NXP MC33813：单缸小型发动机控制IC的卓越之选

在小型发动机控制领域，NXP的MC33813可谓是一颗耀眼的明星。作为一名资深电子工程师，我一直关注着各类电子元件的性能与应用，今天就来和大家深入探讨一下这款出色的单缸小型发动机控制IC。

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一、产品概述

MC33813由NXP采用SMARTMOS技术打造而成，为单缸发动机管理提供了成本优化的IC解决方案。它集成了五个驱动器、两个预驱动器、一个为MCU供电的5.0V稳压器、一个受保护的外部传感器电源，高度集成的设计使其能完美契合当代市场需求。其创新的VRS系统在启动条件下优化了抗噪性能，所有输出的诊断和保护功能则确保了应用操作的更高安全性。

二、产品特性剖析

（一）电气特性

1. 电源电压范围：MC33813可在4.5V < VPWR < 36V的电源电压范围内稳定工作，这为其在不同电源环境下的应用提供了广泛的可能性。
2. 电源供应：MCU的电源供应VCC为5.0V（±2.0%，200mA）的稳压输出，能为MCU提供稳定的电源。传感器电源VPROT（100mA）是跟踪VCC的受保护传感器电源，有效保障了传感器的稳定运行。
3. 驱动器特性
   • 预驱动器：两个可配置的预驱动器用于IGBT或通用栅极MOSFET，适用于点火和O₂传感器（HEGO）加热器。具备PWM功能和过流关断保护，还能在短路到电池时自动关断，大大提高了系统的安全性。
   • 低侧驱动器：五个低侧驱动器具备全面的诊断、自保护和PWM控制功能。不同的驱动器具有不同的参数，如燃油喷射器驱动器的RDS(on)=0.6Ω，ILIMIT = 1.8A，可驱动典型的12V高阻抗喷油器；继电器1驱动器的RDS(on)=0.4Ω，ILIMIT = 3.0A，用于驱动燃油泵等。

（二）其他特性

1. VRS调节电路：创新的可配置VRS调节电路，针对发动机启动和运行模式有两种不同的参数设置，还有可选的自动模式，有效提高了启动条件下的抗噪能力。
2. 通信接口：支持K线（ISO9141）通信协议，方便与其他设备进行通信。还具备MCU复位发生器和可编程看门狗，以及16位SPI和5.0V IO能力的并行接口，为系统的控制和监测提供了便利。

三、产品应用领域

MC33813的应用领域十分广泛，涵盖了小型发动机控制的多个方面，如小型摩托车、踏板车、割草机、割灌机、吹雪机、链锯、汽油发电机和舷外发动机等。其强大的功能和稳定的性能使其成为这些设备中发动机控制的理想选择。

四、产品详细解析

（一）引脚连接与定义

MC33813的引脚连接和定义非常关键，不同的引脚具有不同的功能。例如，O2HFB引脚用于O₂传感器加热器反馈输入，IGNSENSP和IGNSENSN引脚用于点火电流检测输入等。详细了解这些引脚的功能，有助于我们正确地使用该IC。

（二）电气特性参数

1. 最大额定值：文档中详细列出了各种电气参数的最大额定值，如电源电压、电流、温度等。在设计电路时，我们必须确保各项参数不超过这些额定值，以避免设备损坏。
2. 静态和动态电气特性：静态电气特性包括电源输入静态电气特性、电压预调节器输出特性、电压调节器输出特性等。动态电气特性则涉及到电源输入、看门狗定时器、VRS调节输入、ISO9141收发器和所有低侧驱动器等方面的时间参数。这些特性参数为我们设计电路的稳定性和可靠性提供了重要依据。

（三）功能描述与应用信息

1. 系统控制器：KEYSW输入引脚用于接收车辆点火钥匙开关的信号，BATSW输出引脚默认指示KEYSW输入的状态。通过SPI控制寄存器中的PWREN位，可实现“准备关机”状态的转换。MC33813具有多种工作模式，如电源开启复位（POR）、正常状态、睡眠状态和准备关机状态等。
2. 看门狗：看门狗是一个可编程定时器，用于监测MCU的运行。MCU需要定期向看门狗SPI控制寄存器发送SPI消息以刷新看门狗，若在设定的时间间隔内未刷新，看门狗将发出RESETB脉冲，使MCU重新启动。
3. 系统复位：RESETB输出引脚用于复位MCU，当出现看门狗定时器超时、VCC欠压、VPWR过压或电源开启复位等情况时，会产生复位脉冲。
4. 电源供应：VPWR引脚为IC提供主电源，VPPREF输出引脚用于驱动外部调节器PNP晶体管的基极，VPPSENS输入引脚用于监测VPP预调节器的输出电压。VCC输出为MCU和其他板载外设提供5.0V电源，VPROT输出是跟踪VCC的受保护5.0V电源。
5. 驱动器模块
   • 引脚描述：INJIN1、RIN1和RIN2等引脚用于控制相应的驱动器输出，如INJOUT1、ROUT1和ROUT2等。
   • 通用功能：六个开漏低侧驱动器可控制各种汽车负载，具备多种保护功能，如开路检测、短路保护、过流保护和过热保护等。还可以进行脉冲宽度调制（PWM），以实现不同的控制需求。
   • 特殊功能：LAMPOUT驱动器可驱动白炽灯或LED，TACHOUT引脚可用于驱动转速表或作为低电流、SPI控制的低侧驱动器。ROUT2可用于驱动电源继电器，并且可以通过设置相关寄存器来保持在KEYSW关闭后仍然开启。
6. 预驱动器：IGNOUT1和O2HOUT两个预驱动器可配置为点火（IGBT）预驱动器或通用栅极驱动器（GPGD），具备开路检测和PWM功能。通过外部引脚输入和/或SPI开关控制位来控制输出，可进行逻辑组合设置。
7. VRS电路
   • 引脚描述：VRSP和VRSN引脚构成可变磁阻传感器的差分输入，VRSOUT引脚是VRS电路的输出。
   • 功能描述：VRS电路采用差分输入，对曲轴上齿圈的输入信号进行处理和数字化，为MCU提供角度时钟和RPM数据。通过SPI可设置多个比较器阈值，适应不同的传感器和发动机转速范围。还具备可编程单脉冲、噪声消除电路和峰值检测功能。
   • 工作模式：有手动和自动两种模式，可根据实际需求进行选择。在自动模式下，VRS系统在启动条件下对噪声的敏感度较低，可自动选择合适的比较器阈值。
8. ISO9141总线：通过MTX、MRX和ISO9141三个引脚提供ISO9141 K线通信链路，支持系统诊断。该系统具有过热保护和故障位报告功能。
9. SPI接口
   • 引脚描述：SCLK、CSB、SI和SO引脚用于SPI通信。SCLK为串行时钟，CSB为片选信号，SI用于串行指令数据输入，SO用于输出状态信息。
   • MCU接口描述：MC33813通过16位串行外设接口（SPI）协议直接与5.0V微控制器单元（MCU）接口，SPI串行时钟频率最高可达8.0MHz。
   • 寄存器定义：SPI寄存器包括配置寄存器、控制寄存器和状态寄存器，用于设置操作模式、控制输出和报告故障等。
   • 命令总结：MCU可通过SPI发送七种命令，包括SPI检查、读取和写入配置寄存器、读取和写入状态寄存器以及读取和写入控制寄存器等。

五、典型应用注意事项

（一）输出OFF开路故障

在输出关闭时，通过比较特定MOSFET输出的漏源电压与内部生成的参考电压来检测开路故障。为防止在输出切换时出现误报，内置了100 - 450µs的故障滤波器。

（二）低电压操作

在6.5V < VPWR < 9.0V的低电压条件下，器件仍可按命令字操作，但参数表可能超出规格范围，SO引脚报告的状态也不能保证。

（三）低侧喷油器驱动器电压钳位

每个喷油器输出都集成了内部电压钳位，可提供快速关断和瞬态保护。在125°C结温下，每个输出的最大钳位能量为100mJ。

（四）反向电池保护

MC33813需要在VPWR引脚上提供外部反向电池保护。在反向电池条件下，负载设备会通过功率MOSFET的衬底二极管导通。若需要负载反向电池保护，应在负载上串联一个二极管。

六、总结与展望

NXP的MC33813以其高度集成、功能强大、性能稳定等特点，为单缸小型发动机控制提供了优秀的解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和场景，合理设计电路，充分发挥其各项功能。同时，随着技术的不断发展，我们也期待NXP能推出更多性能更优、功能更强的产品，为电子工程师们带来更多的选择和便利。

各位电子工程师们，你们在使用MC33813的过程中有什么独特的经验或遇到过什么问题吗？欢迎在评论区分享交流！