汽车发动机喷油器的驱动控制电路设计

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汽车发动机喷油器的驱动控制电路设计欧阳烨,李凌川,徐元森,甘俊仁(中国科学院上海冶金研究所,上海200050)摘要:考察了汽车发动机电喷系统中喷油器的特性,分析了其常见驱动控制电路的优缺点。在对现有的电喷系统驱动电路进行研究的基础上,设计一种改进的电磁阀电流驱动集成电路,它具有动态响应好、控制电流小、集成度高、芯片易于制造等特点。并附有该电路的原理分析和运行模拟结果。关键词:电控汽油喷射;喷油器;驱动控制电路Abstract:Thispaperintroducesthecharacteristicsofinjectorofengineelectronic2spraysystemandanalysesthecom2monadvantageanddisadvantageofdrivingcontrolcircuit.Onthebasisofthedevelopmentofthecurrentelectronicspraysystemdrivingcircuit,akindofimprovedelectromagneticvalvecurrentdrivingintegratedcircuitisintroduced.Ithastheadvantageofgooddynamiccorrespondance,smallcontrollingcurrenthighgradeofintegrationandeasy2madechip.Theprin2cipleanalysisandsimulatedresultsaregiven.Keywords:electronic2controlledgasinjection;injector;drivingcontrolcircuit中图分类号:U464113611文献标识码:A文章编号:1003-8639(1999)04-0005-05随着汽车工业和电子技术的发展,人们对减少汽车油耗和尾气排放不断提出更高的要求。早在六七十年代,发达国家就制定了严格的汽车燃油经济性法规和排放法规。在这种大环境下,汽车电控汽油喷射技术得到迅速发展,并在解决降低油耗和减少尾气排放两大难题中取得重大突破。首先在1979年BOSCH公司成功开发Montronic系统,至今数字式电控汽油喷射技术已成为中高级轿车发动机必备的技术之一。如Ford公司的EEC-Ⅲ系统,GM公司的DEFI系统,日产公司的ECCS系统,丰田公司的TCCS系统等。与传统的机械式化油器比较,电控汽油喷射系统可以使汽车发动机功率提高5%～10%,汽油消耗率降低5%～10%,废气排放量减少20%1。在上述发动机控制系统中,均使用喷油器作为电控汽油喷射的执行器件,其喷油时序和喷油量由中央控制器通过喷油器驱动控制电路汽油喷射系统的精度和可靠性。以下将深入讨论的即是喷油器驱动控制电路的设计。1喷油器及其驱动控制要求喷油器主要有轴针式、球阀式和片阀式3种。轴针式喷油器是研制和使用最早的一种,又以BOSCH公司生产的EV型轴针式喷油器应用最广。国产桑塔纳2000、奥迪等轿车使用的均为此型号。由于使用比较广泛,所以我们对该电喷系统的控制电路进行了深入的剖析、研究和详细的讨论。BOSCH公司生产的EV型轴针式喷油器的结构图见图2。图2BOSCH公司生产的EV型轴针式喷油器结构图11喷油轴针21针阀31衔铁41电磁线圈51电接头61滤网控制,见图1。驱动控制电路性能的好坏直接影响电控图1电磁喷油器驱动示意图基金项目:上海市科学技术发展基金资助作者简介:欧阳烨(1975-),男,安徽人,硕士,从事ASIC设计;李凌川(1967-),男,贵州人,硕士,从事ASIC设计;徐元森(1927-),男,浙江人,研究员,从事微电子学研究;甘俊仁(1941-),男,上海人,研究员,从事计算机科学研究。《汽车电器》1999年第4期·5· 如图2所示,当有驱动电流通过电磁线圈时,线圈产生磁场吸引衔铁,衔铁带动针阀上移约015mm,此时汽油喷出并充分雾化;当电磁线圈没有驱动电流时,针阀保持关闭。一般喷油时间即针阀开启时间为115～10ms2。EV型电磁线圈的阻值为16Ω,电感为213mH;针阀的开启电流≥240mA,关断电流≤150mA。在Montronic系统中,中央控制器(ECU)的喷油控制信号是数字脉冲式的,其脉冲下降沿为喷油器开启信号,低电平脉冲宽度为喷油时间长度。为了高精度地控制喷油器的开启和汽油喷射量,要求喷油驱动电路开启、关断延迟尽可能小;同时为了防止喷油器电磁线圈电流过大而影响使用寿命,在保证喷油器可靠导通的前提下,驱动电流要小。此外由于电磁线圈为感性负载,电流切换时会有较高的感生电动势,因而驱动电路还必须有可靠的输出保护电路。212电流驱动方式电流驱动方式利用电流控制器回路实现了驱动电流的波形控制。在喷油器开启时采用较大的驱动电流,加速喷油器的开启动作;在开启状态稳定后采用较小的电流维持喷油器的导通状态,防止电磁线圈过热。图5为驱动电流波形图,这种驱动方式电路的关键在于电流控制回路的设计。图6为一种常见的电流驱动控制电路框图。从图6中可以看出,其电流控制电路的反馈信号为驱动电流在取样电阻Re上产生的压降。从喷油器驱动IC设计的角度来讲,由于驱动电流高达几百mA,通过如此大电流的电阻Re在制造上不方便,而且还会增加芯片的成本和功耗。下面将介绍一种无取样电阻的电流驱动控制电路。2常见的驱动电路形式211电压驱动方式电压驱动方式电路的原理是通过控制驱动管的导通电压和限流电阻来完成喷油器的驱动。图3为一种常见的电压驱动方式电路简图。当Uin端为高电平时,输出达林顿管T饱和导通,其Uce图5驱动电流波形图12-Uce(T)12接近0,驱动电流Ic(T)=≈R,其R+R+R3030中R0为喷油器线圈的电阻值。图6电流驱动方式电路框图3数字式电控汽油喷射系统的喷油器驱动控制电路311设计思路大家知道,在数字式电喷系统中,要求喷油器的驱动控制电路及其保护电路集成在一块芯片上,芯片的输入信号是中央控制器产生的数字脉冲信号,输出信号是驱动喷油器的电流脉冲。通常输出端直接接至喷油器,在喷油器端不附加任何元件。考虑到喷油器在工作时,不同工作状态下电磁线圈产生的反冲电压不同,从而在设计输出电流控制电路时可以将输出端的电压作为反馈信号,进而实现驱动电流波形控制。具体思路是,在喷油器开启时,驱动电流不断上升,此时线圈反冲电压为负值,输出端电压接近0;当输出驱动电流上升至最大值并稳定后,线圈反冲电压等于0,输出端电压为电源电压减去线圈电阻分压,是一个正电压。电路设计时,利用输出端电压信号控制图3电压驱动方式电路简图Uin和Ic(T)的波形图见图4。从图4中可见,由于是感性负载,驱动电流Ic(T)上升较缓,导致喷油器开启延迟较大。这也是电压驱动方式的主要缺点,即动态响应差,小流量喷油控制性能不好。此外,电压驱动方式的喷油器驱动电流较大,电磁线圈容易发热,使用寿命受影响。图4Uin和Ic(T)的波形图《汽车电器》1999年第4期·6· 一个提供驱动电流的可变电流源,使其在喷油器开启时工作在大电流状态,驱动电流上升到最大值后工作在小电流状态,维持喷油器开启。这样,反馈电路和可变电流源配合便可实现输出电流波形控制功能。312电路设计驱动控制电路见图7。图7中各电压由汽车12V电源(Ucc)通过稳压电路提供(电路略),UDD为8V;开关信号为中央控制器的喷油控制数字电压信号(电路略);高电平时T15、T16饱和导通,无驱动电流输出;低电平时有驱动电流输出。图7驱动控制电路图图7中可变电流源电路由T1～T4、T6～T10及R23、R24、R27、R28、R31等元件构成,工作原理如下。当反馈电路的T24注入R23的电流很小时,T1的集电极电压使T3、T4组成的达林顿管正常工作,T6、T8支路形成正反馈电路,根据T1～T4的发射极边长比例,一般取T1、T2标准管,T3取2倍发射极边长,T4取4～6倍发射极边长。通常电路稳定工作时,T4的集射结压降约为1～2V,此时电流源工作电流为:UDD-Ube(T7)-Ube(T10)-Uce(T4)Ic(T8)=R+R2723图8可变电流源工作电流曲线图=920μA当反馈电路的T24注入R23的电流大于014μA时,T8支路的达林顿管射极电压被抬高约014V,其基极电压无法使达林顿管完全导通,故T16、T18的集电极电流均注入T1、T2管,此时的电流源工作电流为:故Ic(T20)及Ic(T24)约为0,因而可变电流源的工作电流为920μA左右。当喷油器的电流上升到最高时,输出端电压升到4V以上,T17基极电压比T20基极电压高112V左右,此时:UDD-Ube(T7)-Ube(T10)-Ube(T1)-Ube(T2)Ic(T8)=R+R+Rc(17)UT-U(T)eb(17)eb20IT273124()ν1Ic(T20)=exp=173μA图8为可变电流源工作电流Ic(T9)与反馈电流I(T24)的关系曲线。由图8可见反馈电流Ic(T24)对可变电流源的控制作用。图8中输出端电压反馈电路工作原理如下:当喷油器刚开启时,输出端电压接近0,T17基极电压比T20基极电压低216V左右,此时有关系式:UT故Ic(T20)、Ic(T24)约等于Ic(T18),即730μA左右,因而可变电流源的工作电流下降到173μA左右。图9即为T9的工作电流波形图。可变电流源的电流再经二级可控硅β放大管放大输出到喷油器。经计算机模拟得出输出端驱动电流波形(图10a)、输出端电压波形(图10b)及中央控制器喷油控制信号波形(图10c),见图10。·7·Ic(T17)(Ueb(T17)-Ueb(T20))µ1Ic(T20)=expUT《汽车电器》1999年第4期 aI=12exp(-R·t)atLL代入具体数值得(I的最大值还要受驱动管输入电流和放大倍数限制):I=750×〔1-exp(-6197t)〕mA(t取ms)aI=5122exp(-6197t)mA(t取ms)μsat由上式可得驱动电流由0上升至最小开启电流(240mA)须55μs,此时的驱动电流上升斜率大于315mA/μs。经中央控制器的一些修正措施后,开启时间误差还会显著减少。在驱动电流快速上升到最高点后,便被驱动控制电路钳制在200mA左右维持喷油器的开启状态。这样,驱动电路既能以较大的电流迅速开启喷油器,又使用了较小的维持导通电流,避免了线圈发热的问题。313过压保护电路驱动电路中输出端电压保护采用的是限压二极管保护,将输出端的电压钳制在60V以内,小于通常的双极工艺中的BUceo～60V〔3〕,从而达到对输出管的保护作用。在实际IC版图设计时,由于限压二极管在输出驱动电流关断的瞬间承受的电流很大,达几百mA,因而要适当地选取有效PN结边长。一般双极工艺中,PN结的电流容量为014mA/μm〔4〕,故有效PN结边长取1500μm左右。图11为一种限压二极管版图的设计,采用的是梳状结构,以节省版图面积。值得指出的是,由于承受的电流较大,为了防止各处PN结的电位不平衡而导致PN结局部电流过大使限压二极管损坏的情况发生,在PN结扩散区表面要布大面积铝线和接触孔,以平衡各处电位。图9Ic(T9)工作电流波形图图10输出端电流、电压及中央控制器控制信号波形图(a)输出端驱动电流波形图(b)输出端电压波形图(c)中央控制器控制信号波形图图11限压二极管版图设计示意图314电路的热稳定性分析在汽车电子设计中,由于汽车的设计工作温度范围为-50～125℃,因而电路的温度特性十分重要。从上述电路分析中可知,输出驱动电流的热稳定性取决于可变电流源的工作电流热稳定性和输出放大电路的热稳定性。由于输出放大电路采用的是两级可控β放大管,具有对管热补偿效应〔5〕,其温度特性十分稳定。可变电流源的工作电流热稳定性主要受Ube和各《汽车电器》1999年第4期由图10可见驱动电路的输出电流在上升段时,输出端的电压接近0,根据公式:IR+L·aI=12Vat经推导和积分后可得上升段驱动电流I及其上升速率aI/at,为:I=12〔1-exp(-R·t)〕RL·8· 种电阻的影响,由公式其中,取Ube的温度系数为-2mV/℃,电阻的温度系数为1500×10-6μm/℃〔3〕。故可变电流源的温度特性也比较稳定。图12为-55℃和125℃时电路的驱动电流波形图,由图12可知该喷油器驱动电路具有很好的温度适应性,符合汽车电子的要求。315过流及过热保护本电路的过热及过流保护是通过限流电阻R30实UDD-Ube(T7)-Ube(T10)-Ube(T1)-Ube(T2)Ic(T8)=R+R+R273124UDD-4Ube=RΣaIc(T8)·(UDD-4Ube)-a111可知:Ic(T8)aT=UDD-4UbeRΣaTaRΣ-6aT≈-50×10μm/℃现的。当温度升高时,R阻值升高,电阻的分压增加,30图12不同温度下电路的驱动电流波形图可变电流源的输出管T9的集电极电位被抬高,使T9进入饱和区,Ic(T9)减小,输出电流降低,达到过热保护作用。过流保护的原理与过热保护类似,电流过大使R30的分压增加,限制输出电流的最大值,达到过热保护作用。工艺,实现难度小得多。因而喷油器驱动电路的CMOS设计是一项值得进一步研究的工作。参考文献:陈朔鹏1汽车喷射系统的结构与维修M1北京:北京理工大学出版社,19961张月相1电控汽油喷射系统的原理与检修M1哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,19961AnOutlineofDesignTechniquesforLinearIntegratedCir2cuits.HansR.Camenzindetc.IEEEJournalofSolid2StateCircuits,vol.sc24,no.3,June1969.庄同曾1集成电路制造工艺基础M1北京:电子工业出版社,19901贾松良1双极型集成电路分析与设计基础M1北京:电子工业出版社,19861124结论本文所述汽车发动机喷油器驱动电路控制精度高,热稳定性能好,而且电路形式简明可靠。但从整个ECU系统的角度来看,电磁喷油阀驱动电路如果能和中央控制器进一步集成,进而实现ECU单片化是一个富有吸引力的目标(驱动管可在片外),尤其是在内嵌或CPU技术已十分成熟的情况下。对喷油器驱动电路而言,如果使用双极电路设计,实现ECU单片化就必须采用BICMOS工艺;如果能用CMOS模拟电路实现驱动功能,则ECU单片化就可以采用正常的CMOS345修改稿收稿日期:1999-03-18(责任编辑庄一)《汽车电器》1999年第4期·9·