Микросхемы НПО Интеграл для автомобильной электроники
Применение электронных приборов и систем в автомобилях постоянно расширяется. Стоимость электронного оборудования сейчас составляет до одной трети стоимости автомобиля. Развитие электронных систем автомобильной электроники идет в двух направлениях: замена существующих механических систем электронными (электронные системы зажигания, регуляторы напряжения, тахометры и др.), разработка электронных приборов, функции которых не могут быть выполнены механическими приборами (автоматические противоблокировочные системы, различные автоматические устройства, задающие режим работы двигателя и движения автомобиля) [1]. Все электронные приборы по функциональности могут быть разделены на четыре основные группы: система электропитания (аккумулятор и генераторная установка), система управления двигателем внутреннего сгорания, система управления трансмиссией и ходовой частью и система управления салоном (климат-контроль, панель приборов, компас, стеклоочиститель, указатель поворотов с индикатором перегоревших ламп, блокировка замков дверей и др.). Условия работы электронных блоков автомобиля являются достаточно неблагоприятными: изменения температур в широких пределах (–60…+150 °С) при высокой относительной влажности воздуха (до 80%), значительные вибрации с ускорением до 50 g в широком спектре частот, импульсы напряжения до 400 В, электромагнитные помехи, изменение напряжения питания с 8 до 15,5 В при 12-вольтовом источнике электроэнергии, грязь, вода и др. [2].
НПО «Интеграл» в 2001–2005 гг. освоило в серийном производстве и предлагает производителям электрооборудования и устройств автомобильной электроники широкий ряд новых полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС). Разработки проводились для различных систем автомобиля. Эти компоненты по параметрам, режимам, условиям и схемам применения соответствуют аналогичным микросхемам зарубежного производства при существенно более низких ценах. Разработан также ряд модификаций микросхем для российских предприятий, производящих автомобильную электронику. ИМС производятся в пластмассовых корпусах, в том числе и для поверхностного монтажа. В таблице приведены основные блоки автомобильной электроники с разработанными в НПО «Интеграл» микросхемами.
Наименование
Описание
серия ИМС для гибридных регуляторов напряжения типа EL14V4C фирмы Bosch
ИМС однокристального регулятора напряжения
Электронная система управления двигателем
ИМС усилителя-формирователя сигнала с датчиков
ИМС энергонезависимой памяти 512×8 бит с шиной I 2 C
ИМС прецизионных датчиков температуры
специализированный стабилизатор напряжения
ИМС управления коммутатором зажигания
ILA82С251 (на стадии разработки)
ИМС приемопередатчика CAN интерфейса
ИМС ШИМ-контроллера для подсветки шкалы приборов автомобиля
IL33197AN, IL33197AD, IL33197ANG01, IL33197ADG01
ИМС таймера стеклоочистителя
IL33193AN, IL33193AD, IL33193AN-01,
IL33193AD-01, IL33193AN-02, IL33193AD-02,
ИМС управления указателем поворотов
Иммобилизатор, усилитель руля, бортовая система контроля и др.
ИМС драйвера управления высокопотенциальным полевым транзистором
4-канальный драйвер для шагового двигателя
серия стабилизаторов напряжения
ИМС приемопередатчика интерфейса ISO K-line
IL33399 (на стадии разработки)
ИМС приемопередатчика LIN интерфейса
Электронные системы управления двигателями (ЭСУД)
Известно, что наиболее совершенными системами управления зажиганием двигателя внутреннего сгорания являются цифровые системы и системы на основе микроконтроллера. Они наиболее полно реализуют алгоритм управления двигателем, обеспечивают его оптимальную мощность, максимальную долговечность и экономичность, минимальную токсичность выхлопных газов [1].
Для ЭСУД типа «МИКАС», «Январь», «АВТРОН» и др. производятся микросхемы усилителя-формирователя сигнала с датчиков IL1815N и IL1815D, энергонезависимой памяти 512×8 бит с управлением по I 2 C шине IN24LC04, специализированного стабилизатора напряжения ILE4267G [3], стандартной логики IN74HC14AD (шесть триггеров Шмитта) и IN74HC573ADW (восьмиразрядный регистр), прецизионных датчиков температуры IL135Z и IL235Z, управления коммутатором зажигания IL1055DW. Разрабатывается микросхема приемопередатчика CAN интерфейса ILA82С251.
Для работы электронных систем зажигания используются датчики положения коленчатого вала, датчик частоты вращения коленчатого вала, датчики нагрузки, датчики температуры воздуха и охлаждающей жидкости и др. Информация с данных датчиков нужна для того, чтобы контроллер вычислил оптимальный угол опережения зажигания для каждого скоростного и нагрузочного режима. Однако сигнал с датчика не может быть подан непосредственно на вход микропроцессора. Сигнал должен быть обработан и усилен. В НПО «Интеграл» для этой цели разработаны микросхемы IL1815N и IL1815D усилителя-формирователя сигнала с датчиков. N в названии означает пластмассовый DIP-корпус, D — пластмассовый SO-корпус для поверхностного монтажа. Микросхемы IL1815N и IL1815D усиливают аналоговый сигнал с датчика и преобразуют его в цифровую форму с КМОП-уровнями, который непосредственно поступает на вход контроллера управления двигателем. Микросхемы обеспечивают один короткий выходной импульс, передний фронт которого совпадает с проходящей через ноль отрицательной полуволной входного сигнала. Используются микросхемы для усиления сигнала с датчиков частоты вращения двигателя, с датчика положения коленчатого вала.
В датчиках температуры охлаждающей жидкости и температуры воздуха используются микросхемы IL135Z и IL235Z. Микросхемы представляют собой прецизионные датчики контроля температуры с возможностью калибровки. Изменение выходного напряжения микросхемы определяется соотношением 104Т(°К) (мВ), где Т(°К) — температура в градусах Кельвина. Полное динамическое сопротивление схемы составляет менее 1 Ом при рабочем токе 450 мкА — 5 мА. Откалиброванный при температуре 25 °С датчик имеет типовое значение ошибки менее 1 °С в температурном диапазоне от –55 до +150 °С. Особенностью микросхем IL135Z и IL235Z является линейная зависимость выходного напряжения от температуры. Выпускаются микросхемы в пластмассовых трехвыводных корпусах ТО-92 (КТ-26).
Микросхема IL1055DW применяется в составе двухканального коммутатора модуля зажигания автомобилей с микропроцессорным управлением двигателя внутреннего сгорания. Микросхема управляет двумя мощными IGBT-транзисторами по сигналу от микропроцессора, осуществляет формирование управляющих импульсов по сигналам микропроцессора на входе мощного выходного ключа (IGBT-транзистора), задающего ток через катушку зажигания, и ограничение тока через катушку зажигания на уровне, достаточном для гарантированного формирования искры. Кроме того, она обеспечивает равенство токов через каждую катушку зажигания.
В современном автомобиле электроника выполняет большое количество функций. С точки зрения надежности передачи данных между электронными блоками и организации интерфейса все их можно условно разделить на две части: первая — это обеспечение надежного функционирования основных узлов автомобиля (электронное управление двигателем, АBS, подушки безопасности, навигационная система, трансмиссия и др.). Ко второй половине можно отнести различные электронные системы управления, служащие для обеспечения комфорта пассажиров (электропривод зеркал, дверных замков, стеклоочистителей, стеклоподъемников, климат-контроль и др.), а также систему диагностики. В первом случае нужен высоконадежный, достаточно скоростной канал связи, способный передать информацию от одного узла к другому, во втором — простой и дешевый. В качестве первого выступает скоростной высоконадежный протокол CAN (Controller Area Network). В качестве второго утвержден стандарт LIN (Local Interconnection Network). Протоколы LIN и CAN дополняют друг друга и позволяют объединить все автомобильные приборы в единую многофункциональную бортовую сеть. Протокол CAN характеризуется скоростью передачи до 1 Мбит/с при длине шины до 40 м. При меньших скоростях длина шины может достигать одного километра. Протокол LIN характеризуется скоростью до 20 кбит/с [4].
В настоящее время разрабатывается микросхема ILA82С251 приемопередатчика CAN-интерфейса. О микросхемах LIN-интерфейса будет сказано ниже.
Генераторная установка
Генератор автомобиля предназначен для обеспечения питанием электрооборудования и заряда аккумуляторной батареи при работающем двигателе. Выходные параметры генератора должны быть такими, чтобы при любых режимах движения автомобиля не происходил разряд аккумулятора. Кроме того, напряжение в бортовой сети автомобиля должно быть стабильно в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузок [5]. Для поддержания стабильности напряжения наиболее эффективным является применение широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Реализуется ШИМ микросхемой регулятора напряжения.
Для генераторной установки в НПО «Интеграл» выпускается ряд микросхем и полупроводниковых приборов. Наряду с поставляемой длительное время и широко используемой серией микросхем КБ1088ЕП1-4 и матрицы резисторов КБ1088НР2-4 для гибридного регулятора напряжения (РН) типа EL14V4C фирмы Bosch сейчас производится однокристальный PH 14IVR в корпусе типа TO-3. Микросхема формирует ШИМ-характеристику управления током в обмотке возбуждения автомобильного генератора и содержит входной делитель напряжения, встроенный генератор импульсов, делитель частоты, цифро-аналоговый преобразователь, компаратор. Размещенные на кристалле мощные демпферный диод и транзистор рассчитаны на ток 5 А, при этом остаточное напряжение транзистора — не более 0,5 В. Напряжение регулирования — 14,1±0,2 В, температурный коэффициент изменения напряжения 7,0±1,5 мВ/°С.
Отличие этого устройства от гибридных РН — надежность и стабильность параметров, что подтверждено испытаниями у производителей генераторов и на автозаводах.
Для выпрямительных мостов автомобильных генераторов на напряжение 14 В изготавливаются выпрямительно-ограничительные диоды Зенера IW3527 с пробивным напряжением 27 В.
Панель приборов
Для подсветки шкалы приборов автомобиля предназначена микросхема ШИМ-контроллера IL6083N, который управляет внешним мощным MOSFET-транзистором, используемым в качестве ключа для напряжения на нагрузку. Микросхема используется для управления яркостью свечения ламп освещения с помощью широтно-импульсной модуляции с частотой до 2 кГц и коэффициентом заполнения от 18 до 100%. Микросхема имеет защиту от короткого замыкания, повышенного напряжения питания и напряжения питания обратной полярности, а также защиту от обрыва «земли». Разработана модификация микросхемы IL6083AN с коэффициентом заполнения от 10 до 100% для предприятий, производящих автомобильную электронику в России.
Стеклоочиститель
Схема управления стеклоочистителем выполняет не очень сложную, но чрезвычайно важную функцию, поскольку создает хорошую видимость из автомобиля в дождливую погоду, обеспечивая безопасность движения [6].
Микросхемы IL33197AN и IL33197AD выполняют функции таймера стеклоочистителя для бортовых систем автомобилей, обеспечивают функцию прерывистой очистки с возможностью регулирования временного интервала очистки от 0,5 до 30 с, функцию очистки после включения омывателя, функцию непрерывной очистки и применяются для непосредственного управления реле двигателя стеклоочистителя. Микросхемы могут применяться в стеклоочистителях переднего и заднего стекол.
Для расширения области применения в ИМС IL33197AN-01 и IL33197AD-01 по просьбам заказчиков для защиты от всплесков напряжения при выключении реле двигателя стеклоочистителя на выходе встроен 30-вольтовый шунтирующий диод Зенера (у IL33197AN и IL33197AD — 20-вольтовый диод Зенера).
Указатель поворотов
Для микросхем управления реле указателя поворотов в настоящее время наблюдается тенденция совмещения функций: помимо основной функции (подачи сигналов на реле поворотов) микросхема определяет перегорание одной из ламп и короткое замыкание в нагрузке.
Микросхемы IL33193N и IL33193D предназначены для управления реле указателя поворотов. В режиме ожидания они потребляют очень малый ток. На входе детектора неисправности ламп (вывод 7) реализован высокочастотный фильтр для устранения электромагнитных помех. Частота мигания определяется внешними элементами R и C. При неисправности одной из ламп опознается изменение тока нагрузки на шунте, и частота мигания увеличивается в 2,2 раза.
По предложениям потребителей разработаны и изготавливаются модификации IL33193N-01, IL33193D-01, IL33193N-02, IL33193D-02, IL33193N-03, IL33193D-03, IL33193N-04 и IL33193D-04 микросхемы управления реле поворотов, которые имеют следующие отличия:
- отсутствует вывод 6 «Вход разрешения», внутри ИМС реализуется функция постоянного разрешения;
- пороговый уровень детектора неисправной лампы составляет 85±10 мВ (при 51±5 мВ и сопротивлении шунта 20 мОм у микросхем IL33193N и IL33193D), что позволяет работать с шунтом 30 мОм;
- при неисправности одной из ламп частота мигания увеличивается в 2,5 раза;
- микросхемы IL33193N-03 и IL33193D-03 имеют в своем составе детектор короткого замыкания.
В остальном эти микросхемы по функционированию и схеме применения идентичны IL33193N и IL33193D.
Другие системы (иммобилизатор, усилитель руля, бортовая система контроля и др.)
Для таких систем предлагаются ИМС широкого применения, которые, однако, по своим характеристикам и условиям использования соответствуют требованиям к компонентам автомобильной электроники.
Микросхемы IL33091AN и IL33091AD являются драйверами управления высокопотенциональным мощным полевым МОП-транзистором. Работают при наличии высоковольтных помех по шине питания, возникающих вследствие быстрой коммутации нагрузок. Микросхема обеспечивает посредством выходной емкости накачку заряда на выводе Gate управления затвором силового МОП-транзистора. Управление накачкой заряда (включение и выключение) осуществляется входом Input, совместимым с логическими уровнями КМОП-микросхем.
Важной особенностью ИМС IL33091N и IL33091D является наличие блока квадратирования тока (I 2 ), с помощью которого контролируется мощность, выделяющаяся на внешнем мощном МОП-транзисторе. Внешние элементы C и R, подключаемые к выводу 8, определяют время, которое мощный МОП-транзистор может работать при данном уровне превышения допустимой мощности. Этот способ очень эффективен для защиты мощного МОП-транзистора.
Микросхемы приемопередатчика ISO K-line интерфейса IL33290DA и IL33290DB применяются в автомобильной электронике и предназначены для обеспечения двунаправленного полудуплексного соединения по стандарту ISO 9141-2 бортовых автомобильных электронных систем и внешних диагностических устройств.
В настоящее время разрабатывается микросхема IL33399 приемопередатчика LIN-интерфейса.
Серия интеллектуальных стабилизаторов напряжения ILE42XX с низким остаточным напряжением специализирована для применения в автомобильной электронике [3].