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时间:2022-09-09 01:40:11 来源:人人娱乐网 浏览量:0

利用全数字安定器方案解决HID设计挑战

利用全数字安定器方案解决HID设计挑战 2011: 当前,国内中档乘用车正风行采用HID灯作为其前大灯照明方式,HID灯的高亮度、高效率、高色彩还原度等特性使其非常适合夜间照明,同时其在路灯、装饰灯上的应用也逐步增加。但是HID灯是目前气体灯中控制比较困难的一种,对其电控器设计要点的深入分析对于HID灯的普及有非常重要的意义。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。

图1:HID模拟控制方案

全数字方案加强控制性能根据目前市场上HID方案存在的问题,世强电讯提出了全数字HID安定器的设计理念,通过采用高速MCU完成整个HID安定器的控制功能。如图2所示,全数字HID安定器方案在简化原有结构的同时,也带来了如下好处:

图2:全数字控制方案

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。目前世强电讯的全数字方案功率环为5kHz,这个环路响应速度已足够避免这种危险。对于高速的环路运算,一般会采用DSP来实现核心运算,但是HID是个对价格非常敏感的应用,而DSP的价格会在1美元以上,所以全数字方案选择了Silicon Labs的C8051 8位MCU,该系列MCU的处理速度(25MIPS)可以满足HID对性能和价格的要求。LED vs HIDHID将不断向普通家用车普及,同时也在控制技术成熟的同时向其他的行业应用拓展。目前在LED高速发展的情况下,HID将和LED以及其他照明方式细分应用,共同发展。HID的发光效率高,但是安定器复杂。LED控制器相对简单些,但是LED发光效率比HID要低大约20%。因此,大功率LED的价格将高于HID照明方式。另外,LED照明标称寿命很长,但是受到LED半衰期的影响,LED使用寿命会大受影响。因为目前大功率LED的半衰期大约为1万多小时,我们不可能会容忍灯亮度降低一半还继续使用,一般降低到30%就要更换了,这使实际上LED和HID的使用寿命相差不多。并且HID气体灯照明本身也在高速发展。因此,HID的发展前景是十分看好的,从目前的情形来看,其市场容量也在不断扩大。(end)

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