基于MC33810的四缸汽油机中的喷油及点火控制设计

 在汽油机喷油与点火控制系统中，通常用大功率三极管或场效应管及其辅助电路来产生较大的驱动电流，从而实现对喷油器和火花塞的驱动。然而，对于四缸汽油发动机而言，就必须分别有4个喷油器和火花塞驱动电路与之对应。这样，驱动电路体积较大，稳定性相对较差，结构也较为复杂。MC33810是Freescale公司推出的一款四缸汽油发动机专用喷油和点火驱动集成芯片，该芯片具有体积小、重量轻、集成度高、经济性好等特点[1]。

1 结构原理

MC33810芯片内部具有电源供电模块、电源复位模块、SPI串行输入输出接口模块、并行控制输入模块、脉宽调制控制模块、标准/最大线圈电流比较模块、点火持续时间比较模块、喷油器驱动模块和点火门控预驱动模块，能够与汽油机ECU进行SPI通信，接受ECU的并行控制，实现喷油与点火功能，同时能对点火电流和点火持续时间进行反馈，防止损伤点火线圈,其内部电路具有过压、过流、过热保护功能[2]。

2 应用电路设计

2.1 ECU电源管理电路设计

MC33394是一款高性能的电源管理芯片，外部电源供电在+4 V～+26.5 V之间，非常适合给发动机ECU供电。其内部包含+5 V/+3.3 V/+2.6 V电压调节器模块，可直接输出+5 V、+3.3 V和+2.6 V三种电压。其应用电路如图1所示。

电池由外部电源供电，汽车上一般为+12 V～+14 V之间。VPRE口输出电压为+5.6 V，VDDH口输出供电+5 V@100 mA，VPRE1、VPRE2和VPRE3口输出供电+5 V@100 mA。VPP口可输出供电+5 V@150 mA或+3.3 V@150 mA，可对外部Flash ROM进行供电。VDD3_3口外接三极管，可形成+3.3 V@120 mA的供电能力。VDDL口外接2个三极管，形成+2.6 V@40 mA的供电能力[3]。因此，MC33394能完全满足MPC564的电源管理及供电要求。

2.2 ECU系统电路设计

以MPC564为核心的ECU系统电路包括：电源供电电路、复位电路和晶振振荡电路。电源供电电路主要由MC33394提供+5 V和+2.6 V电压给MPC564，MPC564的电源接口有：VDDH1～VDDH8，接+5 V电源；VDD1～VDD13、QVDDL1～QVDDL15，接+2.6 V电源；GND1～GND105，接地。复位电路接口有：电源复位PORESET、硬件复位HRESET和软件复位SRESET。由于它们都是低电平有效，所以采用传统的电阻电容复位电路。晶振振荡电路由晶振、电阻和电容组成。外部晶振选择4 MHz、晶振反馈调节电阻选择10 MΩ、电容选择22 pF，则PLL锁相环电路可产生40 MHz的内部时钟和20 MHz的系统时钟[4]。其系统电路如图2所示。


2.3 MC33810接口电路设计

MC33810芯片外部具有：一个串行输入输出口(SPI)，4个驱动输入口(DIN0～DIN3)、4个输出口(OUT0～OUT3)，4个门控预驱动输入（GIN0～GIN3）、输出口（GD0～GD3），4个反馈电压检测输入口（FB0～FB3），一个点火线圈最大电流输出标志位（MAXI），一个点火线圈标准电流输出标志位（NOMI），一个电阻感应正极端口（RSP）和一个电阻感应负极端口（RSN）[2]。串行输入输出口主要用于发送和接收ECU的控制命令，可以直接与MPC564的SPI口直接相连。驱动输入、输出口主要用于控制喷油器的开启和关闭，输入口与MPC564的普通I/O口相连，输出口与喷油器相连。门控预驱动输入、输出口主要用于控制功率管的开启和关闭，从而控制火花塞的点火，因此输入口仍然接MPC564的普通I/O口，而输出口控制功率管的基极。这样，喷油和点火控制指令既可以通过ECU发出SPI指令控制，也可以通过并行口直接控制。反馈电压检测口主要用于监控点火时功率管的集电极端电压，由两个电阻进行分压，阻值比例约为9:1（可选择36 kΩ和4.02 kΩ）。点火线圈最大电流输出标志位主要用于给ECU提供点火线圈最大电流输出信号参考标志。点火线圈标准电流输出标志位主要用于给ECU提供点火线圈标准电流信号参考标志，防止点火线圈因电流过大而损伤，因此可直接与MPC564的普通I/O口相连。电阻感应正极端口和电阻感应负极端口主要用于感应通过其两端的电阻电流的大小，这里放大倍数选择1倍，电阻选择0.04 Ω，如图3所示。


3 驱动程序设计

3.1 喷油程序设计

汽油机喷油必须确定喷油提前角和喷油量。四缸汽油机喷油提前角一般是固定的，位于排气行程上止点前64°，因此可以根据曲轴位置传感器发出的曲轴位置信号确定[5]。而喷油量通过喷油器针阀开启的持续时间来确定，即喷油脉宽。喷油脉宽通过ECU采集进气歧管绝对压力、发动机转速、歧管进气空气温度、节气门位置、蓄电池电压等信号的实际数据，再根据MAP图来确定。当喷油时刻到来时，ECU通过SPI口或并行口直接发出喷油指令，然后开启定时器，确定定时喷油的持续时间。当喷油完成后直接关闭喷油指令。

MC33810内部具有过热保护和定时保护命令，可通过ECU对喷油器进行过热和喷油时间过长保护。这里，选择以SPI口驱动第一缸喷油器为例，使用保护指令0E10H，喷油指令3001H。喷油程序流程图如图4所示。


3.2 点火程序设计

汽油机点火必须确定点火提前角和点火闭合角。点火提前角的大小主要由发动机的转速、负荷和汽油的辛烷值决定[6]。汽油的辛烷值一定时，只需通过试验，建立发动机的转速、节气门的位置与点火提前角的MAP图即可。点火闭合角的大小主要由发动机的点火频率决定，点火频率越大，发动机的转速越快。因此，可通过ECU采集发动机转速传感器和节气门位置传感器信号确定点火提前角和点火闭合角。

MC33810内部具有选择点火闭合角(点火持续时间)、点火电流放大倍数、点火标准电流、最大电流参数设置的功能，能根据MAP图选择合适的点火参数。这里，以驱动第一缸点火为例，点火持续时间设置为32 ms，点火模式选择命令为1000 H，允许多缸点火持续时间重叠，电流放大1倍，则点火命令为49CDH。点火结束滤波设置4 ?滋s命令为5001 H。点火标准电流为5.5 A，最大电流为14 A，允许点火持续时间重叠35%，则DAC命令为688AH。点火程序流程图如图5所示。

MC33810通过与MPC564组成喷油及点火控制电路，能实现如下功能：
(1)直接用MC33810驱动四缸汽油机的喷油器与点火线圈，省去了复杂的驱动电路；
(2)MPC564可根据实际需要选择SPI接口驱动或并口驱动，驱动方式灵活；
(3)MC33810能向MPC564发出点火驱动电流的反馈监控信号，保护点火线圈；
(4)MC33810内部具有过压、过流和过热保护，驱动电路稳定，使用寿命长。
通过试验表明，MC33810能在四缸汽油机中较好地实现喷油与点火电路的驱动，具有一定的现实意义和良好的使用前景。