汽车发动机控制ECU半导体芯片的集成化趋势

火辣西米秀

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我国车用能源消耗日益紧迫，汽车排放污染问题日益突出，突破能源和环保的双重瓶颈已刻不容缓。为解决车用能源短缺, 长期目标是发展新能源汽车(混合动力、纯电动汽车、燃料电池汽车)，短期较为可行的途径还是传统汽车的节能技术: 以技术节能与结构节能相结合，尤其是发展高效内燃机技术、辅助以传动与驱动技术、整车设计优化技术、轻量化技术来达到降低车辆燃料消耗和减少排放的目标。

 

汽车发动机电子控制单元（ECU）的基本功能需求

 

为满足不断加严的排放法规和油耗法规，汽油发动机作为我国乘用车的主要动力来源，其本身在不断进行着技术革新。车用汽油机的智能化主要包括几个方面： 进排气系统、压缩比、发动机温度和机油压力管理、燃烧形式等。比如，为满足欧洲3 号排放法规而实施的闭环多点燃油喷射系统，紧耦合三元催化转换器及加热型氧传感器，油箱蒸发排放控制，怠速控制，爆震控制；同时加入满足车载诊断（EOBD）要求的催化器老化，发动机失火，氧传感器老化和蒸发控制系统等功能。为满足欧洲4 号排放法规加入的汽油机可变气门正时（VVT）、可变气门升程（VVL）和废气再循环（EGR）控制系统；以及为满足欧洲5 号排放法规加入的汽油机进气涡轮增压，汽油机缸内直喷等技术。

 

为改善燃油经济性，发动机本体设计在提高效率和减少损耗的基础上，机体趋向小型化：通过减少缸数（如4 缸减到 3 缸）或减小燃烧室体积来缩小发动机排量，并辅助以进气增压系统及缸内直喷技术来提高功率。先进的小型化汽油发动机在城市工况时，能使 CO2 排放减少 20%~25%；在高速公路工况时，能减少 10%。要进一步减少 CO2 排放，可以通过启停系统及和自动变速箱的匹配实现。

 

另外，发动机附件的智能化控制可以使发动机在更佳的工况下工作，也有助于减少燃油消耗。比如由 ECU 控制的电子水泵和电子机油泵（变量泵）将取代目前使用的节温器和传统机油泵。

 

 

以上发动机技术革新的实现都离不开由发动机电子控制单元（ECU）控制的发动机管理系统（EMS），随着发动机智能化控制程度的不断提高，ECU 作为发动机管理系统的“大脑”，其功能也逐渐增多，控制精度日益提高。

 

发动机电子控制单元 ECU 的性能提高由软件和硬件配合实现，具体到硬件上则体现为处理运算速度的提高，功率输出通道及驱动能力的增加，通信接口的增加，传感器供电电源增强以及安全监控电路的导入等等。而这一切所带来的结果是 ECU 电路板面积的增加和总体成本的上升。与此同时，面对激烈的市场竞争，整车厂(OEM)要求包括ECU 在内的发动机管理系统整体价格逐年降低。

 

发动机ECU 控制芯片组的集成化趋势

 

为满足发动机控制系统的功能升级和成本降低要求，ECU 的主要组成器件-半导体芯片也在快速进行技术革新。得益于现代半导体技术的飞速发展，数字电路、模拟电路以及功率器件在单芯片上集成制造的工艺日趋完善，发动机控制芯片组呈现集成化发展趋势。

典型发动机ECU 的硬件系统架构

早期发动机控制ECU较多采用分立式方案，用多片基础IC搭建出ECU所需的各项功能，如下图所示。

 

 

随着发动机控制 ECU 的功能逐渐统一成熟，某些必需的系统基础功能如电源，总线接 口，看门狗监控等可以集成在一片芯片当中。形成了L-chip 的概念，如图中蓝线所示。这样部分提高了系统的集成度，减少了芯片组数量。

 

随着半导体制造工艺的进一步发展，发动机控制单元 ECU 中除了中央处理器和一些驱动大电流负载的功率芯片（如IGBT，H-bridge）之外的其他功能模块全部集成到了单芯片之中，形成了 U-chip 的概念，如图中红线所示。这样最大程度上提高了系统集成度，减少了芯片组数量，并且有利于缩小PCB 板面积。

也许在不远的将来，将 MCU 与 U-Chip 集成一体，从而形成 O-Chip 的设想将会变为现

实。

 

芯片集成将有助于满足ECU 性能提高和成本降低的双重挑战

随着芯片集成度的不断提高，在不断增强 ECU 功能的同时，使用芯片组的数量却在大幅下降；同时芯片集成度的提高，可以使电路板面积保持不变甚至减小。因此在增加 ECU 功能的同时，保持总体成本不变甚至更低。比如在 2005 年国内市场上满足欧三排放法规设计的典型 ECU，其芯片组数量一般为8~10 片左右，所支持的输出控制通道数为15~18 路。

 

2010 年满足欧四排放法规设计的 ECU，芯片组数量下降到 5~6 片，所支持的输出通道数却上升到24~26 路。在未来2015 年满足欧5-欧6 排放法规的设计的ECU，芯片组数量将下降到2~3 片，同时支持的输出通道数会增加到28~30 路。

 

提高芯片的集成化水平，可以使 ECU 硬件总成本相比分立式方案降低约 50%，芯片占PCB 板面积减少近60%，同时大幅减少PCB 板上需要印制电路线连接的引脚数量，提高了系 统可靠性以及改善电磁兼容性。

 

不同 U-chip 集成方案的比较

 

 

 

面对功能增加和成本降低的双重挑战，国内主要发动机管理系统供应商如联合汽车电子，德尔福，大陆汽车等公司都在发动机控制ECU 的小型化和集成化方面做了大量工作。不同公司根据自身设计特点，采用的芯片组集成方案也各不相同。比如：集电源、通信接口、预驱动接口等为一体的所谓“预驱动方案”；集电源、通信接口、预驱动接口和部分功率器件等为一体的“部分集成方案”；以及L-Chip + 集成功率器件的所谓“全集成方案”等。

 

这三种方案比较如下：

 

1）预驱动方案

 

所谓“预驱动方案”即：将多通道功率器件（MOSFET）的驱动、诊断和保护功能加以集成，同时还可以集成其它功能模块，如电源，通讯接口电路等，形成一预驱动芯片。从而形成 单片机 ←→ 预驱动芯片 ←→ 功率驱动器件 的格局，实现单片机对功率输出通道的控制和监视的功能。

 

其优点是：

 

a）系统灵活度较高。在系统集成时，可以根据具体应用的要求增减功率驱动器件 的焊接数量，从而减少冗余，降低成本。

b）功率器件分布比较分散，有利于散热。

 

其缺点是：

 

a）需要较大的PCB 面积。

b）不够完善的功率器件诊断和保护功能, 如无过温保护。

c）如需完善功率器件的保护功能，则成本将会大幅上升。

d）所需元器件种类的增加带来的元器件及供应商管理成本的上升。

2）部分集成方案

所谓“部分集成方案”即：将部分驱动通道做成“预驱动”+“功率驱动器件”的

一体式通道，同时还可保留一部分“预驱动”通道。还可以集成其它功能模块，如电源，通讯接口电路等，形成一功率驱动芯片。

 

其优点是：

 

a）兼顾系统集成度和系统灵活性。

b）比较容易实现对集成化的功率驱动器件的过流、过温诊断及保护功能。

c）较小的PCB 面积。

d）较低的供应商管理成本。

其缺点是：

a）芯片总功耗受封装限制。

3）全集成方案

 

其优点是：

 

a）系统集成度高

b）可以实现对所有功率驱动通道的过流、过温诊断及保护功能。最小的PCB 面积。

c）较低的与元器件及供应商管理成本。

 

其缺点是：

 

a）系统灵活度低。为满足最全的系统功能要求造成硬件资源冗余，导致系统成本的增加。

b）对芯片散热要求最高

 

面对不同市场的特点，三种方案各有优劣。如预驱动方案面向客户要求变化比较多，市场分散的应用；全集成方案面向客户需求相对比较固定，市场稳定的应用，适合做客户定制芯片(CSP)。部分集成方案适合逐渐整合的市场，客户需求在逐步稳定过程中，比较适合目前中国市场的现状。

 

 
英飞凌面向新兴市场开发的发动机控制系统级芯片TLE8888QK

TLE8888QK数据手册：TLE8888QK - Infineon Technologies

 

英飞凌公司是全球领先的汽车半导体器件供应商之一，在其成熟的发动机管理系统芯片产品家族基础上，最新开发出一款针对新兴国家市场的高集成度发动机控制系统级芯片TLE8888QK，该芯片适用于3-4 缸发动机的控制。其主要技术特性如下：

 

三大模块：

1）电源和监控模块

a）集成5V 主MCU 供电电源

b）集成2 路5V 传感器供电电源

c）5V 待机电源

d）适于单核以及多核微处理器监控用的看门狗

e）发动机关机计时器

f）ECU 唤醒功能

2）输出驱动模块

a）4 路喷油器低边功率驱动通道

b）4 路点火预驱动通道

c）3 路大电流感性负载低边功率驱动通道

d）6 路预驱动通道

e）7 路继电器低边功率驱动通道

f）4 路半桥式功率驱动通道

 

主继电器控制及功率驱动通道

 

3）接口和通信模块

a）单片机通信接口：MSC/SPI

b）高速CAN 接口

c）LIN/K_Line 接口

d）发动机转速传感器输入接口

 

TLE8888QK内部结构框图如下：

 

 

 

1）TLE8888QK 的KEY 信号检测、电源控制以及主继电器控制功能，使TLE8888QK 适用于常电或者非常电供电系统。同时5V 待机电源，唤醒信号检测、发动机关机计时器以及带唤醒功能的 CAN 通信接口电路为使用 TLE8888QK 的发动机控制单元提供了唤醒功能的同时，也提供了灵活多样的唤醒源。

2）TLE8888QK 提供的稳压电源即可以满足 ECU 内部电路的供电需求也可以满足 ECU 外部传感器的供电需求。

3）TLE8888QK 总计 29 路的输出通道，既包括了集成MOSFET 在内的功率输出，同时也提供了MOSFET 的预驱动；既有在发动机控制系统中最常用的低边功率驱动输出，也提供了可以灵活配置成高边或者低边的半桥功率驱动输出。可以满足绝大多数常用的负载驱动需求。

4）TLE8888QK内部集成了英飞凌全新设计的看门狗模块，面向未来单片机的多核发展趋势， 该看门狗电路的导入可以使发动机控制模块达到更高一级安全等级，轻松满足客户的 ASIL 要求。同时该看门口模块也适用于单核单片机系统。

5）TLE8888QK 的曲轴传感器输入接口，既可以与磁阻式传感器匹配也可以与霍尔式传感器匹配，可以满足不同客户使用不同类型曲轴传感器的需求。

6）TLE8888QK 的通信接口既满足了其本身与主控制器之间的通信要求（MSC/SPI），同时其内部的LIN/K-Line 和CAN 收发器也提供可ECU 与外部设备之间的通信通道。

 

基于以上TLE8888QK 所具有的基本功能，仅使用单片机和TLE8888QK，再辅以数字、模拟信号输入电路以及少数几个MOSFET，就可以构成一款可以控制机械节气门的多点电喷发动机控制器。如需控制电子节气门，则只需要再导入一片全桥功率驱动芯片即可，如TLE8209-4SA。

 

下图给出了基于英飞凌TLE8888QK 的多点电喷发动机控制单元ECU 典型应用框图：

 

 

可以看出，由于 TLE8888QK 的引进，使得 ECU 总体电路结构更加简单；信号走向清晰明了；预驱动通道的设计为系统带来更大的灵活性即使升级为缸内直喷发动机控制器，也只需额外再增加一套直喷喷嘴控制电路即可满足要求。

 

总结

 

半导体技术的飞速发展使得芯片集成度不断提高，以此来帮助发动机 ECU 功能升级和成本降低的双重要求成为现实。随着技术的进一步发展，未来的ECU 将可能成为由MCU 和U-chip 集成一体的O-chip 单片方案完成，ECU 硬件设计人员的工作将大为简化，系统的智能 程度和可靠性进一步提高。

 

同时也需要指出，随着功能增加和输出控制通道数的增多，未来进一步减小 ECU 尺寸的瓶颈将会是 ECU 和线束连接插头的选择。随着芯片成本的快速下降，线束插头占 ECU 总硬件成本的比例会显著提高，这都对接插件的技术革新提出了迫切要求。

 

作者：杨斌   马磐