汽油发动机ECU硬件电路设计-2010汽车电子会议

硬件电路设计汽油发动机ECU刘赓2010年9月29日11:03:23讲解内容前言趋势与挑战设计要素系统方案需求分析系统架构各模块介绍总结11:03:23前言•汽车控制器是汽车的核心部件，硬件电路设计是其中的关键之一•发动机ECU是汽车上最复杂，最核心的控制器•ECU在保证安全性和实时性的基础上对发动机性能进行优化•自主研发，减少采购成本和更改成本•更深入和全面的了解发动机外围传感器和执行器，从而更深刻的理解发动机原理•发动机的设计更加灵活，直接向硬件提出需求•平台化，模块化，为其它控制器设计积累研发能力11:03:23趋势与挑战趋势：•集成化芯片取代以往的分立元件电路；•32位MCU取代原来的16位机；•信号采集和控制输出的精度不断提高；•CAN通讯成为各控制器之间的通信协议；•SPI则成为硬件电路的各芯片之间通信的标准接口；挑战•电子设备越来越多，电磁兼容设计更具挑战•内部的功率元件越来越多，大功耗下的散热问题•运算速度越来越快，系统稳定性必须加强11:03:23设计要素设计考虑因素•寿命/稳定（汽车寿命）•功能及扩展，平台化•电流和电压（大部分参数的体现）•电磁干扰/兼容，静电防护（手机，雷达）•环境（湿度、温度、震动、盐碱度等）•散热•成本•法规/标准•生命周期（芯片生产，自主发动机）11:03:23常见干扰发电机11111111111111111111其它电气设备静电ECU11:03:23系统方案32位处理器MCU集成爆震控制四缸独立点火喷油电子节气门驱动EGR电磁阀、VVT、电子节温器和碳罐电磁阀驱动，继电器驱动，指示灯驱动线性氧传感器信号采集大气压力值采集输出电压或阻值的传感器信号采集CAN高速通讯主芯片和电压监控功能。11:03:23需求分析252188814合计0100001MC339720120001CJ1250100002MC9S08SG800180000ADC信号输入处理电路，包括SMD2280005000频率信号输入处理电路，包括CY300010024MC339260000002MC337302000002MC33902*20100061CJ9450103801MC33810CANSPIADC输入TPU输入TPU输出PWM输出普通I/O外围电路对MCU接口的使用情况11:03:23需求分析√√-40℃-150℃12mA标准5V无SMD228√√-40℃-150℃4mA标准5V无CY30√√-40℃-125℃4.5mA标准5V8-26VMC33972√√-40℃-150℃5mA5V/3.3V9-18VCJ125√√-55℃-150℃120mA标准5V无MC9S08SG8√√-40℃-125℃5A无8-28VMC33926√√-40℃-125℃3.5A无6.5-26.5VMC33730√√-40℃-125℃240mA×2标准5V5.2-27VMC33902×2√√-40℃-150℃24mA标准5V9-24VCJ945√√-40℃-125℃15mA标准5V9-18VMC33810√√-40℃-150℃900mA5V/3.3V/1.2V/1.0V无MPC5634ESD保护故障诊断工作温度ImaxVDDVCC芯片主动元器件的需求分析11:03:23需求分析NPO:在温度从-55℃到+125℃时容量变化为0±30ppm/℃，电容量随频率的变化小于±0.3ΔC。NPO电容的漂移或滞后小于±0.05%，其典型的容量相对使用寿命的变化小于±0.1%。视具体情况35VNPO高精度寄生电感工作电压材质类型高精度无极性小电容X7R:工作温度范围-55℃～+125℃，容量变化±15%。视具体情况35VX7R普通寄生电感工作电压材质类型无极性小电容35V1%1W负55℃~+125℃±250ppm/℃6332[2512]35V1%0.063W负55℃~+125℃±250ppm/℃1608[0603]工作电压精度功率工作温度温漂封装电阻基础元器件参数要求11:03:23系统架构11:03:23实物点火主芯片线束插头程序下载负载驱动11:03:23主芯片模块介绍主芯片采用MPC563X系列的144管脚LQFP封装MPC5634，比BGA封装减少了PCB板制作和检查的难度，具有1.5MB的Flash、94KB的SRAM和最大80MHz主频。2个FlexCAN模块，一路用于动力总线通信及诊断，另一路用于标定。两个SPI接口，每个接口可以外挂6个从芯片，最大40M速率，主要用于诊断；对重要和时序要求高的信号使用并行通讯。eTPU通道32个，可以独立处理数据减轻CPU负担，主要用于喷油信号、点火信号的输出和转速、凸轮轴信号的输入捕捉。eMIOS有14通道的24位时钟资源，用于调制PWM，主要的用途有节气门、VVT、EGR阀和电子节温器的PWM输出。eQADC有34个输入通道，主要用于各类传感器信号的模数转换。爆震传感器输出的高频信号在eTPU确定的曲轴转角窗口内通过高速ADC采样，经软件滤波和积分算法处理；专用硬件模块DecimationFilter负责做滤波，几乎不占用CPU资源。11:03:23点火模块介绍点火喷油驱动芯片MC33810•适用于4缸独立点火喷油的汽油发动机，诊断功能强大•由于点火的瞬间电流非常大，MC33810提供IGBT的开关信号，再由IGBT驱动点火线圈•可以直接接到喷油嘴的地端进行驱动•初级线圈的磁场消失速度越快，电流断开瞬间的电流越大，两个线圈的匝比越大，则次级线圈感应出来的电压越高。11:03:23电源和节气门模块介绍电源管理芯片MC33730•开关电源，多路不同电压输出满足复杂需求，负载能力强•对芯片进行5V供电，对ECU外围的传感器供电直流电机驱动芯片MC33926•最大5A电流，带电流反馈，最大18us延迟11:03:23负载驱动模块介绍负载驱动芯片CJ945资源情况名称电流电压能力EGR阀驱动2.2A，70V可变气门相位（进气门）1控制3A，45V可变气门相位（排气门）2控制3A，45V前氧传感器加热2.2A，70V后氧传感器加热2.2A，70V散热器低速风扇2.2A，70V电子节温器控制2.2A，70V碳罐电磁阀控制2.2A，45V发动机故障灯2.2A，45V名称电流电压能力维修车辆信号2.2A，45V巡航指示灯2.2A，45V水温报警指示灯2.2A，45V启动机继电器1.1A,45V散热器高速风扇继电器2.2A，70V空调压缩机继电器1.1A,45V燃油泵继电器1.1A,45V主继电器输出1.1A,45V11:03:23开关信号采集模块介绍开关量输入信号采集芯片MC33972•22路资源，使用10路•通过SPI将开关量的信号传送给主芯片空调请求信号输入巡航控制开关输入P/N档位开关巡航加电动助力转向压力开关输入行车制动巡航减驻车制动启动开关信号离合器踏板开关11:03:23转速处理模块转速处理芯片CY30•对磁电式的转速信号进行近似过零比较，处理后得到5V的方波信号•正弦波是磁电式传感器的输出信号，方波是处理后的信号（理想状态）实际情况下，正弦波的幅值根据转速的增加而增大，阀值UTH随随正弦波幅值自动调整11:03:23分离元件模块介绍分离元件电路•模数处理电路•频率信号调理电路冷却水温信号2/巡航模拟量输入进气管压力温度传感器压力信号EGR阀位置信号2爆震传感器高EGR阀位置信号1氧传感器A高氧传感器B高进气管压力温度传感器温度信号节气门位置B信号机油温度传感器爆震传感器低冷却水温信号1节气门位置A信号空调压力/机油压力油箱液位信号前蒸发器温度传感器加速踏板A信号加速踏板B信号11:03:23其它模块介绍CAN收发器MC33902•高速通信监控芯片MC9S08SG8•主芯片监控，电压监控，重要信号监控线性氧传感器处理芯片CJ125：•针对博世的线性氧传感器LSU4.X采用的处理芯片，相比开关型氧传感器，能够在更宽的范围表征废气中的氧含量，更容易满足不断提高的尾气排放要求。大气压力传感器SMD288•应对不同的大气压力导致的氧含量变化11:03:23总结硬件设计是一项艰苦而又细致的工作，经验的高低是决定项目能够顺利完成的重要因素，同时理论的高度决定了产品的最终定位；对于汽车环境下的控制器，必须对温度，湿度，电压和电磁干扰等各种环境参数有很好的容忍能力，需要硬件工程师不断的探索，尝试，以试验为最终验证，持续的改进，最终设计出一款优秀的产品。11:03:23谢谢！