汽車半導(dǎo)體器件的應(yīng)用主要集中在汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、底盤電子控制系統(tǒng)、車身電子控制系統(tǒng)、信息通信系統(tǒng)4大系統(tǒng)，這4大系統(tǒng)對(duì)汽車半導(dǎo)體器件的市場(chǎng)需求額占汽車總體需求的86.4%。而其它控制系統(tǒng)僅占13.6%的市場(chǎng)份額。汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、底盤電子控制系統(tǒng)和車身電子控制系統(tǒng)所應(yīng)用的半導(dǎo)體器件主要有傳感器、微控制器、驅(qū)動(dòng)器件等，信息通信系統(tǒng)所應(yīng)用的半導(dǎo)體器件主要有通信器件、微控制器、驅(qū)動(dòng)器件等，本文主要討論了半導(dǎo)體在汽車傳動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用。 前言 目前，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和消費(fèi)者對(duì)車輛安全、舒適度等方面要求的不斷提高，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的電子系統(tǒng)幾乎要占到整車的35%，據(jù)Selantek報(bào)道，1998年汽車半導(dǎo)體銷售達(dá)到了94億美元，其中，用于傳動(dòng)系統(tǒng)的占到44%，到了2003年，該市場(chǎng)達(dá)到了144億美元，其中用于傳動(dòng)的占到40%。 汽車傳動(dòng)系統(tǒng) 傳動(dòng)系統(tǒng)中32位微控制器應(yīng)該屬于現(xiàn)代汽車中最為復(fù)雜的系統(tǒng)，它通過(guò)各類傳感器對(duì)設(shè)備與環(huán)境的監(jiān)測(cè)來(lái)控制相關(guān)設(shè)備（如圖1）。盡管與臺(tái)式電腦的計(jì)算單元相類似，但是汽車微處理器卻公認(rèn)要復(fù)雜的多，同時(shí)還要考慮到通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和制作工藝來(lái)降低整車成本。汽車微處理器通常運(yùn)行頻率為33 MHz，而不是400 MHz或者更高，這只相當(dāng)于臺(tái)式機(jī)的一部分，它通常包括中央處理器存儲(chǔ)器、時(shí)鐘振蕩器和I/O等。有時(shí)會(huì)用過(guò)把一些常用的I/O函數(shù)整合在MCU來(lái)降低新產(chǎn)品的成本，例如Motorola 發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊68332。 傳動(dòng)系統(tǒng)以前采用的是8位的MCU，隨著噴射系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)逐漸變得更加嚴(yán)格，對(duì)精確性和執(zhí)行性能的要求的提高，16位甚至32位的MCU逐步開(kāi)始采用，不久前推出了專用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制的32位 RISC（reduced instruction set computer）結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的目的不僅滿足現(xiàn)在的要求，同時(shí)還要滿足未來(lái)的需求。用這種產(chǎn)品控制發(fā)動(dòng)機(jī)效果非常明顯，如EMV（electromagnetic valve），扭距增加50%，燃料消耗減少25%，排放降低了40%～90%。 用于Rolls-Royce（勞斯萊斯）和Aston Martin（阿斯頓·馬丁）汽車上的Zytec發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)。 輸入 輸出 發(fā)動(dòng)機(jī)速率和同步傳感器進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力（MAP）傳感器車載大氣絕對(duì)壓力傳感器空氣溫度傳感器發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液傳感器燃油溫度傳感器機(jī)油溫度傳感器怠速節(jié)氣門位置傳感器自動(dòng)變速箱廢氣再循環(huán)閥傳感器空調(diào)系統(tǒng)速度傳感器燃料槽傳感器 點(diǎn)火線圈控制尾氣排放控制尾氣再流動(dòng)控制空氣泵控制凈化器控制發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇控制空調(diào)控制接口怠速控制接口燃料泵繼電器控制車載計(jì)算機(jī)接口轉(zhuǎn)速計(jì)驅(qū)動(dòng)。 雙向接口 串行通訊汽車安全系統(tǒng)接口自動(dòng)變速箱管理ISO 9141 OBD2 掃描接口。 同時(shí)，利用EMV系統(tǒng)可以通過(guò)減少凸輪軸、調(diào)速帶和鏈輪（sprocket）簡(jiǎn)化復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)及減輕車身重量。在發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元增加一個(gè)EMV需要增加I/O和軟件需求，甚至需要數(shù)字信號(hào)處理功能。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）以嵌入式或者軟件的形式廣泛的應(yīng)用于點(diǎn)火系統(tǒng)和爆振探測(cè)系統(tǒng)或者類似的環(huán)境。 發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的這些子系統(tǒng)通過(guò)DSP運(yùn)算法則有效的執(zhí)行著運(yùn)算指令，將來(lái)通過(guò)綜合的工具可以通過(guò)集合不引擎點(diǎn)火和爆振算法計(jì)算并分析發(fā)動(dòng)機(jī)熱點(diǎn)或者高溫區(qū)域，這些熱點(diǎn)通過(guò)集成在微處理器性芯片上的DSP進(jìn)一步處理而減少。與此相類似的是現(xiàn)代系統(tǒng)中的臨界定時(shí)系統(tǒng)，在這一系統(tǒng)中有一個(gè)時(shí)鐘處理單元為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行提供所必需的點(diǎn)火和燃料信號(hào)，該信號(hào)是恒態(tài)的，主處理單元中不存在任何形式的中斷。通過(guò)應(yīng)用嵌入式外圍設(shè)備取代DSP可以大幅的降低成本，圖1中MPC555就具有兩個(gè)TPU。 電子系統(tǒng)的改變推動(dòng)了硬件的變化:嚴(yán)格的噴射標(biāo)準(zhǔn)更復(fù)雜的診斷系統(tǒng)直接噴射系統(tǒng)高溫運(yùn)行環(huán)境提高燃料利用率 電動(dòng)機(jī)械固態(tài)演化多功能/綜合/ 機(jī)電設(shè)備（如電磁氣門驅(qū)動(dòng)）。 通訊 在更復(fù)雜的車輛中，空調(diào)、照明、汽車動(dòng)力、門和座椅的調(diào)節(jié)、儀表盤、ABS、牽引控制、便攜電話和娛樂(lè)系統(tǒng)等通過(guò)2線與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)相連，車載檢測(cè)設(shè)備需要建立在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制和各種相關(guān)器件之間的通訊協(xié)議。 分區(qū)：系統(tǒng)設(shè)計(jì)小組必須要正確的劃分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，給出合理的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)需不需要集成在一片芯片上哪？盡管這是可行的，其實(shí)這種方法在簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中是可行并且非常有效的，但不適合龐大的系統(tǒng)。這里合理的劃分還包括微控制器接口電路，獨(dú)立的還是把它設(shè)計(jì)到傳感器上或者電源IC上（如圖2）？將來(lái)的系統(tǒng)將會(huì)擴(kuò)充存儲(chǔ)能力和軟件功能，同時(shí)還會(huì)增加無(wú)線射頻接口功能。 發(fā)動(dòng)機(jī)控制中的電源 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電源必須性能可靠、便于維護(hù)，并且比其他半導(dǎo)體設(shè)備更能承受大功率暫態(tài)沖擊和非同尋常的溫度考驗(yàn)，靈活的接口及其綜合設(shè)備在實(shí)現(xiàn)這一功能時(shí)也起著重要的作用 。 IGBT點(diǎn)火線圈驅(qū)動(dòng) IGBT（Insulated-gate bipolar transistors）是在19年前由Frank Wheatly在前RCA發(fā)明的，結(jié)合了雙極型和分離柵極晶體管的優(yōu)點(diǎn)，并在特定的電壓/開(kāi)關(guān)速度域中具明顯優(yōu)勢(shì)。目前幾乎所有新點(diǎn)火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中都使用IGBT。 由于ECU和點(diǎn)火模塊的距離可能有幾米遠(yuǎn)，所以半導(dǎo)體和點(diǎn)火線圈的保護(hù)以及診斷就必須由點(diǎn)火模塊來(lái)提供。這就意味著在點(diǎn)火模塊中又增加了電路復(fù)雜度。為了簡(jiǎn)化電纜以及減少點(diǎn)火模塊接口的數(shù)量，多路復(fù)用管腳的使用就成了首選。但是，多路復(fù)用管腳又需要將更多的電子器件集成到點(diǎn)火開(kāi)關(guān)中。所有的這些特點(diǎn)都需要更多的空間來(lái)實(shí)現(xiàn)，于是有限的安放空間就成為分散式點(diǎn)火輸出級(jí)的主要設(shè)計(jì)因素之一。用片上芯片技術(shù)生產(chǎn)的靈巧型IGBT就可能滿足對(duì)空間的嚴(yán)格要求。 噴射驅(qū)動(dòng) 智能電源IC在同一塊芯片上集成了一些功率驅(qū)動(dòng)器和控制電路，因而可以通過(guò)單一的接口實(shí)現(xiàn)與MCU間的保護(hù)和自診斷。更先進(jìn)的技術(shù)可以提供更復(fù)雜的產(chǎn)品，通過(guò)在同一封裝上實(shí)現(xiàn)幾個(gè)接口，允許驅(qū)動(dòng)4、 6甚至8缸發(fā)動(dòng)機(jī)的所有噴射系統(tǒng)，與此同時(shí)，更復(fù)雜的診斷和保護(hù)電路也被集成起來(lái)。該電路在芯片上還提供了16端口的輸出，每一個(gè)輸出設(shè)備還允許熱關(guān)閉。附加的電路具有和主微控制器主機(jī)之間串行通訊接口，并且具備開(kāi)路負(fù)載和螺線管。 硅傳感器 已經(jīng)應(yīng)用的微機(jī)械壓力傳感器比汽車多路絕對(duì)壓力和大氣絕對(duì)壓力測(cè)量10年中的應(yīng)用還要多得多，這些單元的電磁兼容通常通過(guò)模塊內(nèi)部的屏蔽或者模塊機(jī)架來(lái)實(shí)現(xiàn)。最近具有集成信號(hào)處理功能的分壓阻傳感器已經(jīng)通過(guò)了在汽車上應(yīng)用的資格認(rèn)證。 綜合壓力傳感器的主要特點(diǎn)是在一個(gè)獨(dú)立且很小的硅片擁有所有的執(zhí)行算法，這種小的尺寸允許它安裝在汽車電子模塊中，當(dāng)模塊設(shè)計(jì)好之后用金屬封裝來(lái)改進(jìn)抗電磁干擾（EMI）的能力。但這樣的成本比較高并且不利于安裝。 EMC是塑封綜合壓力傳感器特別是帶有電火線圈驅(qū)動(dòng)程序的安裝在模塊內(nèi)的傳感器，具有較高的開(kāi)關(guān)頻率所要考慮的。EMC測(cè)試需要完整的設(shè)計(jì)測(cè)試方案、詳細(xì)的測(cè)試方法說(shuō)明和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)測(cè)試技術(shù)。相關(guān)的測(cè)試證明塑封完全適合汽車的應(yīng)用。 存儲(chǔ)器優(yōu)化 現(xiàn)在汽車傳動(dòng)控制系統(tǒng)包含了10,000至14,000 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，這主要取決于汽車制造商和噴射系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于該系統(tǒng)的要求，如圖4所示，在1988到1998年期間，標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)幾乎增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)，即系統(tǒng)越復(fù)雜其標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)也就越多。 未來(lái)系統(tǒng)的解決的答案在于代碼，即運(yùn)行在這些傳動(dòng)控制模塊的軟件?，F(xiàn)在的查表是在開(kāi)發(fā)階段功率計(jì)上的擴(kuò)展引擎影射創(chuàng)建的，然后在車輛運(yùn)行時(shí)訪問(wèn)，主要基于由發(fā)動(dòng)機(jī)每秒轉(zhuǎn)速（rpm）、溫度和其他的傳感器測(cè)量值確定的工作點(diǎn)。通過(guò)編寫代碼的方式也可以夠改善性能，帶有支持庫(kù)的先進(jìn)工具將允許工程師以方程或基于模型算法的形式設(shè)計(jì)控制理論。經(jīng)過(guò)具有浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算功能的強(qiáng)大的微處理機(jī)器編譯，這些方程將允許發(fā)動(dòng)機(jī)的性能（即馬力或扭矩）以抽象的形式描述出來(lái)。這些抽象語(yǔ)言的輸出相近于高性能微控制器，而方程式則取代了校準(zhǔn)點(diǎn)。 在一些先進(jìn)的傳動(dòng)系統(tǒng)中，編碼的長(zhǎng)度在未來(lái)幾年中將很輕松的達(dá)到兆字節(jié)，就這一點(diǎn)而言，傳動(dòng)系統(tǒng)的微處理器在本質(zhì)上也是一個(gè)存儲(chǔ)芯片（存儲(chǔ)器將仍然主要是硅的領(lǐng)域），不過(guò)這些設(shè)備中的存儲(chǔ)器可能由嵌入式DRAM替代ROM-RAM。 BMW公司W(wǎng)olfgang Reitzle博士在Convergence會(huì)議上提到造成電子系統(tǒng)比較昂貴的原因所在：電子系統(tǒng)故障。 因此，在早期的設(shè)計(jì)中需要更多的計(jì)算機(jī)模擬仿真，這樣才能減少故障及系統(tǒng)成本。 此外半導(dǎo)體供應(yīng)商也必須采用系統(tǒng)方法來(lái)幫助他們的客戶降低成本和縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期，例如Motorola，開(kāi)發(fā)出了一系列的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的傳動(dòng)系統(tǒng)方案和多種封裝方法，包括傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和軟件驅(qū)動(dòng)電路等。在控制系統(tǒng)中，如引擎不點(diǎn)火和爆振算法，甚至燃料等，也將完全由半導(dǎo)體供應(yīng)商封裝以后提供。 封裝 封裝對(duì)于減小發(fā)動(dòng)機(jī)電子部件的尺寸和提高運(yùn)行時(shí)的溫度有著極為重要的作用，對(duì)于很多產(chǎn)品（可能會(huì)達(dá)到170oC）而言，其中一個(gè)重要的方法是徹底去除這些器件的塑料封裝（150oC熔化），將裸芯片固定在陶瓷片上。這就要求半導(dǎo)體供應(yīng)商在提供裸芯片前對(duì)晶片做很好的測(cè)試。另一個(gè)方法之是采用倒裝芯片（flip chip）封裝技術(shù)，它是直接通過(guò)芯片上呈陣列排布的凸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片與封裝襯底（或電路板）的互連。由于芯片是倒扣在封裝襯底上，與常規(guī)封裝芯片放置方向相反。 綜述 未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)控制設(shè)備可能直接或通過(guò)螺栓結(jié)合安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)將徹底變成綜合的設(shè)備，控制系統(tǒng)通過(guò)裝配線控制。因此，這里需要高溫控制模塊，發(fā)動(dòng)機(jī)智能控制是一種機(jī)電控制方法將機(jī)械設(shè)備與電控設(shè)備緊密相聯(lián)并控制。這樣通常會(huì)減少一些額外的附件，特別是配線，因此也將有助于減少成本。這種技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在一些子系統(tǒng)，如HVAC系統(tǒng)中步進(jìn)馬達(dá)巡航控制。