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基于英飞凌TC275单片机的高压共轨柴油机电子控制单元电源模块设计

来源：画鸵萌宠网

2022年2月1日第45卷第3期

现代电子技术

ModernElectronicsTechniqueFeb.2022Vol.45No.3引用格式：靖沛，申立中，姚国仲，等.基于英飞凌TC275单片机的高压共轨柴油机电子控制单元电源模块设计[J].现代电子技术，2022，45（3）：181⁃186.

DOI：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2022.03.033

181基于英飞凌TC275单片机的高压共轨柴油机

电子控制单元电源模块设计

靖

沛，申立中，姚国仲，毛本泉

650504）

（昆明理工大学交通工程学院，云南昆明

摘

要：以英飞凌TC275为主控芯片的高压共轨柴油机电子控制单元为研究对象，通过对其电源需求进行分析，设计

了包含防反接、防浪涌、滤波和储能等模块的电源输入电路。以英飞凌TLE7368电源芯片为基础，设计了能提供给ECU各传感器、控制器和执行器所需5V、3.3V和1.3V电压的主电源电路。为实现喷油器的高低边驱动，使用英飞凌TLE4284和意法半导体L9781芯片设计了预驱栅极电源电路和喷油驱动电源电路。为验证所设计电源电路的正确性，对各个电源模块在发动机转速为怠速、1000r/min、2000r/min和3000r/min的情况下输出的电压值进行测量，包括24V蓄电池电压、48V的喷油驱动电压、微控制器所需的5V、3.3V和1.3V电压，得到相应的测试波形。测得发动机在不同转速下各电源模块电压的波动幅度较小，结果表明该电源模块基本能满足ECU正常工作需求。

关键词：高压共轨柴油机；电子控制单元；TC275；TLE7368；防反接；防浪涌；预驱栅极电源；喷油驱动电源中图分类号：TN702⁃34；U464

文献标识码：A

文章编号：1004⁃373X（2022）03⁃0181⁃06

Designofhigh⁃pressurecommon⁃raildieselengine′electroniccontrolunitpowersupplymodulebasedonInfineonTC275microcontroller

（FacultyofTransportationEngineering，KunmingUniversityofScienceandTechnology，Kunming650504，China）

JINGPei，SHENLizhong，YAOGuozhong，MAOBenquan

Abstract：Ahigh⁃voltagecommon⁃raildieselengineelectroniccontrolunit（ECU）withInfineonTC275asthemaincontrolchipisstudied.ByanalyzingthepowerdemandoftheECU，thepowerinputcircuitsforanti⁃reverseconnection，anti⁃surge，filteringandenergystoragemodulesaredesigned.Themainpowersupplycircuitwhichcanprovidevoltageof5V，3.3Vand1.3Vtoeachsensor，controllerandactuatorofECUisdesignedbasedonInfineonTLE7368powerchip.Torealizethehigh⁃andlow⁃sidedrivingofthefuelinjector，thepre⁃drivegatepowersupplycircuitandthefuelinjectiondrivingpowersupplycircuitaredesignedbyInfineonTLE4284andSTMicroelectronicsL9781chips.Toverifythecorrectnessofthedesignedpower

supplycircuits，theoutputvoltageofeachpowersupplymoduleatidlespeed，1000r/min，2000r/minand3000r/minismeasured，includingaccumulatorvoltageof24V，fuelinjectiondrivevoltageof48V，thevoltageof5V，3.3Vand1.3Vrequiredbythemicrocontrollertoobtainthecorrespondingtestwaveform.Thetestshowsthatthevoltagefluctuationofeachpowermoduleatdifferentenginespeedsissmall，sothepowermodulecanbasicallymeetthenormalworkingrequirementsofECU.drivegatepowersupply；fuelinjectiondrivepowersupply

Keywords：high⁃pressurecommon⁃raildieselengine；ECU；TC275；TLE7368；anti⁃reverseconnection；anti⁃surge；pre⁃

0引言

统的基础，也是高压共轨系统能够连续可靠运行的重要硬件部件之一。一个良好的电源模块设计是整个电控系统稳定运行的前提，电源的好坏直接影响系统的可靠性。电源为整个系统提供能量，具有极其重要的地位。电源的设计需要考虑的因素包括输出的电压、电流，安全性，电磁兼容和电磁干扰，功耗和成本等。本文根据电子控制单元（ECU）的功能需求选择了TLE7368和

柴油发动机高压共轨技术诞生于20世纪90年代，是目前主流的柴油机电控技术。而电源模块是电控系

收稿日期：2021⁃08⁃18修回日期：2021⁃09⁃08

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51666005）

现代电子技术

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电池。系统中的部分传感器需要外接电源进行供电，如轨压传感器、加速踏板传感器、大气压力传感器、温度传感器等都需要5V的电压供电[4]。而执行器负载普遍较大，无法直接被单片机的控制信号驱动，所以还需要外部电源为其提供能量[5]，如喷油器需要24V、48V的高电压驱动，燃油计量单元、预热塞和VNT/EGR/ETC等需要24V电压供电。

喷油驱动芯片L9781同时需要3.3V、5V和12V的电压供电，而ECU中的一些其他功率芯片需要3.3V、5V、12V和24V的电压进行供电。单片机需要的电压为压调节器（EVR）自己产生3.3V和1.3V的电压，但单片5V、3.3V和1.3V，TC275可以通过其内部的嵌入式电机对于输入电源的稳定性要求比较高。因此，高压共轨柴油机ECU所需的电压包括：1.3V、3.3V、5V、12V、24V和48V。ECU的电源电路方案将根据以上需求进行设计，可分为电源输入电路、主电源电路、预驱栅极电源电路、喷油电源电路。2.1

电源输入电路的设计过程中，主要考虑电源的防反防反接保护电路的设计常利用二极管、PMOS管和NMOS管等元器件实现[6]。二极管防反接电路主要根据二极管的单向导通性进行设计，可以直接使用一个二极前者电路简单，但是在电路电流较大时，由于二极管相对较大的压降会产生较大的热功率；后者在电源无论是正接、反接的情况下都不会烧坏元器件，但是热功率是前者的两倍。MOS管的内阻一般只有毫欧级，将其与被保护电路进行串联，通过控制MOS管的开断实现防反接的功能，能够避免使用二极管造成的能耗问题。

电路在电池突然故障或是遭受静电的情况下，会产生巨大的瞬态电流和高压脉冲，能够轻易地烧毁电路，因此电源电路中需要设计浪涌保护电路。浪涌保护电路主要通过使用瞬态抑制二极管（TVS）实现。当TVS两端的电压大于它的击穿电压时，TVS迅速导通，并将其两端的电压钳至一个较低的水平，以防止在抛负载或是遭遇雷电时产生的瞬时脉冲对电路造成损坏，从而起到浪涌保护的作用[7]。

PMOS作为开关，当T15闭合后，PMOS导通，ECU开始关断，ECU停止工作。

电源在输入ECU的过程中由于外界干扰或电源的自身因素，可能会产生纹波，因此需要用电容对电源进

ECU上电时需要闭合T15开关，上电模块采用一个管接入电路中，也可以用二极管搭建桥式防反接电路。

电源输入电路

1.1

芯片介绍

AURIXTMTC275是英飞凌公司专为满足要求最高的AURIXTMTC275

嵌入式系统应用需求而设计的三核32位微控制器[1]。TC275单片机拥有丰富的硬件资源接口、多种通用的外断功能，包括：

需求，且引脚的复用功能大幅增强，引脚资源的分配更加灵活；

理（时钟、电源、存储等）、安全管理等通用的外设资源，通过系统外围总线SPB和本地内存总线SRI与CPU连接；

高了3倍，RAMFLASH容量也得到大幅提升；

3）TC275的主频达到了200MHz，浮点运算性能提4）GTM集成了滤波、同步、插齿、速度测量和复杂2）TC275提供了通信、信号输入输出管理、系统管1）176个引脚能满足当前汽车电子日益复杂化的设资源、强大的计算能力、精准的控制和全面的安全诊

波形合成功能，DSADC自带带通滤波器，转换频率更帮助。1.2

接保护、浪涌保护、滤波等方面。

快，给缸压反馈、喷油电流闭环功能的实现提供了极大

TLE7368

电池的汽车动力传动系统而生产的一种多功能微控制器电源管理芯片[2]。该芯片的电压输入范围为4.5~45V，其级联了一个带线性调节器和电压跟随器的降压转化器，可以先通过BUCK转换模块输出5.5V电压，再通过LDO模块可输出5V、3.3V或1.5V/1.2V/1.3V的电序供给控制和看门狗功能。1.3

意法半导体公司的L9781芯片作为一款专业的喷L9781

压。该芯片具有过温保护、过流保护、欠压检测、电源顺

TLE7368是英飞凌公司专门为使用标准12V电压

油芯片[3]，能够驱动11个外部N沟道逻辑电平MOSFET，通过peak&hold电流和DC/DC升压变换器能够控制5个感应负载。L9781内部集成的BOOST升压电路可以将24V的蓄电池电压升至48V的高电压，以此满足喷油器的驱动需求。其内部的DC/DC升压电路包括低侧推挽型N沟道MOSFET预驱动器、用于反馈控制的电流检测模块、用于VTANK电压检测的带有迟滞的电压比较器。

工作。当需要下电时，单片机提供一个下电信号，PMOS

2基于TC275的ECU电源电路设计

在高压共轨柴油机系统中，供电电源为24V的蓄

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行滤波、储能[7]。

综合以上分析，设计的电源输入电路如图1所示。

号输入的量程范围，因而TC275有以下三种常见的电源供给方案[8]：由EVR产生；EVR13产生；

1）单片机外部使用5V单电源供电，3.3V和1.3V2）单片机外部使用5V和3.3V电源供电，1.3V由3）所有电源均采用外部供电，EVR禁用。

方案1）的优点在于减少了外部供电电源的数量，相对简化了电路，但是因为两种EVR的使用使得单片机的功率增大，存在散热方面的问题。方案2）相对于

图1ECU电源输入电路

方案1）少使用了一个EVR33，单片机的功耗相对较低，但是因此外部需要提供两种电源，外部供电时要更加注意电压误差的控制。方案3）中单片机功耗虽然最低，但是因为需要外部提供三种电源，对于电压误差的控制较为严苛。因此经过对比，参考了TC275的用户手册后决定采用TLE7368芯片使用方案2）的供电方式，设计了如图2所示的主电源电路。

2.2

或3.3V）供电。因为高压共轨柴油机ECU的外部模拟

TC275内部的EVR可实现单片机外部单电源（5V

主电源电路

信号量的电压范围绝大多数为0~5V，所以单片机中的ADC模块必须由5V的电源进行供电才能满足模拟信

图2ECU主电源电路

2.3预驱栅极电源电路

由于低边开关集成芯片和喷油芯片需要12V的电

或其他负载供电。

持输出电压稳定[9]。当输入电压高于25V时，其对于输出电流的限制会根据输入电压的大小而降低。TLE4284需要一个10μF的输出电容，该电容的等效串联电阻应该大于0.1Ω而小于10Ω，从而起到调节输出电压稳定性的作用，并且在调节器的输入端需要一个电

TLE4284需要输出的最小负载电流为5mA，以保

压，而蓄电池提供的电压为24V，因此需要对蓄电池电压进行降压处理。通过选择集成式NPN型稳压器TLE4284提供12V电源供给，该稳压器可提供高达1.0A的负载电流。TLE4284还具有防止过载、短路和过热等附加保护功能，所以它被用于在恶劣的条件下为微处理器系统

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容对输入电源进行滤波，减少输入电源的纹波，此电容可选择陶瓷电容[10]，其容值至少为100nF。设计后的原理图如图3所示。

闭阶段，当驱动电流下降至电磁阀的关闭电流后，电磁阀关闭喷油器停止喷油[11]。使用peak&hold驱动方式既实现了喷油器的快速打开，又降低了驱动电路的功耗，提高了喷油系统整体的灵活性。喷油电源模块采用L9781芯片，通过DC/DC电路实现电路升压。

图3预驱电源设计

2.4

目前高压共轨柴油机使用的喷油器均为高速电磁

喷油电源电路

图4peak&hold喷油器驱动电流波形

阀喷油器，而peak&hold电流驱动是目前最常用的驱动方式[11]，其工作原理如图4所示。peak&hold驱动采用一高一低的双电压分时驱动，主要包括三个阶段：第一阶段为peak阶段，喷油器驱动电路使用高电压（通常为（一般为18A），此时电磁阀完全开启，随后再将驱动电压换为低压（通常为24V），使电磁阀继续保持18A的电流工作一段时间，此过程中喷油器只打开还未开始喷油。第二阶段为hold阶段，在使用低压驱动后，电流回落至一个较低水平，此时喷油器开始喷油。第三阶段为关48V）驱动喷油器电磁阀，使电流迅速从0A升至最高

压器，可提供高达80V的VTANK电压（喷油高电压为48V）。可以通过两个外部电阻（RT1和RT2）设置VTANK电压的期望值。引脚VT_FB将监视DC/DC电路的工作状态。

L9781芯片内部的VTANK发生器包含一个开关稳

较器组成，RS_T为检流电阻，比较器将RS_T采集的数

L9781的电流检测模块由可编程阈值选择器和比

值与Ith_sel_T参数选择的阈值进行比较，从而对喷油脉宽和占空比进行调节，达到对喷油过程闭环控制的目的。结合以上分析设计出如图5所示的喷油驱动电源电路。

图5喷油驱动电源电路

3ECU电源模块测试及结果分析

通过对各个电源模块在发动机不同转速下的电压

值进行测量，包括24V电池电压、48V喷油电源电压、提供给单片机的5V和3.3V、提供给芯片的5V以及单片机内部EVR产生的1.3V电压，以此验证设计是否存

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在缺陷[12]。

图6为在发动机怠速时各电源模块的电压。5VA电源的毛刺范围为±0.4V；12V电源波动范围为±1V；24V电源被拉低0~2V；48V电源也将会被拉低，但由于此时发动机转速较低，电压变化范围也较小。5VB电源的毛刺范围为0.6~0.8V，3.3V电源的毛刺范围为±1V，而单片机产生的1.3V电压毛刺范围为±0.2V。

图71000r/min时各供电模块电压

图6怠速时各供电模块电压

图7为在发动机转速为1000r/min时各电源模块的电压变化。5VA电源的毛刺范围为±0.4V；12V电源波动范围为±1V；24V电源波动为0~2V；48V被拉低0~2V。5VB的毛刺范围为-0.6~0.8V，3.3V的毛刺范围为±1V，1.3V电压的毛刺范围为±0.2V。

图8为在发动机转速为2000r/min时各电源模块的电压变化，5VA电源的毛刺范围为±0.6V；12V电源被拉低0~2V；24V电源会被拉低0~3V；48V电源也将会被拉低0~4V。5VB的毛刺范围为±0.8V，3.3V的毛刺范围为±1.2V，1.3V电压的毛刺范围为±0.4V。

图9为在发动机转速为3000r/min时各电源模块的电压变化，5VA电源的毛刺范围为±0.6V；12V电源被拉低±2V；24V电源被拉低0~3V；48V电源被拉低0~4V。5VB的毛刺范围为±1V，3.3V的毛刺范围为±1.2V，1.3V电压毛刺范围为±0.4V。

图82000r/min时各供电模块电压

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4结语

本文根据基于TC275的高压共轨柴油机ECU的电源需求，设计了能够产生1.3V、3.3V、5V、12V、24V和48V的电源电路，通过发动机在不同转速下的实验测试，电源电压波形表明，随着发动机转速的上升，电路中部分电压的误差值开始增大，电路还有待完善。但该电源模块基本能满足ECU正常工作需求，本设计对高压共轨柴油机ECU电源的研究具有一定的参考价值。

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3.3V

1.3V

由图6~图9可以看出，随着发动机转速的上升，喷油器的喷油频率也会随之升高。而喷油器喷油时需要消耗大量能量，因此会导致电源电压被拉低。并且因为喷油器处于频繁的开关状态，电路中还会产生较大的电磁干扰[13]。发动机不同转速下电源受到的毛刺影响范围如表1所示，各系统电源模块工作基本正常，3.3V电压波动较大，此部分电路有待进一步改进。

表1喷油时各电源电压波动值

发动机转速

怠速

48V

24V

12V

5VA

5VB

0~2V0~2V±1V±0.4V-0.6~0.8V±1V±0.2V±1V±0.2V±1.2V±0.3V±1.2V±0.4V

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1000r/min0~2V0~3V±1V±0.4V-0.6~0.8V2000r/min0~4V0~3V±2V±0.6V3000r/min0~4V0~4V±2V±0.6V

±0.8V±1V

作者简介：靖沛（1993—），男，湖北人，硕士研究生，主要研究方向为发动机电控。

申立中（1956—），男，云南人，教授，主要研究方向为车辆动力工作过程。姚国仲（1982—），男，贵州人，讲师，主要研究方向为发动机电子控制系统。毛本泉（1994—），男，四川人，硕士，主要研究方向为发动机电控。

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