小型引擎ECU應(yīng)用中的半導(dǎo)體解決方案
將EFI引入小排量車型面臨的挑戰(zhàn)之一是成本和空間限制。此外，在有些地方，摩托車必須強制安裝ABS系統(tǒng)，這意味著留給其他控制器的空間更少，比如EFI ECU。
因此，我們需要更小型的引擎管理ECU或更小的組件，如PCB。這使得電子組件的外形必須更小，但是在必要功能上不能打折扣，以提供上述優(yōu)勢。
在此，我們探究了應(yīng)用在小型ECU上的最新EFI半導(dǎo)體解決方案。
圖1 典型ECU及其主要組件
小型引擎ECU及其主要組件可參見圖 1。被稱之為TLE8080EM的U-chip是支持單缸應(yīng)用的主要器件，采用PG-SSOP 24引腳裸焊盤封裝。TLE8080EM 可驅(qū)動數(shù)個摩托車或小型引擎系統(tǒng)中的高邊執(zhí)行器。驅(qū)動器不僅可保護自身免出故障，比如電池短路（STB）和過溫，還可支持OBD1，包括接地短路（STG）、開放負荷（OL）故障。這些故障可利用TLE8080EM內(nèi)置電路進行探測，并通過MCU的SPI接口讀出。這個U-chip還可連接作為曲軸傳感器使用的經(jīng)濟可靠的可變磁阻（VR）傳感器。VR信號幅度和探測閾值可通過SPI接口輕松配置，以適應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速（參見圖2的幅度調(diào)整范例）。經(jīng)過調(diào)節(jié)的VR傳感器輸入最終饋入MCU，以用于活塞位置探測，協(xié)助進行噴油和點火管理。TLE8080EM中還包含一個LIN收發(fā)器，用以支持急需的車載ECU診斷。TLE8080EM還集成了一個5V穩(wěn)壓器和一個電壓監(jiān)控模塊，可對所用MCU的重置輸入產(chǎn)生影響。U-chip還具備外部看門狗功能，可不斷檢查MCU的定時情況。該監(jiān)視器通過SPI線路連接。
圖2 TLE8080EM上的VR負荷配置
左：進入MCU的不一致信號(VR_OUT)
右： 經(jīng)過VR_負荷調(diào)節(jié)后進入MCU的一致信號
MCU是EFI系統(tǒng)的主控制器。不同的任務(wù)需要按照既定的時間線完成，而且必須保證實時行為，否則引擎將會失去同步控制。采集自VR傳感器的曲軸齒信號和噴油點火的時間準確度對于系統(tǒng)至關(guān)重要。這涉及實時計算，比如時間角度轉(zhuǎn)換、角度時間轉(zhuǎn)換、噴油和點火時間。尤其是，MCU應(yīng)具有更多智能/處理能力，來提供加速和減速期間的精確定時。
XC2733X MCU是高性能、低成本汽車級MCU，帶有五級流水線。它可在66MHz時鐘頻率下實現(xiàn)15.15ns指令周期。比如32位加減和DSP乘累加等計算僅需1個MCU周期就可完成。MCU存儲器包含128K程序閃存、64K數(shù)據(jù)閃存（用于閃存EEPROM仿真）和12KB RAM。存儲器內(nèi)容可實現(xiàn)保護：通過錯誤糾正碼（ECC）對閃存進行保護，通過奇偶校驗對RAM進行保護。XC2733x的外圍事件控制單元可進行從存儲器到存儲器的類似DMA的數(shù)據(jù)傳輸，以降低中斷服務(wù)日常開銷。XC2733x中的一個擁有19通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于MAP傳感器、節(jié)氣門位置、進氣溫度、引擎溫度、電池電壓和額外模擬信號的信號采集。XC2733x嵌入在PG-QFP64封裝里，該封裝有裸焊盤，用以加強散熱。
圖3 生成自24-1曲軸齒信號的0.5度標記
TLE4253是一個電壓跟蹤器，跟蹤MCU的ADC模塊的參考電壓，其自身向BAP、TPS、進氣、引擎溫度等在板/離板有源傳感器供電。它還向TLE6250G供電，以實現(xiàn)與MCU（如果需要該選件）的CAN通信。TLE4253還可承受高達40V的STB。對于STG場景，它可通過限流和過溫關(guān)斷來保護自身不會過熱。
低成本單缸EFI系統(tǒng)半導(dǎo)體解決方案至少包括4個組件： U-chip TLE8080EM、MCU XC2733x、跟蹤器TLE4250/3和IGBT。
圖4 基本型ECU及其主要組件
如果需要驅(qū)動更多執(zhí)行器或氣門，驅(qū)動器數(shù)量需要增加，這種情況下可向系統(tǒng)輕松添加BTS3410（2通道低邊）組件。這個低邊驅(qū)動器具有多種保護功能，比如過壓保護、STB保護和過溫保護。然而，它不向MCU提供任何診斷反饋。利用外部電路，比如添加電阻器作為分壓器，這些驅(qū)動器可分接這兩個通道（可利用MCU的ADC輸入進行監(jiān)控）的排流點電位。這樣就可實現(xiàn)診斷功能，了解BTS3140的 Inx引腳 （控制引腳）的狀況。
為了支持冷祖風門、怠速控制和加減速功能和替代線性電磁閥，可利用一個步進電機執(zhí)行器精確測量所需進氣量，以實現(xiàn)最佳的引擎操作。這種執(zhí)行器由TLE8444SL（雙H橋）驅(qū)動。它不僅具有過壓和過沖保護功能，而且具有診斷功能，比如過流（參見圖5）和開放負荷故障等--這些故障MCU通過來自TLE8444SL的EF1/EF2錯誤標志輕松獲知。
圖5 TLE8444 SL: 利用錯誤標志EF1和EF2的過流探測范例
KP254被用來測量影響氣缸進氣強度的氣壓。如果ECU單元需要利用塑料聚合物進行密封，KP254需要裝配在類似其他離板傳感器的另外模塊中。然而，有些系統(tǒng)由于成本節(jié)省原因，可利用MAP傳感器作為BAP傳感單元，但是僅適用于特定操作條件，比如WOT和進氣口同步關(guān)閉，然后可測量或更新氣壓。
小引擎參考套件（圖1）提供硬件和軟件套件。軟件套件包括具有任務(wù)調(diào)度器的低電平驅(qū)動器，以處理飛輪、噴射、點火、信號采集、閃存EEPROM仿真、通信、IO驅(qū)動和故障監(jiān)控等操作。硬件套件不僅適用于基礎(chǔ)入門EFI系統(tǒng)，而且還可用于擴展硬件性能和功能。這個小引擎參考套件包含有旨在實現(xiàn)組件尺寸、成本、性能和可擴展性平衡的組件。
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