當(dāng)今的汽車正朝著提供高能效同時(shí)對(duì)環(huán)境影響降至最低的方向發(fā)展官地。但就長(zhǎng)遠(yuǎn)而言缔俄，以非石油為基礎(chǔ)的動(dòng)力系統(tǒng)似乎是最具前景的解決方案;與此同時(shí)，汽車工業(yè)正在推出基于現(xiàn)有技術(shù)引入更多改進(jìn)线召。一項(xiàng)主要趨勢(shì)是混合動(dòng)力化(hybridization)铺韧，其中微混合動(dòng)力(包括停止-啟動(dòng)系統(tǒng))和輕度(mild)混合動(dòng)力存在大量增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。這些“適度混合動(dòng)力”方案可能看上去已經(jīng)過氣缓淹，但業(yè)界仍在圍繞這些應(yīng)用進(jìn)行大量電子及機(jī)械開發(fā)哈打。

本文將首先審視一些跟倫德爾(Lundell)式電動(dòng)機(jī)(更廣為人知的名稱是“交流發(fā)電機(jī)”)相關(guān)的持續(xù)改進(jìn)的極佳示例。由于采用了更好的電子控制讯壶，它的能效提升了料仗，更多的能量被恢復(fù)，發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)的影響被處理平順了伏蚊。本文的第二部分將重點(diǎn)介紹汽車中加入的更多傳感器立轧，這些傳感器將幫助進(jìn)一步降低傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)石油的依賴。最后一段闡釋現(xiàn)有電感型傳感器技術(shù)可以怎樣優(yōu)化剎車踏板以幫助汽車節(jié)省更多能量躏吊。

啟動(dòng)交流發(fā)電機(jī)

在啟動(dòng)交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中氛改，無源整流二極管被大電流開關(guān)替代。這些開關(guān)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)交流發(fā)電機(jī)比伏，使其作為電機(jī)(啟動(dòng)機(jī)模式)臊癞，并在交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的定子電流上執(zhí)行同步整流(交流發(fā)電機(jī)模式)。同步整流大幅通過以高導(dǎo)電性的通道分流(本體)二極管吸畸，提升交流發(fā)電機(jī)能效绣嫉，將正向壓降降至低于150 mV。

此應(yīng)用的一項(xiàng)主要功能挑戰(zhàn)就是確保在定子電流反向時(shí)開關(guān)以極快速度關(guān)斷;開關(guān)關(guān)斷有任何延遲都會(huì)導(dǎo)致不必要的電池放電翁脓，其方式跟常規(guī)二極管的反向恢復(fù)非常類似普计。有鑒于此，預(yù)驅(qū)動(dòng)器IC包含在自主門極控制環(huán)路內(nèi)部工作的高歪曲率驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)目的是在整流期間歐姆損耗與電流符號(hào)改變時(shí)的過渡損耗之間取得盡可能最佳的折衷殷宴。在IC中集成這些預(yù)驅(qū)動(dòng)器相當(dāng)復(fù)雜徘繁。

首先，它要求多種不同電壓域共存在同一個(gè)硅襯底上窜货，同時(shí)確保這些電壓域之間的可靠通信嘹券。

其次，啟動(dòng)交流發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器IC被置于可能是環(huán)境最惡劣的位置末雪，可能會(huì)遭受電池反向犀村、負(fù)載突降、陰極接地轉(zhuǎn)移材彪、定子相位上極大的dV/dt(數(shù)量級(jí)為每微 秒100 V)观挎、電磁干擾等多種瞬態(tài)事件。同樣段化，使用差分技術(shù)及細(xì)致管理硅襯底上的寄生(雙極)效應(yīng)嘁捷，有可能采用高性價(jià)比的降壓技術(shù)而非絕緣硅(SOI)技術(shù)來構(gòu)建此類IC。

圖1：?jiǎn)?dòng)交流發(fā)電機(jī)中采用強(qiáng)固的預(yù)驅(qū)動(dòng)器來控制高門極-源極電容(Cgs)的MOSFET

除了傳統(tǒng)鉛酸電池显熏，我們看到越來越多的儲(chǔ)能組件被用于啟動(dòng)-停止系統(tǒng)中的電源網(wǎng)絡(luò)雄嚣，如鋰離子電池、超級(jí)電容等喘蟆。在這些系統(tǒng)中缓升，安全領(lǐng)域變得跟核心功能一樣重要。因此蕴轨，我們看到ISO26262安全標(biāo)準(zhǔn)越來越多地進(jìn)入我們的視野港谊，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)部分硅片面積專門用于監(jiān)測(cè)應(yīng)用，檢測(cè)此IC及其伴侶IC的運(yùn)行健全狀況橙弱，并在有需要的情況下確保安全狀態(tài)歧寺。

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(jié)點(diǎn)溫度大幅上升;在應(yīng)用中需要考慮工作結(jié)點(diǎn)溫度高于175℃的情形并不罕見嗽绑。此外假凿，在元器件認(rèn)證階段，可能使用高達(dá)200℃的溫度來進(jìn)一步加速老化過程萤野，以將使用壽命測(cè)試時(shí)長(zhǎng)保持在合理的2赫赊，000小時(shí)之內(nèi)。通過使用帶有擴(kuò)展溫度范圍的硅工藝杜诲，并在設(shè)計(jì)階段將在設(shè)計(jì)約束考慮在內(nèi)剧胚，就能夠有效地應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)。

內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的傳感技術(shù)

傳感器在使當(dāng)代內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到前所未有的能效水平茵软，同時(shí)還將排放降至最低落六。例如箫乳，空氣流量(MAF)傳感器衡量進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的空氣量，從而精確噴入恰當(dāng)數(shù)量的燃油民氏。而在發(fā)動(dòng)機(jī)的另一端浊丑，氧氣和氮氧化物(NOx)傳感器直接測(cè)量廢氣成分，并將信息饋送回給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)久规。

壓力傳感器的進(jìn)襲事實(shí)上無所不在湖笨，代表了一種伴隨內(nèi)燃機(jī)演進(jìn)及追求增強(qiáng)控制的趨勢(shì)。最初是歧管絕對(duì)壓力(MAP)傳感器蹦骑，此傳感器是使用MAF傳感器之外的另一選擇慈省。隨著燃油噴射技術(shù)的進(jìn)步，需要汽車直噴(GDI)及柴油直噴(DDI)壓力傳感器來配合通過直接連接至每個(gè)氣缸燃燒室的共軌燃油管測(cè)量噴射的燃油壓力眠菇。后者某些時(shí)候要求柴油微粒過濾器(DPF)來減少油煙边败，而DPF需要要求傳感器來幫助維持適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件。即使是在發(fā)動(dòng)機(jī)外部捎废，胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)確保輪胎恰當(dāng)充氣笑窜，從而不僅提供更好的安全性，還提供更高的燃油效率缕坎，因?yàn)檩喬L動(dòng)阻力減小了怖侦。

壓力傳感器的另一個(gè)前沿陣地是燃燒室本身篡悟。為了提供最終的燃燒控制谜叹，其中一個(gè)必要條件是隨時(shí)都精確知道所有氣缸內(nèi)的壓力。某些類型的清潔柴油發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)在氣缸內(nèi)壓力傳感器的幫助下運(yùn)轉(zhuǎn)搬葬。那些相同的傳感器也是正在研究的新發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵推動(dòng)因素荷腊，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(biāo)是結(jié)合汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的低排放及柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的能效芜监。所有這些進(jìn)步都提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)拾拄，要求越來越復(fù)雜的集成電子電路來因應(yīng)這些挑戰(zhàn)。舉例來說锦售，更好的控制要求更高的精度莺肘，而目前0.5%的容限很常見。與此同時(shí)茉蔗，隨著壓力傳感功能的布局移向更接近發(fā)動(dòng)機(jī)的中心峭跺，工作溫度范圍持續(xù)擴(kuò)展。這就對(duì)傳感元件及補(bǔ)償其非理想特性所需的電子電路施加了額外的限制锚躺。

低噪聲模擬前端開始提供高精度性能新罗，隨后是高精度Σ-Δ(sigma-delta)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理為傳感元件的偏移和靈敏度提供非線性溫度補(bǔ)償骄雇。常見的5 V模擬輸出逐漸被單邊半字節(jié)傳輸(SENT)及PSI5等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字輸出替代训奢。此方法通過省去傳感器中的輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換及ECU端的模數(shù)轉(zhuǎn)換帘惜，減小總量化誤差。

每個(gè)傳感器在生產(chǎn)時(shí)都被校準(zhǔn)饼暑，補(bǔ)償系數(shù)存儲(chǔ)在內(nèi)部EEPROM中稳析。

用于剎車踏板的電感型位置傳感器接口

典型剎車踏板僅有一個(gè)開關(guān)，用于幫助確定什么時(shí)候應(yīng)該導(dǎo)通剎車燈弓叛。隨著剎車能量回收(regen)功能的增添迈着，就需要新的剎車踏板位置傳感器。本質(zhì)上而言邪码，標(biāo)準(zhǔn)摩擦剎車系統(tǒng)采用測(cè)量剎車踏板精確位移的控制系統(tǒng)來升級(jí)裕菠。當(dāng)剎車踏板僅輕微位移時(shí)，摩擦剎車系統(tǒng)不會(huì)激活闭专。在這個(gè)“回收帶”奴潘，能量回收系統(tǒng)將測(cè)量剎車踏板位移，并確定移動(dòng)中汽車的多少運(yùn)動(dòng)能量需要轉(zhuǎn)移到臨時(shí)能量存儲(chǔ)影钉。這能量存儲(chǔ)可以采用多種形式;原設(shè)備制造商(OEM)可能傾向于氣壓或液壓蓄力器画髓、48 V電池、超級(jí)電容平委，或者甚至是飛輪奈虾。輕度混合動(dòng)力汽車會(huì)在下一個(gè)加速階段將存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)換回至有限時(shí)間的推進(jìn)動(dòng)力，而微混合動(dòng)力汽車僅使用電氣回收技術(shù)廉赔，在更長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)為板網(wǎng)(boardnet)供電以息。

為了測(cè)量“回收帶”期間剎車踏板的確切位置，可以使用像給加速踏板使用的類似的技術(shù)祥怖。圖2顯示了這類應(yīng)用免接觸式傳感器方案的框圖兴题。

圖2：電感型位置傳感器應(yīng)用框圖

傳感器的耦合輸出電感會(huì)產(chǎn)生包含勵(lì)磁電感與輸出電感相對(duì)位置信息的信號(hào)。電感相對(duì)位置的變化在很大程度上取決于所選擇的傳感器設(shè)計(jì)抽胁，它通常是線性或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果噩檬。然后，此集成電路將將傳感器的電氣輸入和輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字位置信息喜即。解析出的位置信號(hào)然后通過接口傳送給微控制器肾轨，具體什么接口取決于客戶要求或偏好√茁可以選擇專有混合信號(hào)方案來配合傳感器接口輸出格式档徘，包括比例電壓、正弦-余弦(Sin-Cos)電壓咖迄、脈寬調(diào)制(PWM)刃纽、 SENT或PSI5.

傳感器領(lǐng)域的半導(dǎo)體供應(yīng)商除了具備所要求的技能，還應(yīng)對(duì)ISO26262標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)出正確的態(tài)度溉浙。汽車中的許多踏板應(yīng)用跟安全直接相關(guān)烫止，需要通過恰當(dāng)?shù)腎SO26262理解蒋荚、方法及工具集方式因應(yīng)」萑洌可以在跟某些功能共用相同結(jié)果期升、提供獨(dú)立數(shù)據(jù)輸出的冗余型配置中使用電感型傳感器，在模塊級(jí)達(dá)到ASIL-D要求互躬。新興的回收應(yīng)用結(jié)合新的適合安全標(biāo)準(zhǔn)播赁，正在推動(dòng)行業(yè)朝向開發(fā)與電感型傳感器連接的新的集成電路。

電子元器件開發(fā)者及供應(yīng)商正在趨向未來汽車動(dòng)力系統(tǒng)在道路上創(chuàng)造不同吼渡。雖然微混合及輕度混合動(dòng)力汽車提供相對(duì)適度的燃油經(jīng)濟(jì)性提升容为，但它們的性價(jià)比很高。恰好是這種強(qiáng)固的汽車逐步改善途徑將使大多數(shù)汽車朝向新技術(shù)穩(wěn)步演進(jìn)寺酪，同時(shí)還構(gòu)建下一代動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)坎背。

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