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小型引擎ECU应用中的半导体解决方案

作者:angelazhang时间:2015-02-08

    全球摩托车OEM厂商历经多年逐步在新车型中引入电子燃油喷射(EFI)系统,产品范围涵盖125CC到400CC,小排量车型亦包括在内。引擎采用EFI系统能实现更好的调节控制,从而带来更强的性能、更低的油耗和更少的二氧化碳排放。其优势显而易见。

  将EFI引入小排量车型面临的挑战之一是成本和空间限制。此外,在有些地方,摩托车必须强制安装ABS系统,这意味着留给其他控制器的空间更少,比如EFI ECU。

  因此,我们需要更小型的引擎管理ECU或更小的组件,如PCB。这使得电子组件的外形必须更小,但是在必要功能上不能打折扣,以提供上述优势。

  在此,我们探究了应用在小型ECU上的最新EFI半导体解决方案。

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图1  典型ECU及其主要组件

  小型引擎ECU及其主要组件可参见图 1。被称之为TLE8080EM的U-chip是支持单缸应用的主要器件,采用PG-SSOP 24引脚裸焊盘封装。TLE8080EM 可驱动数个摩托车或小型引擎系统中的高边执行器。驱动器不仅可保护自身免出故障,比如电池短路(STB)和过温,还可支持OBD1,包括接地短路(STG)、开放负荷(OL)故障。这些故障可利用TLE8080EM内置电路进行探测,并通过MCU的SPI接口读出。这个U-chip还可连接作为曲轴传感器使用的经济可靠的可变磁阻(VR)传感器。VR信号幅度和探测阈值可通过SPI接口轻松配置,以适应不同的转速(参见图2的幅度调整范例)。经过调节的VR传感器输入最终馈入MCU,以用于活塞位置探测,协助进行喷油和点火管理。TLE8080EM中还包含一个LIN收发器,用以支持急需的车载ECU诊断。TLE8080EM还集成了一个5V稳压器和一个电压监控模块,可对所用MCU的重置输入产生影响。U-chip还具备外部看门狗功能,可不断检查MCU的定时情况。该监视器通过SPI线路连接。

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图2 TLE8080EM上的VR负荷配置

左:进入MCU的不一致信号(VR_OUT) 

右: 经过VR_负荷调节后进入MCU的一致信号

  MCU是EFI系统的主控制器。不同的任务需要按照既定的时间线完成,而且必须保证实时行为,否则引擎将会失去同步控制。采集自VR传感器的曲轴齿信号和喷油点火的时间准确度对于系统至关重要。这涉及实时计算,比如时间角度转换、角度时间转换、喷油和点火时间。尤其是,MCU应具有更多智能/处理能力,来提供加速和减速期间的精确定时。

  XC2733X MCU是高性能、低成本汽车级MCU,带有五级流水线。它可在66MHz时钟频率下实现15.15ns指令周期。比如32位加减和DSP乘累加等计算仅需1个MCU周期就可完成。MCU存储器包含128K程序闪存、64K数据闪存(用于闪存EEPROM仿真)和12KB RAM。存储器内容可实现保护:通过错误纠正码(ECC)对闪存进行保护,通过奇偶校验对RAM进行保护。XC2733x的外围事件控制单元可进行从存储器到存储器的类似DMA的数据传输,以降低中断服务日常开销。XC2733x中的一个拥有19通道的12位模数转换器用于MAP传感器、节气门位置、进气温度、引擎温度、电池电压和额外模拟信号的信号采集。XC2733x嵌入在PG-QFP64封装里,该封装有裸焊盘,用以加强散热。

  曲轴齿信号代表着EFI系统的引擎周期。为了很好地控制点火和喷油,需要从曲轴角度获得更小的引擎周期角度标记。

    MCU利用带有专用软件的定时器模块,可在有曲轴齿和没有曲轴齿的情况下实现0.5度的角度分辨率,甚至在加速和减速期间(图3)。0.5度标记通过定时器模块进行计数,当检测到无齿时重置计数器。这可在不同引擎速度下,以良好分辨率全面掌握720度引擎周期内的活塞位置。喷油开始和点火开始/结束可仅仅依赖基于角度的控制。然而,喷油时间由具有1us 分辨率的定时器模块控制,以提供准确的喷油量。

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图3      生成自24-1曲轴齿信号的0.5度标记

  TLE4253是一个电压跟踪器,跟踪MCU的ADC模块的参考电压,其自身向BAP、TPS、进气、引擎温度等在板/离板有源传感器供电。它还向TLE6250G供电,以实现与MCU(如果需要该选件)的CAN通信。TLE4253还可承受高达40V的STB。对于STG场景,它可通过限流和过温关断来保护自身不会过热。

  低成本单缸EFI系统半导体解决方案至少包括4个组件: U-chip TLE8080EM、MCU XC2733x、跟踪器TLE4250/3和IGBT。

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图4   基本型ECU及其主要组件

  如果需要驱动更多执行器或气门,驱动器数量需要增加,这种情况下可向系统轻松添加BTS3410(2通道低边)组件。这个低边驱动器具有多种保护功能,比如过压保护、STB保护和过温保护。然而,它不向MCU提供任何诊断反馈。利用外部电路,比如添加电阻器作为分压器,这些驱动器可分接这两个通道(可利用MCU的ADC输入进行监控)的排流点电位。这样就可实现诊断功能,了解BTS3140的 Inx引脚 (控制引脚)的状况。

  为了支持冷祖风门、怠速控制和加减速功能和替代线性电磁阀,可利用一个步进电机执行器精确测量所需进气量,以实现最佳的引擎操作。这种执行器由TLE8444SL(双H桥)驱动。它不仅具有过压和过冲保护功能,而且具有诊断功能,比如过流(参见图5)和开放负荷故障等--这些故障MCU通过来自TLE8444SL的EF1/EF2错误标志轻松获知。

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图5    TLE8444 SL:  利用错误标志EF1和EF2的过流探测范例

  KP254被用来测量影响气缸进气强度的气压。如果ECU单元需要利用塑料聚合物进行密封,KP254需要装配在类似其他离板传感器的另外模块中。然而,有些系统由于成本节省原因,可利用MAP传感器作为BAP传感单元,但是仅适用于特定操作条件,比如WOT和进气口同步关闭,然后可测量或更新气压。

  小引擎参考套件(图1)提供硬件和软件套件。软件套件包括具有任务调度器的低电平驱动器,以处理飞轮、喷射、点火、信号采集、闪存EEPROM仿真、通信、IO驱动和故障监控等操作。硬件套件不仅适用于基础入门EFI系统,而且还可用于扩展硬件性能和功能。这个小引擎参考套件包含有旨在实现组件尺寸、成本、性能和可扩展性平衡的组件。






关键词: 摩托车 ECU

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