Mikroelektronik im Kraftfahrzeug PDF
Preview Mikroelektronik im Kraftfahrzeug
[iJDc:ru@~[b~C:W0@~D~ Herausgegeben von Walter Engl Hans Weinerth Gerhard Conzelmann . Uwe Kiencke Mikroelektronik im Kraftfahrzeug Mit 162 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo Hong Kong Barcelona Budapest Dipl.-Phys. Gerhard Conzelmann Prof. Dr.-Ing. Kiencke Wilhelmstr. 37 Reichertshalde 35 70771 Leinfelden-Echterdingen 71642 Ludwigsburg Herausgeber der Reihe: Prof. Dr. rer. nat. Walter L. Engl Dr.-Ing. Hans Weinerth Institut fUr Theoretische Elektrotechnik Gesellschaft fUr Silicium-Anwendungen RWTHAachen und CADjCAT Niedersachsen GmbH (Sican) KopernikusstraBe 16 Vahrenswalder StraBe 7 52074 Aachen 30419 Hannover 1 ISBN-13: 978-3-642-73962-0 e-ISBN-13: 978-3-642-73961-3 001: 10.1007/978-3-642-73961-3 CIP-Eintrag beantragt Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Uber setzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielraltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbei tungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielf<iltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Be stimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich vergiitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unter liegen den Strafbestimmungen des U rheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995 Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1995 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB soIche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jeder mann benutzt werden diirften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr flir Richtigkeit, Vollstandigkeit oder Aktualitat iibernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls fiir die eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils giiltigen Fassung hinzu zuziehen. Satz: Macmillan India Ltd, Bangalore SPIN 10007614 60/3020 - 5 4 3 2 1 O-Gedruckt auf saurefreiem Papier Vorwort Unabhangig von GroBe und Preis gehoren heute mikroelektronische Kompo nenten und Systeme zum Standard eines Kraftfahrzeugs. Das Buch soil den interessierten Leser in die speziellen Belange der Fahrzeugelektronik einfUhren und den Entwickler mittels der gezeigten Losungen zu kreativem Denken anregen. Anhand von Beispielen und einem umfangreichen Literaturverzeichnis sind die Moglichkeiten und die Grenzen einer monolithischen Integration auf Silizium-Substraten aufgezeigt. Die moderne Halbleitertechnologie ermoglicht hochkomplexe integrierte Schaltungen mit einer gegen eins gehenden Ausbeute zu fertigen. Der Trend weg von analogen zu den leichter beherrschbaren digitalen Systemen hin ist damit vorgezeichnet: umfangreiche Rechner- und Speicherstrukturen werden in MOS-Technologien ausgefiihrt, die reine Bipolar technik weicht mehr und mehr Mischtechnologien (BiCMOS). Die Arbeiten zu diesem Buch gaben AnlaB, sich mit der Geschichte der Elektronik im Kraftfahrzeug zu beschartigen. Da die Rohrentechnik nicht erlaubte, auch noch so gute Ideen in die Praxix umzusetzen, muBte hier auf die Patentliteratur als Quelle ausgewichen werden. Sieht man von dem anfangs der dreiBiger Jahre aufkommenden Autoradio ab, so beginnt die Elektronik im Kraftfahrzeug erst mit dem Aufkommen geeigneter Halbleiter. Die Verfasser danken Mitarbeiterinnen, Mitarbeitern und Kollegen fUr ihre Beitrage, insbesondere Herrn Prof. Dr. Engl fUr seine fachlichen Korrekturen. Dank gebiihrt auch der Fa. Robert Bosch GmbH und der Planung Technik des Springer-Verlags fUr ihre tatkrartige Unterstiitzung, sowie unseren Familien, die mit Verstandnis unsere Arbeit verfolgten. Reutlingen und Karlsruhe im Juni 1994 Gerhard Conzelmann Uwe Kiencke Inhalt 1 Historischer Abri8. . . . . . . 1.1 Elektronik im Kraftfahrzeug 1.1.1 Zundsysteme. . . . . . . . . . 2 1.1.2 Benzineinspritzung . . . . . . 5 1.1.3 Spannungsregler fur Generatoren 8 1.1.4 Blinkgeber . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2 Von der Elektronik zur Mikroelektronik . 12 1.2.1 Mikroelektronik im Autoradio .. 13 1.2.2 Spannungsregler fUr Generatoren 13 1.2.3 Blinkgeber . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.4 Baugruppen fUr die D-Jetronic. . 18 1.2.5 Baugruppen fUr weitere Erzeugnisse im Kraftfahrzeug . 20 1.3 L-Jetronic als erstes monolithisch integriertes System .. 22 1.4 Versuche einer geschlossenen Integration von Systemen . 27 1.4.1 Spannungsstabilisatoren. . . . . _. 28 1.4.2 Spannungsregler fur Generatoren 29 1.4.3 Blinkgeber und Taktgeneratoren . 32 1.5 Digitale Systeme .......... 35 2 KFZ-spezifische Anforderungen . 41 2.1 Bordnetz ...... 42 2.1.1 Betriebsspannung ......... 42 2.1.2 Impedanz. ............. 44 2.1.3 Verpolen und Vertauschen von Leitungen 45 2.2 Elektromagnetische Vertn'iglichkeit (EMV) . 46 2.2.1 Leitungsgefuhrte StorgroBen . . . . . . . . . 46 2.2.2 Eingestrahlte StorgroBen ........... 50 2.3 Klimatische und mechanische Beanspruchungen. 55 2.3.1 Thermische Beanspruchungen. . . . . . . . . . . . 56 2.3.2 Beanspruchungen durch Feuchte und chemische Einflusse. 57 2.3.3 Mechanische Beanspruchungen ................. 58 VIII Inhalt 3 Integrierte Schaltungen im Kraftfahrzeug 60 3.1 ParasiHire Substrateffekte ......... 61 3.1.1 Vermeiden von MinoriHitsstromen im Substrat 66 3.1.2 Barrieren gegen injizierte MinoriHitsstrome. 68 3.1.3 AbschlieBende Betrachtung . 73 3.2 Bordnetz ...... 73 3.2.1 Betriebsspannung ....... 73 3.2.2 Impedanz . .. ......... 74 3.2.3 Verpolen und Vertauschen von Leitungen 74 3.3 LeitungsgefUhrte StorgroBen . . . 76 3.3.1 Monolithische IC als Storquellen. ... 76 3.3.2 Monolithische IC als Storsenken .... 80 3.4 Entstorung eingestrahlter StorgroBen . 87 3.4.1 Entstorung von Signaleingangen. . . . 88 3.4.2 Entstorung von Signalausgangen. . . . 92 3.4.3 Entstorung von Versorgungsleitungen. 94 4 Hinweise zur Schaltungsentwicklung 97 4.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . 97 4.1.1 Schaltungssimulation und -analyse . .................. 97 4.1.2 Modellparameter ................... 99 4.1.3 Berechnung von Warmewiderstanden ....... 99 4.2 Abgleich-, Programmier- und Reparierverfahren. 102 4.2.1 Abgleichverfahren und ihre Grenzen. 102 4.2.2 Abgleich in Stufen ............ 104 4.2.3 Stetiger Abgleich von Widerstanden .. 107 4.2.4 Programmier- und Reparierverfahren . 108 4.3 Leistungs-IC ................ 110 4.3.1 Montage .................. 110 4.3.2 Darlington oder Transistor als Schalter. 112 4.3.3 Lineare Leistungsstufen . 114 4.3.4 Dioden und Thyristoren. 120 4.3.5 Zenerdioden. . . . . . . . 130 4.4 Schaltungsbeispiele . . . . 132 4.4.1 Bandgapreferenz mit reduziertem Temperaturgang . 132 4.4.2 Stromregler fUr Geblasemotoren . . . . . . . . 133 4.4.3 Spannungsversorgung fUr Mikroprozessoren. 134 4.4.4 Chopperstabilisierte Operationsverstarker 138 5 Sensorelektronik. . . 144 5.1 Temperatursensoren 148 5.2 Magnetfeldabhangige Sensoren. 149 Inhalt IX 5.2.1 Hallsensoren.................... 150 5.2.2 Magnetotransistoren............... 152 5.2.3 Magnetoresistive Widerstande (Nickel-Eisen). 154 5.3 Silizium-Mikromechanik. 154 5.3.1 Drucksensoren...... 156 5.3.2 Beschleunigungssensoren. 157 5.3.3 Ausblick..... 159 6 Digitale Systeme 162 6.1 Mikrocomputer-Architektur . 162 6.1.1 Hierarchische Struktur. . 162 6.1.2 Spezielle Befehle ..... . 164 6.1.3 Unterbrechungsstruktur . 166 6.2 Speicher-Architektur . 167 6.2.1 Programmspeicher . 168 6.2.2 Variablenspeicher. . . 170 6.2.3 Speicherzugriff. . . . . 171 6.3 Peripherie-Schaltungen. 172 6.3.1 Eingabezahler fur Frequenzen und Perioden ............ . 172 6.3.2 Vor-Ruckwartszahler ................ . 175 6.3.3 Ausgabezahler fur Impulse und Tastverhaltnisse. 178 6.3.4 Ereignisgesteuerter Peripherieprozessor . 182 6.3.5 Eigenuberwachung ................. . 185 7 Digitale Steuergeriite . 187 7.1 Umgebungsbedingungen. 188 7.2 Beschaltung der Eingange . 188 7.3 Ratiometrische Messung. . 190 7.4 Logarithmische MeBwertkennlinien . 191 7.5 Sicherheitskritische Systeme. . .... 192 7.6 Applikationssysteme . . . . . . . . . . 194 7.7 Dynamik der MeBwertverarbeitung . 196 7.7.1 Dynamischer Fehler der Zundwinkelberechnung 197 7.7.2 Winkelgestutzte MeBwertverarbeitung. . . . . . . 198 8 Lokale Netzwerke . ..................... . 201 8.1 Anforderungen an 10k ale Netzwerke im Kraftfahrzeug . 201 8.1.1 Lange einer Botschaft . . . . . . . . . . . . . . . . 202 8.1.2 Netzwerkbelegung ................. . 203 8.1.3 Anpassungsfahigkeit der Netzwerkkonfiguration. 203 X Inhalt 8.1.4 Datenkonsistenz. 203 8.1.5 Fehlerbehandlung. 204 8.1.6 Ausfallbegrenzung 205 8.2 Topologie ..... . 205 8.2.1 Stern .. 206 8.2.2 Ring ........ . 207 8.2.3 Bus ........ . 208 8.2.4 Netzwerkstruktur . 209 8.3 Verteilte Prozesse. . 210 8.4 Botschaftsaufbau . 213 8.5 Arbitrierung . . . . . 215 8.6 Adressierung. . . . . 216 8.7 Ubertragungsebene . 217 8.8 Fehlersicherung ............... . 220 8.8.1 Riickkopplung der Sendeinformation . 221 8.8.2 Mehrfachabtastung. . . . . . . . . . . . 221 8.8.3 Zyklisch redundanter Code (CRC). . . 221 8.8.4 Codierungspriifung. . . . . . . . . . . . 222 8.8.5 Uberpriifung des Botschaftsrahmens. . 222 8.8.6 Fehlerbotschaft . . 223 8.9 Ausfallbegrenzung . . . . . . . . . . . . 223 Sachverzeichnis ................................... 225 1 Historischer AbriB 1.1 Elektronik im Kraftfahrzeug Unser Automobil ist bereits ein Jahrhundert alt, und schon Hinger als ein halbes Jahrhundert gibt es in Form des Autoradios [1.1] Elektronik dazu. Dabei sollte es allerdings fUr lange Zeit bleiben, denn die damals unabdingbar erforderlichen Elektronenrohren waren nicht besonders fahrzeugfreundlich, benotigten sie doch neben hohen Betriebsspannungen auch noch beachtliche Heizleistungen. Nach Queisser [1.2] war die Elektronik im Zeitalter der Vakuumrohre eine "Makroelektronik voller Verschwendung". Trotz dieses Nachteils wurde schon friih versucht, auch elektronische Sy sterne in das Kraftfahrzeug einzufiihren. Das erste diesbeziigliche Patent [1.3] "Motorenziindvorrichtung" yom September 1918 hatte eine "ruhende Vertei lung" der Ziindspannung mit Ventilrohren zu einem Magnetziindsystem fiir Zwei- und Vierzylindermotoren zum Gegenstand. Dabei sollte es jedoch nicht bleiben. Bereits in den beiden Patenten "Ziindsystem fUr Verbrennungskraft maschinen" und "Ziindungsverteiler fiir Verbrennungskraftmaschinen" [1.4] yom Januar 1920 sind Ziindanlagen fUr Motorfahrzeuge mit Elektronenrohren beschrieben. Als Ziindspannungsgenerator wurde ein einstufiger Oszillator mit einer Hochvakuum-Triode vorgeschlagen. Die Verteilung der Ziindfunken auf die einzelnen Zylinder war ebenfalls mit Hochvakuum-Trioden ausgefUhrt. Es heiBt dort unter anderem: Vor dem Magnetapparat und der Ziindspule aber zeichnet sich das neue Ziindsystem vor allem in zweierlei Hinsicht aus: Erstens fiillt der mecha nische Unterbrecher weg. Dieser ist bekanntlich derjenige Teil der Magnet- und Spulenziindung, der wegen der hohen an ihn gestellten An/or derungen technisch am schwierigsten zu beherrschen ist. Zweitens kann man ungediimpfte Schwingungen von beliebiger Frequenz erzeugen. Ferner ist zu lesen: Unter Umstiinden kann man den R6hrengenerator nebenher auch nochfiir drahtlose Telegraphie oder Telephonie verwenden. Wah rend der Diodenverteiler auf Motoren mit maximal vier Zylindern be schrankt war, ist der Triodenverteiler fUr Zwei-, Vier-, Sechs und so gar einen 2 1 Historischer AbriB Achtzehnzylinder-(FII!.S)motor beschrieben worden, wobei die 18 Triodensy sterne in einem Kolben vereint iiber einer gemeinsamen Gliihkathode ange ordnet waren. Der Vorschlag zum ersten elektronischen Ziindsystem enthielt somit bereits eine "Integrierte Schaltung". Abbildung 1.1 gibt Bild 2 jener Patentschrift wieder. Auch in den USA wird schon im Oktober 1920 ein Ziindsystem mit einem Triodenoszillator angemeldet, des sen Anodenspannung nicht mehr einer Batterie entnommen, sondern sinnigerweise mit einem "Bosch-Magneto" erzeugt wird [1.5]. Erst wieder Vorschlage zu Kondensatorziindungen [1.6, 1.7] Anfang der 30er Jahre enthielten Kalt- bzw Gliihkathoden-Rohren und zwar Dioden zum Aufladen des StoBkreiskondensators und Thyratrons zu seiner Entladung. Fiir den Ersatz des Kontaktunterbrechers gab es zwei Losungen: Nach [1.8] eine lichtelektrische Ziindeinrichtung mittels Fotozelle und Lochscheibe (1936) und bereits 1939 nach [1.9] eine Ziindvorrichtung mittels eines induktiven Gebers. Doch nochmals solI ten Ziindschaltungen mit Hochvakuumrohren vorge schlagen werden, und zwar 1941 in einer herkommlichen Spulenziindung mit einem durch einen Triodenverstarker entlasteten Unterbrecherkontakt [1.10] unter dem Motto "Rohren lassen sich paralIelS(:halten, urn hohere Strome zu erreichen, Unterbrecherkontakte jedoch nicht", und noch 1954 in einem Ziind system fiir Mehrfachfunken [1.11]. Auch an die elektrische Verstellung des Ziindzeitpunkts als Funktion von Unterdruck und Drehzahl mittels zweier von Fliehkraftsteller und Unterdruck dose betatigter veranderbarer Widerstande wurde schon 1947 gedacht [1.12]. Wie wir wissen, gelangten diese Ideen nicht bis zur Serienreife. Die Rohren Elektronik war mindestens fiir Fahrzeugaggregate ungeeignet, so daB das Auto radio als zwar nebensachliches jedoch wiinschenswertes Zubehor allein in groBen Stiickzahlen dem Markte vorbehalten blieb. Die Anfang der 50er Jahre aufkommenden Halbleiterbauelemente errnoglich ten erstmals eine fiir das Kraftfahrzeug taugliche Elektronik. Man begann nun wieder Ideen zu sammeln und neben der Ziindung auch weitere bisher mechanischen bzw. elektromechanischen Losungen vorbehaltene Gebiete zu erschlieBen. Diese Aktivitaten sind zunachst wieder in Patentschriften zu tinden. Bis zu marktfiihigen Prod uk ten soUte namlich noch ein Jahrzehnt und mehr intensiver Entwicklung vergehen, galt es doch altbewahrte und fertigungstech nisch ausgereifte Systeme zu ergiinzen, bzw. abzulosen. 1.1.1 Ziindsysteme Die ersten Ziindsysteme mit Transistoren sind in US-Patentschriften vom Januar [1.13] und Februar [1.14] 1953 zu tinden. Wie den in Abb. 1.2 wieder- .. Abb. 1.1. Elektronisches Ziindsystem bestehend aus einem riickgekoppelten Rohrengenerator mit einer Hochvakuum-Triode und einer ruhenden Hochspannungsverteilung mit 18 in einem Kolben integrierten Hochvakuum-Trioden (Bosch, Januar 1920)
The list of books you might like
