利用全數字安定器方案解決HID設計挑戰

當前，國內中檔乘用車(chē)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，對其電控器設計要點(diǎn)的深入分析對于HID燈的普及有非常重要的意義。

模擬控制方案面臨挑戰

HID燈的點(diǎn)燃主要分為如下幾個(gè)過(guò)程：高壓生成，依據燈的老化狀態(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)入恒功率調整狀態(tài)；HID達到穩態(tài)后進(jìn)行到穩定恒管理狀態(tài)。

從這些狀態(tài)可以看出HID燈的控制過(guò)程比較復雜，不同廠(chǎng)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(xiàn)的HID燈實(shí)現匹配成為廠(chǎng)商面臨的挑戰，而好的安定器設計更是對于燈的壽命、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+數字和全數字控制3個(gè)主要階段。目前處于向數字控制全面過(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對此進(jìn)行輸出調整。MCU可以測量出實(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(xiàn)。同時(shí)，因為模擬電路設計復雜，需要調整的參數也多，批量生產(chǎn)時(shí)往往需要對參數進(jìn)行調整。

圖1：HID模擬控制方案。

全數字方案加強控制性能

根據目前市場(chǎng)上HID方案存在的問(wèn)題，世強電訊提出了全數字HID安定器的設計理念，通過(guò)采用高速MCU完成整個(gè)HID安定器的控制功能。如圖2所示，全數字HID安定器方案在簡(jiǎn)化原有結構的同時(shí)，也帶來(lái)了如下好處：

圖2：全數字控制方案。

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，而采用數字控制后，輸出功率控制精度達到小于±0.5W。同時(shí)，因為MCU控制整個(gè)回路的每一個(gè)控制細節，為其帶來(lái)完美模擬HID的控制曲線(xiàn)。而緊湊的恒功率架構使環(huán)路響應速度大大提高，在輸入電壓變化和燈晃動(dòng)時(shí)，幾乎觀(guān)測不到HID燈功率的抖動(dòng)。另外，完善而全面的保護功能，全數字控制可以有效識別燈的工作狀態(tài)，并且根據燈的狀態(tài)變化而作出快速的保護。傳統的安定器，短路保護動(dòng)作大約需要500ms到1s時(shí)間，而全數字方案可以達到20ms的快速保護動(dòng)作。大大提高HID的安全性能。

針對設計難點(diǎn)進(jìn)行考慮

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

超薄型安定器對方案的結構要求很高。因為超薄型安定器面積非常小，所以要求方案元件數量要非常少，同時(shí)效率要很高。而該方案若需要逐步普及的話(huà)，則要求方案成本要和原有方案類(lèi)似。而全數字方案的優(yōu)點(diǎn)非常突出，因為該方案中采用的MCU把傳統方案中需要的DC/DC、運放功能集成了。

HID燈在啟動(dòng)時(shí)，擊穿瞬間相當于短路狀態(tài)，并且將延續一段時(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。傳統方案則無(wú)法對此進(jìn)行準確識別，因為當它檢測到大電流就就錯誤地進(jìn)行短路保護，會(huì )使一些燈無(wú)法點(diǎn)亮。所以，傳統HID設計中，往往讓大電流持續一段時(shí)間，因為HID燈的特性決定低阻抗狀態(tài)只會(huì )持續1段時(shí)間，在經(jīng)過(guò)這段時(shí)間后再檢測大電流是否維持。若維持，則進(jìn)行短路變化。所以傳統的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)行幾次短路保護后就燒毀了。

全數字方案則在燈啟動(dòng)的不同階段采取不同的保護措施，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?？焖俚亩搪冯娏鞅Ｗo。而全數字方案短路保護時(shí)間小于0.02秒，往往在示波器上無(wú)法觀(guān)察到大電流產(chǎn)生，安定器就已經(jīng)進(jìn)入到保護狀態(tài)了，并不會(huì )對燈的啟動(dòng)造成影響。

由于不同廠(chǎng)商的HID燈性能不盡相同，燈管壓高差別相當大。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。在一些安定器的設計中采用多組控制曲線(xiàn)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。因為即使是相同廠(chǎng)商的HID燈，不同時(shí)期的特性都會(huì )有差別，幾組曲線(xiàn)不足涵蓋目前HID燈廠(chǎng)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HID燈進(jìn)行細致的工作曲線(xiàn)控制，減少HID燈閃爍的影響，動(dòng)態(tài)識別并適應燈在不同狀態(tài)下對啟動(dòng)曲線(xiàn)的控制要求。

一般來(lái)講，HID燈隨著(zhù)使用時(shí)間的增加，HID的老化現象會(huì )逐步顯現出來(lái)，表現是HID燈的管壓升高。如果采用恒功率的話(huà)，管壓升高后電流會(huì )減少，而當電流減少到一定程度，容易發(fā)生熄弧問(wèn)題。采用全數字設計時(shí)，當檢測到燈老化到一定程度后，將轉入恒流控制，維持HID燈亮度的穩定，可有效延長(cháng)燈的壽命。

圖3：LED與HID照明功率與價(jià)格變化趨勢。

HID燈和其他的照明方式發(fā)展一樣會(huì )向增強控制功能方向發(fā)展，而使用全數字控制則在這方面有其天然的優(yōu)勢。HID在穩定時(shí)基本上是個(gè)恒定負載，這對于HID安定器的控制性能要求是不高的，但是在汽車(chē)等應用中，由于汽車(chē)在行駛中會(huì )受到路面顛簸的影響，導致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要求，汽車(chē)振動(dòng)的頻率是與發(fā)動(dòng)機轉速和行駛的速度成正比的。汽油發(fā)動(dòng)機在高速是為6000轉/分。汽車(chē)在高速公路時(shí)速110公里時(shí)，汽車(chē)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燈方案的響應速度要超過(guò)汽車(chē)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(chē)在劇烈晃動(dòng)時(shí)功率環(huán)響應速度不夠，則燈有熄滅的可能，這對行車(chē)是很危險的。目前世強電訊的全數字方案功率環(huán)為5kHz，這個(gè)環(huán)路響應速度已足夠避免這種危險。

對于高速的環(huán)路運算，一般會(huì )采用DSP來(lái)實(shí)現核心運算，但是HID是個(gè)對價(jià)格非常敏感的應用，而DSP的價(jià)格會(huì )在1美元以上，所以全數字方案選擇了Silicon Labs的C8051 8位MCU，該系列MCU的處理速度(25MIPS)可以滿(mǎn)足HID對性能和價(jià)格的要求。

LED vs HID

HID將不斷向普通家用車(chē)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分應用，共同發(fā)展。

HID的發(fā)光效率高，但是安定器復雜。LED控制器相對簡(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照明標稱(chēng)壽命很長(cháng)，但是受到LED半衰期的影響，LED使用壽命會(huì )大受影響。因為目前大功率LED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)容量也在不斷擴大。