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(zhǎng)是推動(dòng)2002年中國經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)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(zhǎng)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），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(jià)格的下降以及中國人較低的汽車擁有量，中國的汽車市場(chǎng)將會(huì)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(huì)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方案之一。

排放標(biāo)準(zhǔn)

2001年底，中國政府宣布對(duì)中國三大汽車制造商降低30%的汽車消費(fèi)稅，前提是他們所制造的汽車得滿足歐II標(biāo)準(zhǔn)。六個(gè)月后，在第三屆中國亞洲清潔燃料國際會(huì)議上，政府的另一項(xiàng)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(duì)在北京銷售的機(jī)動(dòng)車輛實(shí)行歐II標(biāo)準(zhǔn)，并計(jì)劃于2005年實(shí)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(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。

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�；诎雽�(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。

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400m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。

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。

32位單片機(jī)的市場(chǎng)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(chǎng)。16位C167系列單片機(jī)的架構(gòu)針對(duì)大指令吞吐量和對(duì)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(duì)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(duì)于動(dòng)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)核的新一代C166內(nèi)核采用了單時(shí)鐘周期執(zhí)行技術(shù)，因此性能提升了一倍。內(nèi)置的高級(jí)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(duì)實(shí)時(shí)環(huán)境中的嵌入式控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，因此非常適用于象動(dòng)力總成這樣的應(yīng)用。

功率半導(dǎo)體器件

在動(dòng)力總成應(yīng)用中，需要開關(guān)驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)從50mA直到30A的電流。負(fù)載可以是歐姆負(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(jí)一起實(shí)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(cè)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(shí)現(xiàn)在過載時(shí)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(diǎn)到點(diǎn)通信接口，可為未來時(shí)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8通道的器件）的I/O端口數(shù)量。

點(diǎn)火

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是用于點(diǎn)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(dòng)、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(dòng)態(tài)齊納嵌位。同時(shí)此類器件還非常堅(jiān)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(hào)。在動(dòng)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，還具有優(yōu)異的EMC特性。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員可以節(jié)省幾個(gè)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(duì)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(chǎng)

中國政府還計(jì)劃從2005年開始對(duì)摩托車生產(chǎn)和銷售實(shí)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(dòng)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(huì)提高其摩托車產(chǎn)品的成本，從而使其與日本制造的產(chǎn)品相比競(jìng)爭(zhēng)力降低。

如同中國的汽車制造商一樣，目前的135家摩托車制造商最終也將會(huì)合并成三到五家大型制造商。如此大規(guī)模的企業(yè)將具有獨(dú)立開發(fā)新產(chǎn)品和滿足新的政策要求（如歐I標(biāo)準(zhǔn)）的能力。一個(gè)可行的方法是與著名的專注于汽車制造研究的大學(xué)以及解決方案供應(yīng)商密切合作。這樣，他們的產(chǎn)品將可達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)，并可與國外制造商在從價(jià)格到品牌、質(zhì)量、服務(wù)以及總體實(shí)力的各個(gè)方面進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。

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