基于MC33PT2001 的高压共轨柴油机喷油器驱动模块开发

曾正祥，彭海勇，缪雪龙

（201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院）

0 引言

随着社会的高速发展，全球的汽车保有量显著增加，环境污染和能源危机问题恶化显著[1]。世界各国都开始制定汽车节能减排与新能源汽车的技术路线，作为传统动力的内燃机，更清洁的排放，更高效的燃烧和更好的经济性是未来发展趋势[2]。柴油机喷油系统的灵活性和可靠程度对降低CO2、颗粒物和NOX的排放有着重要作用。

喷油器通过稳定、可靠、即时的驱动电路保证喷油控制精度和响应速度，喷油器的控制方式和电路设计一直是高效内燃机的研究重点[3-10]。有关研究中，无锡油泵油嘴研究所谢宏斌[7]等通过优化Boost 升压电路降低硬件能耗，减少PCB 板面积，保证多次喷射电流的稳定性；天津大学刘二喜[8]等对可变续流的驱动方式进行研究，发现与单一续流相比，喷油器的控制精度更高，驱动能耗更低，主要是从优化驱动方式的角度来改善喷油效果；哈尔滨工程大学的苟金[9]利用可编程的MC338 芯片设计喷油控制系统，但研究主要侧重软件驱动，其升压电路和电流采样的硬件设计思路模糊，没有发挥可编程芯片的优势。

本文选用恩智浦的最新一代可编程电磁阀驱动芯片MC33PT2001，该芯片有7 个低边MOSFET预驱动器和5 个外部MOSFE 高边侧预驱动器[11]，可以有效实现可变电流燃油喷射，从而提高燃油喷射的精准性和灵活性，降低系统能耗。

1 基于PT2001 的喷油器驱动方案

1.1 PT2001 的组成架构

MC33PT2001 是飞思卡尔半导体公司开发的一款可编程门驱动集成电路芯片，集成了故障诊断模块、喷射监控模块以及喷射结束反馈模块。PT2001可分为供电部分、升压部分、喷油器驱动部分、电流反馈检测部分、SPI 和GPIO 通信以及芯片内部逻辑通道6 个部分[11]，包含5 个高边预驱动器（HS）和7 个低边预驱动器（LS），且每个HS 和高压DC/DC 转换器一样，都配备独立的电荷泵输出。PT2001 有2 个相同的逻辑通道，包含4 个独立的微核（uCore）。这些微核可以快速地控制功率MOSFET，准确地和MCU 通讯，及时完成栅极驱动、电路诊断以及防止程序跑飞。每个逻辑通道都有1 024×16 bit 的Code RAM 和64× 16 bit 的Data RAM，给芯片频繁的数据读写提供硬件基础。PT2001 可输入电源电压5～32 V,预驱动器电压运行阈值可达72 V，高边和低边驱动器可识别100 kHz的PWM 脉宽，拥有8 个可选择的预定义VDS 监控阈值，集成1.0 MHz 备份时钟，同时提供微码保护加密，控制原理图如图1 所示。

1.2 驱动模块整体方案

本文燃油喷射系统的喷油驱动电路采用经典的Peak&Hold 模式[12]，通过设计优良的电磁阀硬件驱动电路和软件程序来实现精准的喷油。燃油喷射控制闭环主要分为MCU 控制单元、PT2001 硬件电路和软件驱动程序3 大部分。整体的控制方案是MCU 通过GPIO 向PT2001的STARTx 引脚发送触发信号，通过PWM 向PT2001 传递时钟源，以保证PT2001 的时效性和准确性，再通过SPI 通信，把生成的程序代码导入PT2001 的Data RAM 和Code RAM 中。从 而保证了软件可以嵌入到硬件里，喷油参数可设置定义，电流波形可控，喷油时刻精准。整体的驱动方案如图2 所示。

2 喷油器驱动电路设计

2.1 喷油电磁阀驱动方式的选择

喷油器电磁阀经典的驱动方式主要有高边驱动、低边驱动和半桥驱动3 种[13]。典型的高边驱动如图3 所示，主要特点是功率开关元件置于负载的上部，电势相对更高。当VGS为高电平时，NMOS 管导通，电流经过负载，喷油器控制电磁阀打开，实现燃油喷射。当VGS为低电平时，NMOS 管断开，电路断路，喷油器不工作。低边驱动如图4 所示。其与高边驱动相比，功率负载与功率开关位置相反，功率负载端的电势更高。由于低边驱动电路的场效应管的开关频率较高，所以平均电流采用高频信号控制，进而实现控制输出功率。半桥驱动是一种高边驱动和低边驱动相结合的驱动方式。如图5 所示，喷油器电磁阀一端连着高边驱动电路的源极，另一端连着低边驱动场效应管的漏极。芯片通过2 个NMOS 管的通断来控制喷油器电磁阀的开启和关闭。由于半桥驱动可以提高喷油器的安全系数，性能更稳定，控制更灵活，所以本文电磁阀选用半桥式开发设计驱动电路。

2.2 BOOST 升压电路设计

BOOST 升压电路的主要作用是喷油器开始喷油时，驱动电路能够瞬时产生大电流，从而控制电磁阀迅速开启。为保证升压电路的精确性和稳定性，升压电路原理如图6 所示。本文升压电路的触发信号由PWM 传递，以N 沟MOS 管作为开关。当PWM 波输入高电平时，NMOS 管导通，此时NMOS 管相当导线，二极管反向截止，电源直接对电感L 充电；当PWM 是低电平时，NMOS管断开，电感的电流反向，电磁能转化为电能，生成高电压给电容和负载供电，升压过程结束。

MC33PT2001设置独立低边预驱动器（G_LS7）作为BOOST 升压模块，其可承受高达100 kHz 的PWM 脉宽。芯片内部的栅极和源极之间设有下拉电阻，VCCP 给低边预驱动器供电。本升压电路在VBOOST 引脚旁放置电容，实现对信号滤波处理，在C_LS7 信号输入端设有保护电阻R1，在升压电路高压端设有电容和电感，实现保护电路。MC33PT2001 通过VSENSEP4 和VSENSEN4 对电阻Rx 采样，实现电流检测。通过电流检测值与参数设定阈值对比，判定MOS 管的开闭，从而电路实现同步阶段和异步阶段交替升压的方式。根据以上电路的升压原理和PT2001 芯片的特点，本文设计了如图7 所示的升压电路。

2.3 电磁阀驱动电路设计

本喷油驱动电路采用Peak&Hold 的驱动方式，电磁阀开启前迅速到达峰值电流Ipeak；开启后，以较小的电流Ihold维持电磁阀开启状态[13]。喷油器驱动电路需要满足喷油器在升压阶段、峰值阶段、高低压过渡阶段、保持阶段以及喷油停止阶段正常工作[6]。本设计采用高边驱动和低边驱动相结合的方式来实现喷油器的瞬时喷油和快速泄流。

本文变压器的24 V 电压给VBATT引脚供电，VCCIO用于给I/O 口供电，VCCP 稳压器供电后在引脚上设置一个电容器。当控制电路给Start 引脚高电平时，升压电路开始工作，PT2001 分别给芯片引脚G_HS 和G_LS 端发送控制信号。当G_HS 接收到控制信号时，电路产生高电流，电磁阀快速打开，当芯片引脚B_HS 接收到控制信号时，电路以低压维持电磁阀开启状态[11]。芯片引脚G_LS1 和G_LS2 控制MOS 管栅极的开闭，控制低边驱动电路，负责发动机的机选缸。芯片引脚S_HS1 和S_HS2 分别对MOS 管源极电压监测，如果发生欠压，则关闭外部MOSFET，通过芯片引脚VSENSEP1 和VSENSEN1 对电阻R5 采样，实现电流检测，具体电路设计如图8。

3 驱动模块软件设计

3.1 MC33PT2001 驱动程序设计流程

通过MC33PT2001 匹配的PT2001 Dev Studio软件设计喷油驱动模块的软件部分。首先根据PT2001 说明手册设置系统频率，之后在PT2001 Dev Studio 软件完成配置寄存器、使能flash 和Drive 等操作。初始化工作结束后，根据喷油系统需要实现的功能，分别设计电路的升压程序和电磁阀的驱动程序。在DV Studio 软件可直接在IDE Install Program 配置窗口更改喷油参数，在DRAM窗口直接配置升压电压阈值以及各阶段的电流时间，最后可以通过编译直接生成PT2001_irq.c 和PT2001_irq.h 文件代码，极大节省了开发和调试时间。具体设计流程如图9 所示。

3.2 BOOST 升压电路驱动程序

基于BOOST 升压电路的基本原理，通过异步阶段和同步阶段相结合的方式实现稳定升压，达到期望电压值。在异步阶段，当G_LS7 输出PWM 信号时，MOSFET 导通，Vboost电压值开始上升；而当电压值上升到电压阈值上限Vboost_High 时，升压方式转为同步阶段。在同步阶段，G_LS7 不再输出PWM 波信号，Vboost电压开始下降，当电压值减少到电压阈值下限Vboost_low 时，电路升压结束。Boost 升压电路的控制就是通过检测电流大小是否超过阈值，当超过阈值时将触发程序控制电流调节环路和电压调节环路，对电流闭环控制。在 BOOST 电路的升压过程中，ISENSE4 的上限和下限阈值与Vboost的上限和下限阈值的设置最为重要，这些参数都可以在PT2001 Dev Studio IDE 处直接设置。BOOST 升压电路具体程序控制流程图如图10 所示。

3.3 电磁阀驱动程序

电磁阀驱动电路的驱动程序需要嵌入到喷油工作的整个过程，程序的逻辑功能需要保证电磁阀在喷油的各个阶段都能正常工作。在升压阶段，低边预驱动器G_LS7 与连接Vboost的高边预驱动器同时导通，电流快速上升。当电流达到升压电流阈值Iboost时，高边预驱动器关闭，电流转入峰值阶段[14]，此时连接Vbat电压的高边预驱动器导通，电流增长到峰值电流Ipeak；当芯片检测到电流是Ipeak时，高边驱动器开始交替开和关，电流稳定上下波动。当芯片内部计数器达到最终值（tpeak_tot）时电流进入高低压过渡阶段，即低边和高边驱动器都不导通，电流逐渐减小，二极管接地；当电路减小到维持电流Ihold的最低阈值时进入到保持阶段，低边和VBAT高边预驱动器同时打开，电流达到Ihold峰值，高边预驱动器开和关交替进行，直到STARTx 引脚检测到下降沿，一个喷油周期结束。

利用PT2001 可编程的优点，通过PT2001 Dev Studio IDE 设置升压电流Iboost，峰值电流Ipeak，保持电流值Ihold，峰值阶段的保持时间tpeak_tot，保持阶段的保持时间thold_tot等关键参数，编译即可生成程序代码，从而实现整个软件程序灵活设置。具体控制流程如图11 所示。

4 试验分析

4.1 试验方案

为了验证上述设计电路和程序软件的稳定性和可靠性，突出MC33PT2001 可编程芯片的强大处理能力，分别对 BOOST 升压驱动和电磁阀喷油驱动进行电流分段测试。首先接24V 电源上电，S32K144EVB—Q100 与MC33PT2001 PCB 板连接，电磁阀与所有硬件形成电流闭环；然后在PT2001 Developer Studio 软件设置喷油器参数，自动生成二进制代码文件，把PT2001 Load Data Code 生成的PT2001_irq.c 文件和PT2001_irq.h 文件进行编译，再通过SPI Gen 通讯将文件导入PT2001 芯片；最后通过示波器和万用电表测试实时电流数据。根据电流数据和电磁阀的响应分析驱动模块的可靠性和稳定性，从而保证燃油喷射质量。

图12 是试验PT2001_LoadData.h 部分代码示例。

4.2 Boost 升压驱动试验分析

由于PT2001 对于电路电压调节灵活，所以升压驱动验证分别设置Vboost为40，60，80 V 进行分段验证，每次测试设置相同的Iboost、Ipeak、Ihold值，通 过示波器观察升压后的电压值Vboost是否能够达到设定值并保持稳定。经过测试，各阶段采样测试的电压值都符合升压的要求。本文展示Vboost设为80 V 的测试结果，比较具有代表性。图13 所示，电压测试值与0 V 基准线上下高度接近8 个单元，单个单元格代表10 V 压差，故实际电压在80 V 左右，符合Vboost初始设置值，图中电压可以达到预设要求且保持稳定，验证了本升压模块稳定可靠。

4.3 电磁阀喷油驱动试验分析

通 过SPI 通 信，把不同参数生成的代码导入PT2001，测试电磁阀的Peak&_Hold 电流波形图。图14 是 设 置Vboost=60 V，Iboost=16 A，Ipeak=8 A，Ihold=6 A时的喷油器驱动电路测试波形图。采样电阻为15 mΩ，根据欧姆定律，从图14 可以看出，电磁阀升压最大电流约16 A，升压电流上升的时间在100 μs 以内。电磁阀的峰值电流约8 A，峰值电流的保持时间约1 ms。电磁阀的保持电流约6 A，其持续时间5 ms。最后电磁阀电流在100 μs以内实现快速泄流，电磁阀迅速关闭，一个喷油周期结束。试验证明了电磁驱动电路可以稳定可靠地工作，电磁阀电路可以实现瞬时升压和快速泄流。

5 结语

本文基于恩智浦新一代可编程汽车芯片MC33PT2001 开发了柴油机燃油喷射系统的电磁阀驱动模块。驱动模块充分利用控制芯片PT2001 片的内置双通道，可编程，拥有7 个低边MOSFET预驱动器和5 个外部MOSFE 高边预驱动器的优点，实现喷油器电磁阀的可瞬时开启，快速泄流，实现电流电压软件可调。通过试验验证，驱动时电路的电流波型稳定，试验数值可以准确吻合软件的参数设置，达到预期要求，燃油喷射的时间设定更灵活，控制可以更加精准并且可在线测试。在总结前人硬件电路和驱动程序的设计基础上，整个喷油驱动模块的设计过程和设计方法上充分考虑了新一代控制芯片的特性，设计思路为业内设计研究者提供一定的参考。