单芯片全数字交流HID安定器方案介绍

全数字单芯片交流安定器HID就是HighintensityDischarge高压气体放电灯的英文缩写，是汞、钠、金、氙灯的统称，即汞灯、钠灯、金卤灯、氙灯。其中氙灯的原理是在UV-cut抗紫外线水晶石英玻璃管内，以多种化学气体充填，其中大部份为氙气（Xenon）与碘化物等惰性气体，然后再透过增压器（Ballast）将低压（如12伏特）直流电压瞬间增压至23000伏特的电流，经过高压震幅激发石英管内的氙气电子游离，在两电极之间产生光源，这就是所谓的气体放电。而由氙气所产生的白色超强电弧光，可提高光线色温值，类似白昼的太阳光芒，HID工作时所需的电流量仅为3.5A，亮度是传统卤素灯泡的三倍，使用寿命比传统卤素灯泡长10倍。模拟控制方案面临挑战HID灯的点燃主要分为如下几个过程：高压生成，依据灯的老化状态和冷热状态，生成大约在2万伏左右的高压；高压击穿，高压把处于绝缘态的HID灯内气体击穿，灯的阻抗迅速下降；高压停止工作，这时HID灯进入恒功率调整状态；HID达到稳态后进行到稳定恒管理状态。从这些状态可以看出HID灯的控制过程比较复杂，不同厂商的HID灯特性往往不尽相同。如何使使控制HID灯的安定器与不同特性曲线的HID灯实现匹配成为厂商面临的挑战，而好的安定器设计更是对于灯的寿命、可靠性方面具有重要的影响。HID安定器的发展经历了模拟、模拟+数字和全数字控制3个主要阶段。目前处于向数字控制全面过渡的时期。HID需要一个高压生成电路，主电路采用fly-back模式，而推动HID灯的电路采用全桥工作模式，为HID灯提供交流电流。如图1所示，模拟电路主要问题是MCU给出实际功率到3843，3843对此进行输出调整。MCU可以测量出实际的灯功率，但是它无法直接控制输出功率，而是要提供3843来进行控制，因此会使整个环路的恒功率性能下降。同时，MCU难以模拟出实际的HID控制曲线。同时，因为模拟电路设计复杂，需要调整的参数也多，批量生产时往往需要对参数进行调整。全数字方案加强控制性能MCU采用AD进行采样，使批量生产一致性大大提高。原有模拟方案输出功率控制精度大约为±2W，而采用数字控制后，输出功率控制精度达到小于±0.5W。同时，因为MCU控制整个回路的每一个控制细节，为其带来完美模拟HID的控制曲线。而紧凑的恒功率架构使环路响应速度大大提高，在输入电压变化和灯晃动时，几乎观测不到HID灯功率的抖动。另外，完善而全面的保护功能，全数字控制可以有效识别灯的工作状态，并且根据灯的状态变化而作出快速的保护。传统的安定器，短路保护动作大约需要500ms到1s时间，而全数字方案可以达到20ms的快速保护动作。大大提高HID的安全性能。针对设计难点进行考虑在HID设计过程中，往往会有诸多问题困扰HID厂商和研发工程师。这些问题包括超薄型安定器的设计、保护功能和工作状态的冲突、兼容性设计、控制功能以及控制性能对处理能力的要求等。超薄型安定器对方案的结构要求很高。因为超薄型安定器面积非常小，所以要求方案元件数量要非常少，同时效率要很高。而该方案若需要逐步普及的话，则要求方案成本要和原有方案类似。而全数字方案的优点非常突出，因为该方案中采用的MCU把传统方案中需要的DC/DC、运放功能集成了。HID灯在启动时，击穿瞬间相当于短路状态，并且将延续一段时间。此时，灯的流非常大，与真正的短路状态相差无几。传统方案则无法对此进行准确识别，因为当它检测到大电流就就错误地进行短路保护，会使一些灯无法点亮。所以，传统HID设计中，往往让大电流持续一段时间，因为HID灯的特性决定低阻抗状态只会持续1段时间，在经过这段时间后再检测大电流是否维持。若维持，则进行短路变化。所以传统的HID安定器往往需要0.5秒到1秒，甚至是2秒时间才进行短路动作。这对整个电路和元器件的损害非常大，很多的安定器在进行几次短路保护后就烧毁了。全数字方案则在灯启动的不同阶段采取不同的保护措施，比如启动阶段需要的电流情况和工作阶段的电流情况是不同的，那么就可以进行非常快速的短路电流保护。而全数字方案短路保护时间小于0.02秒，往往在示波器上无法观察到大电流产生，安定器就已经进入到保护状态了，并不会对灯的启动造成影响。由于不同厂商的HID灯性能不尽相同，灯管压高差别相当大。在不同的冷热状态下，灯的击穿电压差别也是非常大，同时灯的功率给定也不同。因此很难用一种简单的控制模式来完美匹配不同灯的控制特性。在一些安定器的设计中采用多组控制曲线来匹配不同的HID灯，这会解决掉一些匹配的问题，但是同样也带来了其他的问题。因为即使是相同厂商的HID灯，不同时期的特性都会有差别，几组曲线不足涵盖目前HID灯厂商的全部系列。因此必须从HID的启动原理和启动过程中寻找根本解决办法。使用MCU则可以动态检测灯的管压和灯的工作状态，然后采用电流控制和功率控制手段组合对HID灯进行细致的工作曲线控制，减少HID灯闪烁的影响，动态识别并适应灯在不同状态下对启动曲线的控制要求。一般来讲，HID灯随着使用时间的增加，HID的老化现象会逐步显现出来，表现是HID灯的管压升高。如果采用恒功率的话，管压升高后电流会减少，而当电流减少到一定程度，容易发生熄弧问题。采用全数字设计时，当检测到灯老化到一定程度后，将转入恒流控制，维持HID灯亮度的稳定，可有效延长灯的寿命。HID灯和其他的照明方式发展一样会向增强控制功能方向发展，而使用全数字控制则在这方面有其天然的优势。HID在稳定时基本上是个恒定负载，这对于HID安定器的控制性能要求是不高的，但是在汽车等应用中，由于汽车在行驶中会受到路面颠簸的影响，导致HID灯的工作状态一直在变化。HID采用恒功率控制，那么就要求恒功率的响应速度比较快，以很好地追随HID灯的波动。目前没有具体的恒功率响应要求，汽车振动的频率是与发动机转速和行驶的速度成正比的。汽油发动机在高速是为6000转/分。汽车在高速公路时速110公里时，汽车的振动频率在4000～5000次/分。而振动频率又与路面相关。因此，HID灯方案的响应速度要超过汽车的最大振动频率，这要求环路带宽至少在1KHz以上。如果汽车在剧烈晃动时功率环响应速度不够，则灯有熄灭的可能，这对行车是很危险的。采用高速MCU控制的全数字方案功率环在5kHz以上，这个环路响应速度已足够避免这种危险。二、工作参数1.输入电压：9-32VDC2.额定电压：13.5VDC3.工作电流：3.1A4.启动电流：快启方案8A&解码方案4A5.稳定状态下输出功率：35W±1W6.最大输出功率：80W±17W7.开启输入电压：9V或以上8.保护输入电压：小于8V9.稳定状态下输出电压：85V±17V10.瞬间电压：=23000v11.输出波形：300Hzsquarewave12.开灯输出功率：70%at2secs，85%at3secs13.平均转换效率：85%14.工作温度：-40-105℃15.冷却方式：空气冷却16.产品寿命：3500hrs17.闪烁：稳定状态下不闪烁三、保护功能1.输出开路保护：0.2秒钟内自动切断2.输出短路保护：0.02秒钟内自动切断3.反接保护：-40V以下对镇流器无损害4.欠压保护：小于8V5.过压保护：大于33V四、产品特点1采用全数字控制.生产质量一致性高，返修率低2.元器件数量最少，功能最强。可同时兼容（35W,45W,快启方案，解码方案）3.完善的灯管监控保护机制:a.超强的灯管监控功能使灯泡厂的良率大幅提高。b.点灯范围宽广,灯压从68V～150V的新旧灯泡皆能顺畅点灯。c.安定器具备灯管保护机制，大幅延长灯管的色衰光衰及使用寿命。4严格控制.瞬间启动电流，保护车内电池开关及电源线路。5.宽广的输入电压8v～32v,使大小车、卡車、巴士皆可轻松安装。6.电源效益高，点灯流明值最亮，最省电。7.耐高温，夏天不会退货。耐低温-40℃冬天的莫斯科也正常点灯。五：架构图