(guān)稅從70-90%降低到44-51%，到2005年將進(jìn)一步降低到25%。隨著汽車價格的下降以及中國人較低的汽車擁有量，中國的汽車市場將會進(jìn)一步繁榮。 隨著轎車進(jìn)入家庭，主要城市及近郊的交通擁擠狀況會進(jìn)一步加劇，從而使汽車廢氣排放問題更加嚴(yán)重。中國有2000萬輛汽車和1億輛摩托車，而其中大多數(shù)都在城市。在城市環(huán)境污染物中，汽車所排放的氮氧化物占到了45至60%，而一氧化碳則占到了85%。因此，中國城市居民所吸入的劣質(zhì)空氣主要是由汽車所排放的廢氣造成的。 除非政府愿意犧牲這方面的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，限制上路汽車數(shù)量。因此，要控制汽車廢氣排放問題，利用電子技術(shù)來減少汽車的廢氣排放是解決

3、方案之一。排放標(biāo)準(zhǔn) 2001年底，中國政府宣布對中國三大汽車制造商降低30%的汽車消費稅，前提是他們所制造的汽車得滿足歐II標(biāo)準(zhǔn)。六個月后，在第三屆中國亞洲清潔燃料國際會議上，政府的另一項聲明進(jìn)一步表明了控制汽車排放的決心。聲明稱，北京將從2003年1月開始對在北京銷售的機(jī)動車輛實行歐II標(biāo)準(zhǔn)，并計劃于2005年實施歐III標(biāo)準(zhǔn)。 要控制廢氣排放所面臨的挑戰(zhàn)并不僅僅是要設(shè)計一個具有清潔燃燒能力的完美發(fā)動機(jī)，還要利用合適的半導(dǎo)體電子器件對發(fā)動機(jī)的燃燒過程進(jìn)行合理的控制。英飛凌為今天的發(fā)動機(jī)管理平臺提供了所需要的單片機(jī)、傳感器和功率半導(dǎo)體器件。用于動力總成系統(tǒng)的半導(dǎo)體器件 為控制廢氣排放量，可利用

4、半導(dǎo)體傳感器來精確測量吸入空氣的成份。利用單片機(jī)快速計算出所使用的燃料數(shù)量，然后再起動燃料噴射器。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。 汽車動力總成應(yīng)用中需要多個傳感器來將"真實"環(huán)境與電子部分連接起來?；诎雽?dǎo)體的傳感器專用于測量速度、位置、溫度和壓力。對于動力總成應(yīng)用來說，最大的變化趨勢是利用集成了傳感器單元和信號處理部分的有源傳感器來代替過去的被動式傳感器。由于需要更精確地測量發(fā)動機(jī)的狀態(tài)，因此這一趨勢發(fā)展很快。 在通過傳感器測量到發(fā)動機(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來控制致動器的動作。單片機(jī)是

5、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。目前的趨勢是將DSP功能集成進(jìn)來，從而允許實現(xiàn)更為復(fù)雜和精確的信號處理軟件算法。這樣就可用軟件實現(xiàn)以前采用硬件實現(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)送合適的信號到致動器。通常，致動器需要高電壓或者大電流才能動作。因此，需要利用功率半導(dǎo)體器件來驅(qū)動致動器，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（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)勢是可以支持診斷，從而可

6、使系統(tǒng)具有更好的可靠性（動力總成是汽車中的關(guān)鍵應(yīng)用）。同時，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 傳感器位于動力總成系統(tǒng)的前端。傳感器用來測量物理參數(shù)，如水溫、空氣壓力以及發(fā)動機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)動速度。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，同時還允許利用標(biāo)準(zhǔn)晶圓制造工藝集成信號處理電路和數(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，同時還可

7、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 動態(tài)差分霍爾IC可以測量曲軸或凸輪軸速度、傳動速度和車輪速度。通過使用位于單個芯片上的兩個霍爾單元，一個差分放大器和處理電路，可以測量到磁場差。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。同樣的信號水平，與單片機(jī)的接口要比采用舊式的有感線圈簡單得多、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可以減少干擾。3.進(jìn)氣管絕對壓力/大氣絕對壓力傳感器 在新一代傳感器

8、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)成在芯片上的多個電容器和兩個參考電容器。信號則源于壓感區(qū)域和參考區(qū)域的差別。 由于需要利用模擬的絕對壓力傳感器來測量進(jìn)氣管絕對壓力和大氣絕對壓力，因此標(biāo)準(zhǔn)BiCMOS技術(shù)就特別重要。這是因為需要復(fù)雜的電路來提供模擬輸出信號，進(jìn)行線性化和偏差補償。一個MAP傳感器測量進(jìn)氣管中空氣的絕對壓力，并為發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)提供一個重要的參數(shù)（空氣體積）。另一方面，一個BAP傳感器則測量環(huán)境

9、空氣壓力（是汽車高度的函數(shù)），這也是發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)所需要的同樣重要的一個參數(shù)（空氣密度）。有了這兩個參數(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)動機(jī)的管理。單片機(jī) 單片機(jī)是動力總成系統(tǒng)的大腦。實時運行的高度復(fù)雜的算法用來在各種情況下管理發(fā)動機(jī)及傳送動作。由于系統(tǒng)位于發(fā)動機(jī)罩下的惡劣環(huán)境中，因此除了合適的CPU以外，單片機(jī)的整個系統(tǒng)架構(gòu)對于系統(tǒng)性能來說非常重要。目前在動力總成應(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

10、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。 32位單片機(jī)的市場份額正越來越大。但是，大批量生產(chǎn)的16位產(chǎn)品仍然在目前的汽車中有很大的市場。英飛凌的16位C167系列旨在滿足實時嵌入式控制應(yīng)用的高性能要求。該系列單片機(jī)的架構(gòu)針對大指令吞吐量和對外部刺激（中斷）的快速響應(yīng)而優(yōu)化。集成的智能外設(shè)子系統(tǒng)可將所需要的CPU干預(yù)降低到最低的程度。這還減少了對通過外部總線接口進(jìn)行通信的需要。C167系列的成功源于其CPU，以及對于動力總成應(yīng)用的要求來說非常理想的外設(shè)組合。 稱為C166v2內(nèi)

11、核的新一代C166內(nèi)核采用了單時鐘周期執(zhí)行技術(shù)，因此性能提升了一倍。內(nèi)置的高級乘法和累加指令（MAC）執(zhí)行單元極大地提高了DSP性能。 目前功能最強(qiáng)大的單片機(jī)采用了32位CPU。此類CPU中的一些源于單片機(jī)架構(gòu)。而象英飛凌TriCore這樣的CPU則是針對實時環(huán)境中的嵌入式控制應(yīng)用而設(shè)計的，因此非常適用于象動力總成這樣的應(yīng)用。功率半導(dǎo)體器件 在動力總成應(yīng)用中，需要開關(guān)驅(qū)動噴射器、氧氣傳感器加熱器、放氣閥、冷卻風(fēng)扇以及一些繼電器等負(fù)載。在單片IC中集成多個開關(guān)可以縮小電路板尺寸，從而降低成本。目前可提供2至18通道的多通道開關(guān)器件。根據(jù)特定的應(yīng)用，可驅(qū)動從50mA直到30A的電流。負(fù)載可以是歐姆

12、負(fù)載、容性負(fù)載或感性負(fù)載。 越來越多的數(shù)字邏輯可以在功率輸出級一起實現(xiàn)。隨著BCD技術(shù)的發(fā)展，可以在器件中集成許多此前必須由專用ASIC或單片機(jī)完成的新功能。 除了這一控制功能外，目前的開關(guān)器件還集成了保護(hù)和檢測功能，如短路、過載、超溫、過壓、負(fù)載開路、靜電放電（ESD）和反向電流保護(hù)等。此外，還可通過實現(xiàn)在過載時斷路以及限流模式等故障保護(hù)模式來進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性。多通道開關(guān)器件通常可利用標(biāo)準(zhǔn)通信接口（SPI）進(jìn)行控制。診斷信息通過SPI傳輸回單片機(jī)。英飛凌公司還提供了一種高速點到點通信接口，可為未來時間關(guān)鍵的應(yīng)用（如PWM電流調(diào)整）提供更大的數(shù)據(jù)帶寬，并降低微控制器和功率開關(guān)器件（如超過

13、8通道的器件）的I/O端口數(shù)量。點火 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是用于點火應(yīng)用的理想產(chǎn)品，可經(jīng)得住嚴(yán)酷的環(huán)境條件（高溫、振動、EMI等）。IGBT可提供有吸引力的參數(shù)，如邏輯電平輸入、低飽合電壓、集成ESD保護(hù)和動態(tài)齊納嵌位。同時此類器件還非常堅固并且具有感應(yīng)開關(guān)能力。CAN（汽車區(qū)域網(wǎng)絡(luò)） 收發(fā)器的主要功能是通過汽車中的通信線路傳輸單片機(jī)通信信號。在動力總成應(yīng)用中，高速CAN是標(biāo)準(zhǔn)的總線協(xié)議。除了高達(dá)1M波特的高總線帶寬以外，英飛凌的CAN 收發(fā)器還具有優(yōu)異的EMC特性。這一點非常重要，因為設(shè)計人員可以節(jié)省幾個用來減小EMI的器件。 除了CAN網(wǎng)絡(luò)，LIN協(xié)議也已經(jīng)成為汽車診斷的總線標(biāo)準(zhǔn)。英飛凌的TLE6258是與LIN規(guī)范和ISO9141功能兼容的單線收發(fā)器。其傳輸速率高達(dá)20K波特，并集成了對地短路保護(hù)、電池控制和過熱保護(hù)。而且，其閑置模式下的電流極低。不斷發(fā)展的中國市場 中國政府還計劃從2005年開始對摩托車生產(chǎn)和銷售實施歐一標(biāo)準(zhǔn)，并且在一氧化碳和碳?xì)浠衔锱欧欧矫鎸⒈痊F(xiàn)有的ECE40.01標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格50%。為滿足這一排放標(biāo)準(zhǔn)，中國的摩托車制造商將面臨這樣的選擇，要么建立自己的發(fā)動機(jī)ECU研發(fā)能力，要么從第一層廠商那兒進(jìn)口ECU。然而，第二種選擇將會提高其摩托車產(chǎn)品的成本，從