利用全數(shù)字安定器方案解決HID設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)中檔乘用車正風(fēng)行采用HID燈作為其前大燈照明方式，HID燈的高亮度、高效率、高色彩還原度等特性使其非常適合夜間照明，同時(shí)其在路燈、裝飾燈上的應(yīng)用也逐步增加。但是HID燈是目前氣體燈中控制比較困難的一種，對(duì)其電控器設(shè)計(jì)要點(diǎn)的深入分析對(duì)于HID燈的普及有非常重要的意義。

模擬控制方案面臨挑戰(zhàn)

HID燈的點(diǎn)燃主要分為如下幾個(gè)過(guò)程：高壓生成，依據(jù)燈的老化狀態(tài)和冷熱狀態(tài)，生成大約在2萬(wàn)伏左右的高壓；高壓擊穿，高壓把處于絕緣態(tài)的HID燈內(nèi)氣體擊穿，燈的阻抗迅速下降；高壓停止工作，這時(shí)HID燈進(jìn)入恒功率調(diào)整狀態(tài)；HID達(dá)到穩(wěn)態(tài)后進(jìn)行到穩(wěn)定恒管理狀態(tài)。

從這些狀態(tài)可以看出HID燈的控制過(guò)程比較復(fù)雜，不同廠商的HID燈特性往往不盡相同。如何使使控制HID燈的安定器與不同特性曲線的HID燈實(shí)現(xiàn)匹配成為廠商面臨的挑戰(zhàn)，而好的安定器設(shè)計(jì)更是對(duì)于燈的壽命、可靠性方面具有重要的影響。

HID安定器的發(fā)展經(jīng)歷了模擬、模擬+數(shù)字和全數(shù)字控制3個(gè)主要階段。目前處于向數(shù)字控制全面過(guò)渡的時(shí)期。

HID需要一個(gè)高壓生成電路，主電路采用fly-back模式，而推動(dòng)HID燈的電路采用全橋工作模式，為HID燈提供交流電流。如圖1所示，模擬電路主要問(wèn)題是MCU給出實(shí)際功率到3843，3843對(duì)此進(jìn)行輸出調(diào)整。MCU可以測(cè)量出實(shí)際的燈功率，但是它無(wú)法直接控制輸出功率，而是要提供3843來(lái)進(jìn)行控制，因此會(huì)使整個(gè)環(huán)路的恒功率性能下降。同時(shí)，MCU難以模擬出實(shí)際的HID控制曲線。同時(shí)，因?yàn)槟M電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，需要調(diào)整的參數(shù)也多，批量生產(chǎn)時(shí)往往需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

圖1：HID模擬控制方案。

全數(shù)字方案加強(qiáng)控制性能

根據(jù)目前市場(chǎng)上HID方案存在的問(wèn)題，世強(qiáng)電訊提出了全數(shù)字HID安定器的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)采用高速M(fèi)CU完成整個(gè)HID安定器的控制功能。如圖2所示，全數(shù)字HID安定器方案在簡(jiǎn)化原有結(jié)構(gòu)的同時(shí)，也帶來(lái)了如下好處：

圖2：全數(shù)字控制方案。

MCU采用AD進(jìn)行采樣，使批量生產(chǎn)一致性大大提高。原有模擬方案輸出功率控制精度大約為±2W，而采用數(shù)字控制后，輸出功率控制精度達(dá)到小于±0.5W。同時(shí)，因?yàn)镸CU控制整個(gè)回路的每一個(gè)控制細(xì)節(jié)，為其帶來(lái)完美模擬HID的控制曲線。而緊湊的恒功率架構(gòu)使環(huán)路響應(yīng)速度大大提高，在輸入電壓變化和燈晃動(dòng)時(shí)，幾乎觀測(cè)不到HID燈功率的抖動(dòng)。另外，完善而全面的保護(hù)功能，全數(shù)字控制可以有效識(shí)別燈的工作狀態(tài)，并且根據(jù)燈的狀態(tài)變化而作出快速的保護(hù)。傳統(tǒng)的安定器，短路保護(hù)動(dòng)作大約需要500ms到1s時(shí)間，而全數(shù)字方案可以達(dá)到20ms的快速保護(hù)動(dòng)作。大大提高HID的安全性能。

針對(duì)設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行考慮

在HID設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往會(huì)有諸多問(wèn)題困擾HID廠商和研發(fā)工程師。這些問(wèn)題包括超薄型安定器的設(shè)計(jì)、保護(hù)功能和工作狀態(tài)的沖突、兼容性設(shè)計(jì)、控制功能以及控制性能對(duì)處理能力的要求等。

超薄型安定器對(duì)方案的結(jié)構(gòu)要求很高。因?yàn)槌⌒桶捕ㄆ髅娣e非常小，所以要求方案元件數(shù)量要非常少，同時(shí)效率要很高。而該方案若需要逐步普及的話，則要求方案成本要和原有方案類似。而全數(shù)字方案的優(yōu)點(diǎn)非常突出，因?yàn)樵摲桨钢胁捎玫腗CU把傳統(tǒng)方案中需要的DC/DC、運(yùn)放功能集成了。

HID燈在啟動(dòng)時(shí)，擊穿瞬間相當(dāng)于短路狀態(tài)，并且將延續(xù)一段時(shí)間。此時(shí)，燈的流非常大，與真正的短路狀態(tài)相差無(wú)幾。傳統(tǒng)方案則無(wú)法對(duì)此進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，因?yàn)楫?dāng)它檢測(cè)到大電流就就錯(cuò)誤地進(jìn)行短路保護(hù)，會(huì)使一些燈無(wú)法點(diǎn)亮。所以，傳統(tǒng)HID設(shè)計(jì)中，往往讓大電流持續(xù)一段時(shí)間，因?yàn)镠ID燈的特性決定低阻抗?fàn)顟B(tài)只會(huì)持續(xù)1段時(shí)間，在經(jīng)過(guò)這段時(shí)間后再檢測(cè)大電流是否維持。若維持，則進(jìn)行短路變化。所以傳統(tǒng)的HID安定器往往需要0.5秒到1秒，甚至是2秒時(shí)間才進(jìn)行短路動(dòng)作。這對(duì)整個(gè)電路和元器件的損害非常大，很多的安定器在進(jìn)行幾次短路保護(hù)后就燒毀了。

全數(shù)字方案則在燈啟動(dòng)的不同階段采取不同的保護(hù)措施，比如啟動(dòng)階段需要的電流情況和工作階段的電流情況是不同的，那么就可以進(jìn)行非常快速的短路電流保護(hù)。而全數(shù)字方案短路保護(hù)時(shí)間小于0.02秒，往往在示波器上無(wú)法觀察到大電流產(chǎn)生，安定器就已經(jīng)進(jìn)入到保護(hù)狀態(tài)了，并不會(huì)對(duì)燈的啟動(dòng)造成影響。

由于不同廠商的HID燈性能不盡相同，燈管壓高差別相當(dāng)大。在不同的冷熱狀態(tài)下，燈的擊穿電壓差別也是非常大，同時(shí)燈的功率給定也不同。因此很難用一種簡(jiǎn)單的控制模式來(lái)完美匹配不同燈的控制特性。在一些安定器的設(shè)計(jì)中采用多組控制曲線來(lái)匹配不同的HID燈，這會(huì)解決掉一些匹配的問(wèn)題，但是同樣也帶來(lái)了其他的問(wèn)題。因?yàn)榧词故窍嗤瑥S商的HID燈，不同時(shí)期的特性都會(huì)有差別，幾組曲線不足涵蓋目前HID燈廠商的全部系列。

因此必須從HID的啟動(dòng)原理和啟動(dòng)過(guò)程中尋找根本解決辦法。使用MCU則可以動(dòng)態(tài)檢測(cè)燈的管壓和燈的工作狀態(tài)，然后采用電流控制和功率控制手段組合對(duì)HID燈進(jìn)行細(xì)致的工作曲線控制，減少HID燈閃爍的影響，動(dòng)態(tài)識(shí)別并適應(yīng)燈在不同狀態(tài)下對(duì)啟動(dòng)曲線的控制要求。

一般來(lái)講，HID燈隨著使用時(shí)間的增加，HID的老化現(xiàn)象會(huì)逐步顯現(xiàn)出來(lái)，表現(xiàn)是HID燈的管壓升高。如果采用恒功率的話，管壓升高后電流會(huì)減少，而當(dāng)電流減少到一定程度，容易發(fā)生熄弧問(wèn)題。采用全數(shù)字設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到燈老化到一定程度后，將轉(zhuǎn)入恒流控制，維持HID燈亮度的穩(wěn)定，可有效延長(zhǎng)燈的壽命。

圖3：LED與HID照明功率與價(jià)格變化趨勢(shì)。

HID燈和其他的照明方式發(fā)展一樣會(huì)向增強(qiáng)控制功能方向發(fā)展，而使用全數(shù)字控制則在這方面有其天然的優(yōu)勢(shì)。HID在穩(wěn)定時(shí)基本上是個(gè)恒定負(fù)載，這對(duì)于HID安定器的控制性能要求是不高的，但是在汽車等應(yīng)用中，由于汽車在行駛中會(huì)受到路面顛簸的影響，導(dǎo)致HID燈的工作狀態(tài)一直在變化。HID采用恒功率控制，那么就要求恒功率的響應(yīng)速度比較快，以很好地追隨HID燈的波動(dòng)。

目前沒(méi)有具體的恒功率響應(yīng)要求，汽車振動(dòng)的頻率是與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和行駛的速度成正比的。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在高速是為6000轉(zhuǎn)/分。汽車在高速公路時(shí)速110公里時(shí)，汽車的振動(dòng)頻率在4000～5000次/分。而振動(dòng)頻率又與路面相關(guān)。因此，HID燈方案的響應(yīng)速度要超過(guò)汽車的最大振動(dòng)頻率，這要求環(huán)路帶寬至少在1KHz以上。如果汽車在劇烈晃動(dòng)時(shí)功率環(huán)響應(yīng)速度不夠，則燈有熄滅的可能，這對(duì)行車是很危險(xiǎn)的。目前世強(qiáng)電訊的全數(shù)字方案功率環(huán)為5kHz，這個(gè)環(huán)路響應(yīng)速度已足夠避免這種危險(xiǎn)。

對(duì)于高速的環(huán)路運(yùn)算，一般會(huì)采用DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)核心運(yùn)算，但是HID是個(gè)對(duì)價(jià)格非常敏感的應(yīng)用，而DSP的價(jià)格會(huì)在1美元以上，所以全數(shù)字方案選擇了Silicon Labs的C8051 8位MCU，該系列MCU的處理速度(25MIPS)可以滿足HID對(duì)性能和價(jià)格的要求。

LED vs HID

HID將不斷向普通家用車普及，同時(shí)也在控制技術(shù)成熟的同時(shí)向其他的行業(yè)應(yīng)用拓展。目前在LED高速發(fā)展的情況下，HID將和LED以及其他照明方式細(xì)分應(yīng)用，共同發(fā)展。

HID的發(fā)光效率高，但是安定器復(fù)雜。LED控制器相對(duì)簡(jiǎn)單些，但是LED發(fā)光效率比HID要低大約20%。因此，大功率LED的價(jià)格將高于HID照明方式。

另外，LED照明標(biāo)稱壽命很長(zhǎng)，但是受到LED半衰期的影響，LED使用壽命會(huì)大受影響。因?yàn)槟壳按蠊β蔐ED的半衰期大約為1萬(wàn)多小時(shí)，我們不可能會(huì)容忍燈亮度降低一半還繼續(xù)使用，一般降低到30%就要更換了，這使實(shí)際上LED和HID的使用壽命相差不多。并且HID氣體燈照明本身也在高速發(fā)展。因此，HID的發(fā)展前景是十分看好的，從目前的情形來(lái)看，其市場(chǎng)容量也在不斷擴(kuò)大。