Шумахер У. Полупроводниковая электроника

Скорость вращения коленвала/распредвала TLE 4925/80

Температура

KTY11

Атмосферное

давление KP 120

Давление во впускном коллекторе (MAP)

KP 110

Положение педали TLE 4990

Положение дросселя TLE 4990, GMRC6

Блок обработки сигналов

Полупроводниковые датчики

Динамические дифференциальные датчики Холла, такие как TLE 4925 и TLE 4980, могут применяться для измерения угловой скорости вращения коленчатого или распределительного вала, элементов трансмиссии или колёс автомобиля. Объединив датчик Холла в одном корпусе с таким аналоговым компонентом, как конденсатор (см. Рис. 9.31), можно получить прибор, не требующий подключения каких-либо дополнительных цепей или компонентов.

Применение современных MEMS-тех- нологий открывает возможность создания совершенно новых датчиков давления, перегрузки и угловой скорости вращения.

Реализация аналоговых датчиков, предназначенных для измерения абсолютного давления во впускном коллекторе или атмосферного давления, по хорошо отработанной БиКМОП-технологии (пример такой реализации приведён на Рис. 9.32) позволяет дополнительно интегрировать в ИС датчика логические функции.

Полупроводниковые силовые компоненты

Интеллектуальные мощные выходные каскады

Электронное управление двигателем и трансмиссией автомобиля предполагает управление переключением таких энергоёмких узлов, как инжекторные форсунки системы впрыска топлива, нагревательные элементы для лямбда-зондов, катушки зажигания, вентиляторы и различные реле. Для этих целей компания Infineon разработала семейство многоканальных (от 2 до 18 каналов) аналоговых ключей, способных коммутировать токи от 50 мА до 10 А. Диаграмма, приведённая на Рис. 9.33, даёт некоторое представление о характеристиках этого семейства. Современные многоканальные коммутаторы содержат также управляющие схемы, что позволяет использовать данные ключи автономно, без применения внешних устройств. Типичная структурная схема многоканального аналогового коммутатора показана на Рис. 9.34.

Количество поддерживаемых функций (сложность)

Рис. 9.33. Многоканальные аналоговые ключи Infineon.

Помимо логических функций, связанных с управлением ключами, данные устройства поддерживают процедуры самодиагностики и защиты, служащие для обнаружения коротких замыканий, перегрузок по току, недопустимого превышения температуры или обрыва проводников в цепи нагрузки. Некоторые из коммутаторов поддерживают и такие защитные функции, как отключение при перегрузке или возмож-

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 373 из 589 (September 3, 2010, 17:07)

9.4. Трансмиссия автомобиля 373

Рис. 9.34. Структурная схема многоканального ключа TLE 6288R, используемого в схемах управления автоматической коробкой передач автомобиля.

ность работы в аварийном режиме Limp Home (буквально «доковылять до дома»). В самом ближайшем будущем следует ожидать появления в составе этих устройств быстрого последовательного интерфейса, что позволит использовать их в управляющих системах реального времени (например, в стабилизаторах тока с ШИМ). Кроме того, с помощью подобного интерфейса данные самодиагностики могут передаваться в микроконтроллер.

Мостовые схемы управления электродвигателями

Контроллеры силового оборудования автомобиля, прежде всего с помощью мостовых схем, управляют электродвигателями постоянного тока, которые регулируют положение дросселей и клапанов, расположенных во впускных коллекторах бензиновых двигателей, или клапанов системы рециркуляции выхлопных газов дизельных двигателей. Современные мостовые драйверы (например, TLE 6209 Infineon) поддерживают все функции, необходимые для управления электродвигателями постоянного тока. Сигнал управления представляет собой ШИМ-последовательность с тактовой частотой свыше 20 кГц. Наличие встроенной логики позволяет точно управлять

данной мостовой схемой (H-мост), а также реализовать в ней функции защиты и самодиагностики (Рис. 9.35).

Данные самодиагностики и сообщения об ошибках, например о коротком замыкании, могут быть переданы в микроконтроллер через встроенный последовательный интерфейс. Система трёхступенчатого (оповещение, предупреждение и отключение) температурного мониторинга относится к функциям безопасности, обеспечивающим нормальную работу дроссельной заслонки.

MOSFET и IGBT

В настоящее время полевые транзисторы (MOSFET) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) производятся в широком ассортименте, что позволяет осуществлять выбор этих приборов в соответствии с требованиями конкретного применения. В основном, они используются в бензиновых или дизельных двигателях для управления форсунками, топливными насосами, электромагнитными клапанами в системах управления автоматической коробкой передач.

Мощные IGBT идеально подходят для систем управления зажиганием, работающих в экстремальных условиях (высокие температуры, вибрации, электромагнитные помехи). Преимущества IGBT заключаются в возможности управления ими с помощью сигналов логических уровней, в малом напряжении насыщения, наличии

встроенной защиты от электростатического разряда и активной схемы ограничения сигнала (на стабилитронах). Современные системы управления зажиганием должны удовлетворять всем перечисленным выше требованиям, а также поддерживать целый ряд дополнительных диагностических и защитных функций. Это реализовано в новом семействе SMART IGBT, которое базируется на технологии chip-on-chip (кристалл на кристалле) (см. Рис. 9.36). Кристалл IGBT используется в качестве основания, на котором располагается вспомогательный кристалл, выполненный по технологии BCD и обеспечивающий выполнение таких функций, как ограничение тока нагрузки, измерение уровней тока и напряжения или программное отключение драйвера.

Другой перспективной областью применения приборов IGBT является управление пьезоэлектрическими форсунками системы впрыска топлива. Уже сегодня компания Infineon предлагает потребителям IGBT с малым временем переключения, так называемые быстрые IGBT (Fast IGBT).

Применение приборов семейства Infineon PROFET™ для работы с большими токовыми нагрузками (до 1000 А) позволяет кардинально упростить схемотехнику и повысить производительность систем управления трансмиссией автомобиля. В отличие от устаревших устройств, в которых задействованы электромагнитные реле, ИС семейства PROFET™ обеспечивают поддержку многих защитных и диагностических функций, та-

ких как ограничение тока нагрузки, защита от перенапряжений и перегрева, детектирование обрыва цепи, а также измерение тока. Как правило, эти приборы применяются в схемах управления стартером двигателя, вентилятором радиатора охлаждения, насосами высокого давления и запальными свечами в дизельных двигателях.

Трансиверы

Трансиверы (приёмопередатчики) предназначены для передачи сигналов от микроконтроллера по бортовым коммуникационным линиям автомобиля. Для систем управления трансмиссией стандартным является высокоскоростной протокол CAN. Компания Infineon производит ИС высокоскоростного трансивера шины CAN (TLE 6250G), который обладает наилучшими характеристиками с точки зрения электромагнитной совместимости. Кроме того, данная ИС поддерживает ряд функций, обеспечивающих бесперебойную передачу данных между контроллерами различных типов.

Устройства электропитания

Архитектура устройств, предназначенных для электропитания автомобильных полупроводниковых приборов, кардинально отличается от традиционной архитектуры линейных стабилизаторов напряжения. Если ещё в недавнем прошлом вполне до-

статочно было использовать отдельные линейные стабилизаторы для каждого напряжения питания, то в настоящее время чаще всего необходимо иметь блок питания с несколькими выходными напряжениями. Такие устройства позволяют оперировать меньшими рабочими напряжениями, обеспечивают больший выходной ток и удовлетворяют специальным требованиям к длительности переходных процессов при включении и выключении.

Исходя из этого, компания Infineon разработала новый тип ИС, предназначенный для систем питания. Микросхема содержит импульсный понижающий (buck) преобразователь, с выхода которого предварительно стабилизированное напряжение поступает на три линейных стабилизатора с малым падением напряжения. Подобная концепция импульсно-линейного стабилизатора напряжения обеспечивает значительно более высокую, по сравнению с традиционной архитектурой, эффективность. Так, если речь идёт о построении 12-вольтовой системы электропитания трансмиссии автомобиля с током потребления более 1 А, то преимущества новой концепции уже очевидны; в будущем же, при переходе автомобильных систем электропитания на напряжение 42 В, она и вовсе не будет иметь альтернативы. Поэтому в дополнение к широкому ассортименту интегральных линейных стабилизаторов напряжения компания

Infineon выпустила ИС TLE 6361 — источник питания, построенный по описанному принципу (см. главу 3).

Микроконтроллеры в системах управления трансмиссией автомобиля

Микроконтроллеры играют определяющую роль в работе автомобильных систем управления, особенно когда речь идёт о снижении расхода топлива и уровня токсичности выхлопных газов (Рис. 9.37).

Расход топлива, л/100 км

8-битные 16-битные 32-битные

Рис. 9.37. Снижение расхода топлива и хронология развития микроконтроллерных архитектур, используемых в автомобилях.

Для того чтобы гарантировать точность управления двигателем и трансмиссией автомобиля, вычисление сложных алгоритмов необходимо осуществлять в режиме реального времени. При этом производительность вычислительной системы определяется не только производительностью процессора, но и системной архитектурой в целом. Последняя должна быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечивать работу в условиях агрессивной окружающей среды моторного отсека автомобиля.

8-битная архитектура

8-битные микроконтроллеры (такие как

C505) в настоящее время используются в основном в базовых моделях автомашин, а также в такой постепенно обретающей популярность сфере, как системы управления двигателями мотоциклов. Однако по мере того как электрические двигатели завоевывают всё более прочные позиции в моторных отсеках современных автомобилей, область применения 8-битных микроконт-

роллеров расширяется. Компания Infineon выпустила на рынок новый микроконтроллер C868, специально предназначенный для управления электродвигателями, которые будут использоваться, например, в турбокомпрессорах дизельных двигателей.

16-битная архитектура

Несмотря на то что экспансия 32-битных микроконтроллеров на рынок автомобильной электроники неуклонно возрастает, 16-битные микроконтроллеры по-прежне- му применяются очень широко. Так, 16-битное семейство C167, специально спроектированное, чтобы получить высокую производительность, требуемую для построения встроенных систем управления, и при этом обеспечить возможность работы в режиме реального времени, сегодня воспринимается как промышленный стандарт для контроллеров трансмиссии автомобиля. Секрет успеха семейства C167 заключается в функциональности периферийных устройств, идеально адаптированных для использования в данной области.

Так, помимо асинхронного, синхронного и CAN-интерфейса, микроконтроллеры семейства C167 поддерживают целый ряд специальных периферийных функций, наличие которых позволяет повысить производительность устройств управления трансмиссией.

Процессорное ядро C166v2, представляющее собой усовершенствованное процессорное ядро C166, обеспечивает удвоенную скорость вычислений за счёт использования алгоритма синхронного выполнения команд. Благодаря наличию встроенного высокоэффективного модуля умножения с накоплением (MAC) резко возросла производительность при выполнении операций цифровой обработки сигналов. Микроконтроллеры, построенные на новом процессорном ядре (например, XC164), в настоящее время всё шире используются в электронных системах управления турбонаддувом, в стартерах и контроллерах автоматической коробки передач.

32-битная архитектура

В настоящее время наиболее производительные микроконтроллеры построены на базе 32-битных ядер. Некоторые из них непосредственно, без каких-либо изменений,

Шина периферийных устройств (FPI)

Прикладной уровень

заимствуют микропроцессорную архитектуру. Другие же (например, Infineon TriCore), напротив, специально разработаны для встроенных систем управления с возможностью работы в режиме реального времени и потому идеально подходят для использования в трансмиссии автомобиля. Микроконтроллеры семейства AUDO построены на базе ядра TriCore и включают в себя ряд специализированных периферийных устройств, предназначенных для применения в системах управления трансмиссией автомобиля.

Ядро TriCore выполнено по RISC-архи- тектуре и содержит специальные команды, предназначенные для выполнения основных DSP-операций, что повышает эффективность анализа сигналов. Развитая система прерываний обеспечивает малое время реакции микроконтроллера на внешние события в сочетании с необходимым уровнем гибкости в принятии решений. Поддерживаются как 32-битный, так и 16-битный форматы команд. За счёт этого уменьшается объём программного кода и повышается пропускная способность системной шины при его передаче, что, в свою очередь, позволяет обойтись меньшим объёмом памяти программ и снизить общую стоимость устройства.

Не менее важным элементом архитектуры микроконтроллеров семейства AUDO является процессор управления периферией (PCP). Он полностью берёт на себя обслуживание программных драйверов периферийных устройств, благодаря чему основное ЦПУ ядра TriCore освобождается для работы исключительно с прикладными программами. Взаимосвязь программных модулей осуществляется путём использования стандартной операционной системы, например OSEK (Рис. 9.38).

Так называемая матрица таймеров общего назначения (GPTA) используется как для выполнения автономных операций, так и с целью программной реализации сложных функций (путём комбинации нескольких элементарных, как это показано на Рис. 9.39). Таким образом, данная архитектура позволяет на уровне пользовательских программ реализовывать такие функции, как управление впрыском топлива, системами зажигания (с контролем детонации) или управление системой обходного впуска воздуха в выпускной коллектор (air-bypass).

Инжектор 12 В (форсунка)

S1

S2 >1

GPTA

TriCoreTM S3

S4 Порог ограничения

Рис. 9.39. Схема применения модуля GPTA для организации управления форсункой впрыска и генерируемый модулем сигнал «пик-и-удержание».

Встроенный в микроконтроллеры семейства AUDO модуль АЦП также частично разгружает центральный процессор, реализуя в автономном режиме такие функции, как обнаружение коротких замыканий или обрыва соединительных проводников.

В настоящее время архитектура AUDO представлена на рынке двумя микроконтроллерами: TC1765 и TC1775. В процессе разработки находятся и микроконтроллеры нового поколения (AUDO NG) TC1766 и TC1796, которые будут иметь до 2 Мбайт встроенной флэш-памяти и модуль TTCAN (интерфейс CAN с временным разделением). Это позволит снизить стоимость систем управления трансмиссией (например, электромагнитными клапанами), построенных на базе новых микроконтроллеров AUDO NG.

Более подробная информация о микроконтроллерах содержится в соответствующих главах данной книги.

9.4.3.Перспективы развития систем управления трансмиссией автомобиля

Характеристики перспективных контроллеров для управления трансмиссией автомобилей будут определяться как возрас-

тающими требованиями к их мощности, так и необходимостью снижения стоимости. Уже сегодня компания Infineon готова предложить потребителям готовые наборы микросхем (чипсеты), а в будущем — осуществить их оптимизацию с точки зрения уменьшения цены и повышения системной производительности.

Одной из причин подобного оптимизма является тот факт, что с увеличением плотности элементов (за счёт совершенствования технологий) появляются дополнительные возможности интеграции логических функций управления в силовые полупроводниковые приборы. Другая причина заключается в том, что использование технологии БиКМОП предоставляет ещё больше возможностей по интеграции непосредственно в сенсорные ИС разнообразных функций цифровой обработки и передачи сигналов. Кроме того, могут быть реализованы и многокристальные решения, связанные с использованием технологий chip- by-chip (кристалл рядом с кристаллом) или chip-on-chip (кристалл на кристалле), например интеллектуальные модули IGBT.

Итак, перспективные полупроводниковые устройства должны удовлетворять требованиям качества, надёжности, производительности и иметь приемлемую стоимость. За счёт более широкого внедрения интеллектуальных функций вполне можно достичь оптимального соотношения стоимости и производительности полупроводниковых систем управления трансмиссией, однако эта задача потребует тесной кооперации полупроводниковой и автомобильной промышленности.

9.5.Электроника для автомобильных информационно-развлека- тельных систем

В сфере автомобильной электроники термин «информационно-развлекательные системы» традиционно относится к устройствам, предназначенным для визуального вывода информации о функционировании автомобиля, либо для развлечения пассажиров. Такие системы, помимо устройств отображения, расположенных в приборной панели, включают в себя встроенное аудио, а также более современные и быстро развивающиеся телематические, навигационные и мультимедийные приложения.

Несмотря на то что многие из этих приложений, особенно в сфере телематики, навигации и мультимедиа, строятся на базе систем бытовой электроники, они, тем не менее, интегрированы в конструкцию автомобиля, поэтому требования к качеству их исполнения должны отвечать требованиям, предъявляемым к автомобильной электронике.

9.5.1. Приборная панель

Приборная панель представляет собой основное контрольно-измерительное оборудование автомобиля, на ней расположены механические, электромеханические или электронные индикаторы, отображающие специфические данные о состоянии автомобиля, например о его скорости или количестве оборотов двигателя. Вспомогательное контрольно-измерительное оборудование включает в себя такие устройства, как, например, путевой компьютер.

Если в прошлом в приборной панели использовались исключительно механические измерительные приборы и устройства управления, сопряжение которых с соответствующими узлами автомобиля осуществлялось с помощью механических приводов, то ныне применяются 8- и 16-битные (а в последнее время всё больше 32-битные) микроконтроллеры, осуществляющие ШИМуправление шаговыми электродвигателями тех или иных исполнительных устройств. Эти микроконтроллеры имеют встроенные драйверы для вывода информации на индикатор (дисплей).

9.5.2. Автомобильные аудиосистемы

К автомобильным аудиосистемам относятся готовые музыкальные центры и отдельные составляющие этих систем: простые AM/FM-радиоприёмники, усилители, кассетные магнитолы и гораздо более распространённые сегодня CD- и DVDмагнитолы, как правило, с поддержкой формата MP3.

Стандартные функции тюнера (такие, как поддержка RDS) позволяют принимать информацию о радиостанции и о передаваемой программе, а также производить точную настройку на выбранный канал. Служба TMC-сервиса обеспечивает передачу информации о дорожной обстановке в стандартизованном формате. Эта информация используется также навигационной систе-

мой автомобиля при определении наиболее выгодного маршрута движения.

Многие автомобильные аудиосистемы содержат сразу два тюнера с поддержкой функции RDS. Пока один из них используется для воспроизведения сигнала выбранной радиостанции, второй сканирует эфир в поиске частот более уверенного приёма этой же радиостанции, благодаря чему в любой момент времени гарантируется наилучшее качество принимаемого сигнала.

В последнее время получили распространение новые системные архитектуры, функциональная гибкость которых обеспечивается программными средствами. В связи с этим к процессорам, применяемым в автомобильных аудиосистемах, предъявляются определённые требования: они должны не только работать в качестве микроконтроллеров, управляющих аудиосистемой, но и обеспечивать функции DSP (цифровой обработки аудиосигналов), чтобы можно было реализовать, например, цифровой эквалайзер или поддержку формата MP3. Кроме того, часто требуется иметь такие дополнительные функции, как голосовое управление или голосовое оповещение, встроенную поддержку Bluetooth, а также режима handsfree (хэндс-фри) для мобильной связи, и т.д.

9.5.3. Системы телематики

Телематические системы представляют собой относительно новый класс информа- ционно-развлекательных приложений. Они используют канал мобильной связи (в Европе это чаще всего модуль GSM/GPRS, а в США — модуль CDMA/AMPS) для обеспечения стандартных услуг связи и дополнительных функций, зависящих от конкретной модели автомобиля (Рис. 9.40). Сюда относятся вызов аварийных служб (например, после срабатывания подушки безопасности), режим удалённой диагностики автомобиля с целью обнаружения неисправностей, удалённое техобслуживание, информационные услуги, основанные на определении текущего местоположения абонента (LBS — Location Based Services, POI — Point of Interest Services), а также всем привычный мобильный телефон.

Основная проблема при построении аппаратной части телематических систем заключается в необходимости системной оптимизации, а также в обеспечении рентабельности оконечных устройств, предназначенных для массового применения в автомобилях.

Дисплей MM-bus

Коннектор

Существенными преимуществами при использовании в этих и других информаци- онно-развлекательных приложениях обладает процессорная архитектура TriCore, которая уже получила широкое распространение в автомобильной электронике. Данная архитектура сочетает в одном ядре функциональные возможности архитектур CISC, RISC и DSP, что позволяет проектировать различные устройства в рамках единой среды разработки. Построенные на данном ядре системы на кристалле для телематических приложений сочетают в себе микропроцессор, управляющий работой этих приложений, и специальные пользовательские функции, оптимизированные с целью управления соответствующими периферийными устройствами.

Ещё одним важным элементом телематических систем является модуль приёмника GPS. Использование сигналов от этого модуля в совокупности с другими сигналами от встроенных в автомобиль датчиков или телематических систем (например, от датчика направления движения) позволяет определить текущее местонахождение автомобиля.

Для того чтобы обеспечить поддержку тех или иных услуг, специфических для конкретных моделей автомобилей, телематические системы должны подключаться к бортовой сети управления через шины обмена данными. В Европе чаще всего используется шина CAN, а в США — шина J1850.

9.5.4.Навигационные автомобильные системы

Существует два основных класса навигационных систем, отличающихся друг от друга, главным образом, способом сохранения картографических данных. В бортовых (on-board) автомобильных навигаторах географические данные размещены на CDили DVD-дисках и с помощью соответствующих драйверов в любой момент могут быть загружены непосредственно в локальное устройство навигатора.

В автономных устройствах картографические данные хранятся на удалённом сервере поставщика услуг (провайдера), а автомобильный навигатор обращается к ним по мобильной сети (например, с помощью модуля GPS/GPRS). Благодаря тому, что данные предварительно обрабатываются высокопроизводительным удалённым серве-

ром, можно существенно снизить требования к вычислительным ресурсам самого навигатора и, следовательно, его стоимость. К этому же классу навигационных систем примыкают и так называемые Интернетрадиостанции, которые предоставляют доступ к навигационным данным через Интернет в режиме онлайн.

Гибридные навигационные системы представляют собой комбинированные устройства, сочетающие оба описанных выше метода с целью получения наиболее свежей картографической и дорожной информации при минимальной загрузке каналов связи. С этой точки зрения полезным оказывается использование таких услуг, как TMC, которые передают в автомобильный навигатор информацию о дорожной обстановке, позволяющую выработать оптимальный маршрут движения.

Как и в случае телематических систем, ключевым моментом навигационных систем является определение местоположения транспортного средства с помощью GPSприёмника. Методы определения местоположения в ближайшей перспективе будут совершенствоваться за счёт использования алгоритмов навигационного счисления совместно с подсчётом импульсов тахометра, а также с применением гироскопических угловых датчиков. Алгоритмы картографической привязки позволят синхронизировать картографические данные с реальным местоположением автомобиля. Для расчёта маршрута и определения местоположения потребуются высокопроизводительные навигационные компьютеры.

Навигационные системы, как правило, используют средства связи, входящие в инфраструктуру автомобильных телематических систем, или же, напротив, телематические функции могут быть интегрированы в состав самой навигационной системы.

Передача данных в подобных системах осуществляется по высокоскоростным шинам на основе пластикового оптоволокна (POF). Эти шины (например, MOST — Media Oriented System Transport) специально разработаны для автомобильных приложений и способны обеспечить скорость передачи данных до 24.8 Мбит/с. Они имеют кольцевую структуру и могут, например, обеспечивать связь CD-чейнджера с навигационной системой.