汽車點火模塊功能及技術(shù)性能

1、汽車點火模塊功能及技術(shù)性能1汽車點火模塊簡介 控制汽車點火線圈工作的點火控制器俗稱點火模塊（下同），點火線圈按發(fā)動機管理系統(tǒng)ECU的指令，在指定的時刻、對應(yīng)的工況所需能量而點火。有的點火模塊還提供給ECU反饋信號，供ECU判斷點火線圈工作是否正常，還有的反饋信號供ECU計算下一個導(dǎo)通脈沖寬度。 點火模塊實際是一個功率電子開關(guān)，控制點火的信號為方波或磁脈沖信號，輸送到點火模塊的信號輸入端，通過整形來驅(qū)動功率電子開關(guān)。用脈寬來控制功率電子開關(guān)的導(dǎo)通時間，導(dǎo)通后，點火線圈電流近似指數(shù)特性上升，導(dǎo)通時間長，斷電電流就大，以此來控制線圈的點火能量，用脈沖信號的后沿時刻控制功率電子開關(guān)的關(guān)斷時刻，即控制點

2、火時刻。 用于分電器點火系統(tǒng)的早期點火模塊帶有轉(zhuǎn)速閉合角調(diào)整電路。這是因為由分電器輸入的控制信號脈寬隨發(fā)動機的轉(zhuǎn)速增加而減小。為了保證高低速點火能量基本一致，模塊的閉合角調(diào)整由低速30%至高速70%隨發(fā)動機的轉(zhuǎn)速增加而增加，通過模塊電路自動調(diào)整。如用ST公司的IC“L497D”組成的厚膜混合集成電路就是這類電路的典型代表?，F(xiàn)代發(fā)動機點火線圈控制信號由ECU產(chǎn)生，完全靠ECU控制脈沖信號的寬度和點火時刻。因此，點火模塊不再帶有閉合角調(diào)整電路。 點火模塊與點火線圈組合有兩種類型：一類是點火模塊與ECU集成在一起，控制點火線圈點火的功率部件在ECU上，點火線圈上無點火模塊；另一類是點火模塊與點火線圈

3、組合在一起，有一體式和分體式兩種形式，ECU只給控制信號。下面討論的是后一類點火線圈的點火模塊，其工作原理框圖如圖1所示。2點火模塊主要性能要求2.1點火模塊使用條件 1)工作溫度點火線圈工作溫度取決于安裝位置。直接裝在發(fā)動機上的點火線圈溫度較高，有的點火線圈安裝處的溫度達(dá)110，加上工作時的發(fā)熱，溫度還會升高。點火模塊的實際溫度應(yīng)低于晶體管的結(jié)溫。點火模塊的使用環(huán)境溫度定為-40+125。 2）工作頻率點火模塊的工作頻率取決于發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和線圈的配置。點火頻率=發(fā)動機轉(zhuǎn)速×缸數(shù)60×2。對最高轉(zhuǎn)速6 000 rmin，4缸機，只有一個點火線圈的點火系統(tǒng)（如帶分電器的發(fā)動機

4、），點火模塊的最高工作頻率為200 Hz，如每缸獨立點火，點火模塊最高工作頻率為50 Hz。點火模塊允許的工作頻率應(yīng)高于最高工作頻率。 3）工作電壓范圍考慮到發(fā)動機上的電壓波動及低溫起動，點火模塊工作電壓一般定為616 V。2.2靜態(tài)電流 靜態(tài)電流是在無控制信號輸入時，點火模塊電路消耗的電流。有的發(fā)動機OBD檢測系統(tǒng)要檢測點火模塊靜態(tài)電流，如果此值超過規(guī)定的數(shù)值，就判定點火模塊不能截止，點火系統(tǒng)工作不正常而報警。2.3控制信號 ECU產(chǎn)生的點火模塊控制信號為脈沖方波，根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、水溫、電壓和各種傳感器信號來控制輸入信號的脈寬和時刻。如當(dāng)水溫低、蓄電池電壓低（冷起動）時，初級導(dǎo)通時間必須加

5、長，才能達(dá)到點火所需要的斷電電流。這時ECU控制信號的脈寬就自動加寬，以保證發(fā)動機冷起動時有足夠的點火能量。就筆者掌握的資料，輸入有3種方式：電流輸入型、電壓輸入型、OC門電路（集電極開路）輸入型。電流輸入型輸入電流值，不同的廠家定義不同，如某廠家輸入電流為1022 mA，在ECU中用恒流源供給輸入電流。如果輸入電流達(dá)不到額定值，模塊輸出的斷電電流也達(dá)不到額定值。 OC門電路（集電極開路）輸入型，在ECU中有如圖2所示的等效電路同點火模塊的輸入信號端相連。OC門電路用做電平轉(zhuǎn)換，或做驅(qū)動器。由于OC門電路的輸出管的集電極懸空，使用時，在點火模塊中接一個上拉電阻Rp到電源VB供電，控制點火模塊導(dǎo)

6、通和截止。小紅旗汽車的點火線圈上的模塊是這類模塊的典型代表。 點火模塊導(dǎo)通電壓稱為上升閾值Vton，關(guān)斷電壓稱為下降閾值Vtoff。為了防止振蕩和提高抗干擾能力，Vton和Vtoff不應(yīng)相等。如德爾福某型號的點火模塊規(guī)定：1.75Vton2.75；1.30Vtoff1.95，Vton與Vtoff的差值Vhyst大于0.25 V。此差值一般為輸入信號閾值的10%20%。用施密特觸發(fā)電路，可實現(xiàn)此項功能1。Vton與Vtoff值可在點火模塊信號輸入端接入三角波來進(jìn)行檢測，如圖3所示。 有的發(fā)動機對ECU接點火模塊前后的輸入信號電壓幅值的變化要進(jìn)行監(jiān)控，用OBD檢測系統(tǒng)來監(jiān)控點火系統(tǒng)工作是否正常。如

7、某型號的點火模塊輸入信號未接上時，在ECU輸出信號端電壓為5 V；接上模塊后，由ECU輸出阻抗和點火模塊輸入阻抗相匹配，此時輸出端的電壓下降。該系統(tǒng)要求，接點火模塊后，信號輸出端電壓降為34 V，OBD判定點火系統(tǒng)工作正常，如果超過此電壓值則報警。不同的廠家，此項電壓值是不同的。2.4鉗位電壓 當(dāng)點火模塊截止瞬間，線圈初級產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢加在點火模塊輸出端上（圖4，c點）的正向電壓。線圈初級產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢由c點經(jīng)過R1、R2組成的分壓電路，在K點分壓加至點火專用IC上，來控制點火模塊的鉗位電壓。調(diào)整R1、R2的分壓比，就可以調(diào)整鉗位電壓的大小。目前點火模塊用達(dá)林頓和IGBT自身都有穩(wěn)壓二極管

8、，用于保護(hù)功率管。不同的點火模塊，鉗位電壓不同，一般為370395 V，筆式點火線圈初級電感較小，鉗位電壓一般為250375 V。控制鉗位電壓是為了保護(hù)功率管，保證次級有穩(wěn)定的輸出電壓。2.5關(guān)斷延遲時間點火模塊輸入信號由高電平翻轉(zhuǎn)到低電平，點火線圈初級電壓上升到100 V時的延遲時間應(yīng)小于10s。此項取決于輸入信號的傳輸速率。2.6上升時間 點火線圈初級電流關(guān)斷時，初級電壓由100 V上升到350 V的時間，取決于功率管集電極管關(guān)斷的速度，應(yīng)小于4s。此值過高，說明功率管不良，會降低鐵心磁通的變化率，造成輸出電壓和能量降低。2.7初級電流限流值 一些點火模塊用本身的電路來限制導(dǎo)通電流，實現(xiàn)不

9、同轉(zhuǎn)速情況下等能量輸出。原理見圖4。在發(fā)射極通過R3搭鐵。點火模塊導(dǎo)通時，電流在R3上的壓降反饋到點火專用IC上，R3上的電壓降正比于導(dǎo)通電流，調(diào)整R3的阻值，改變反饋電壓，通過點火IC控制功率管的壓降，從而控制導(dǎo)通電流。另一種限流方式是用ECU控制信號的脈寬來控制斷電電流。對選定的點火線圈，初級電阻、電感就確定了。線圈的時間常數(shù)為LR（L、R分別為初級電感、電阻），決定了電流上升的速率。因此，斷電電流大小由電源電壓高低和信號脈沖寬度來確定。用這種方式可以根據(jù)電源電壓變化和不同工況要求控制點火線圈的點火能量。 有限流的點火模塊，功率管工作在放大區(qū)，控制功率管的壓降來控制斷電電流，如電源電壓14

10、 V，限流9 A，初級電阻0.5，此時管壓降=14-0.5×9=9.5 V，功率管的最大功率損耗為9.5×9=85.5 W。因此，功率的損耗大，導(dǎo)致點火模塊溫升高。而用ECU控制信號脈寬來控制斷電電流，功率管工作在飽和區(qū)，電流在9 A時，飽和壓降在2 V左右。同樣9 A，功率損耗為18 W。筆者認(rèn)為，在進(jìn)行發(fā)動機和點火線圈匹配時，應(yīng)盡可能采用后一種方式控制斷電電流。2.8飽和壓降 點火模塊的功率管飽和導(dǎo)通時的電壓降。飽和壓降與電流有關(guān)，電流越大，飽和壓降越高。點火模塊要選擇飽和壓降較小的功率管，以降低在功率管上的損耗，降低模塊的溫升。一般IGBT比達(dá)林頓三極管飽和壓降小。一

11、般來說，在電流7 A時，飽和壓降應(yīng)小于2 V。2.9停車斷電保護(hù) 靜態(tài)時，輸入端呈持續(xù)高電平，點火線圈電流延時關(guān)斷，要求關(guān)斷時次級無火花。即在關(guān)斷時，要緩慢，關(guān)斷的速率低，次級高壓小于1 kV，也就沒有火花了。點火模塊設(shè)定的停車斷電時間與電源電壓有關(guān)，電壓低時間長，反之，則時間短。此功能是防止在停車時，輸入信號高電平造成點火模塊和點火線圈燒壞。2.10模塊對ECU的反饋信號 為了使ECU檢測到模塊的工作狀態(tài)，有的點火模塊將初級工作電流的大小反饋給ECU，也有的模塊把次級點火電流反饋給ECU，也有的模塊將輸入信號的變化值反饋給ECU（前面第3項已詳述），還有的通過點火線圈工作時，在鐵心上產(chǎn)生的微

12、小的電動勢經(jīng)放大反饋給ECU。 圖5為豐田某型點火模塊反饋信號圖（CH2）。反饋端通過1 k電阻接電源，在初級電流為2.72A時，反饋端由高電平轉(zhuǎn)為低電平；在6.32 A時，反饋端由低電平轉(zhuǎn)為高電平。通過信號反饋，ECU計算最佳導(dǎo)通時間和時刻。 圖6為某車型點火模塊通過次級獨立搭鐵（經(jīng)電阻搭鐵），次級點火電流在電阻上的壓降反饋到ECU中，監(jiān)控點火線圈的工作是否正常。圖7為雷諾某型點火線圈通過鐵心感應(yīng)電動勢反饋到ECU監(jiān)控點火線圈的工作的電路原理圖。另外，為了安全可靠，點火模塊設(shè)置了輸入輸出端抗高壓脈沖保護(hù)電路，溫度補償電路，極限溫度斷電保護(hù)電路等。VWRU4點火模塊（為“一汽四環(huán)”生產(chǎn)，給大眾配套）的實測數(shù)據(jù)及波形圖見圖3、圖5、圖8圖13。3小結(jié) 點火模塊是點火系統(tǒng)的重要組成部分。對點火模塊基本性能的認(rèn)知以及掌握主機匹配的要求是點火模塊設(shè)計的依據(jù)。國內(nèi)點火模塊生產(chǎn)廠家很多，但技術(shù)水平與規(guī)模相對國際水平還有較大的差距。汽車行業(yè)主流配套市場的點火模塊為國際大廠商所控制。國內(nèi)引進(jìn)了一部分點火模塊的生產(chǎn)線，但有一些自主研發(fā)生產(chǎn)的廠家近年來發(fā)展速度相當(dāng)快，其中深圳健科電子有限公司是這些優(yōu)秀廠家之一。該公司采用厚膜混合集成電路生產(chǎn)點火模塊，有自動