隨著家庭用車的日益普及，一種氙氣高壓氣體放電式前燈（Xenon HID High Voltage Intensity Discharge Lamp）越來越成為多種車型的標準配件。Xenon HID自1991年被研發(fā)成功以來，1995-1996年間首度成為奔弛車的標準配備。HID發(fā)展至今已成為寶馬/奧迪/凌志/卡迪拉克等年度新車的標準配備。HID一直以“安全與舒適”為發(fā)展依據(jù)，強調更高的亮度及優(yōu)異的光學特性并榮獲“新世紀主流光源”的美稱。

        HID前燈顯著的特性：高壓快速啟動，非常高的亮度及色彩還原能力，能讓駕駛者主動避免事故，同時并兼顧道路安全與視覺舒適性。

        HID發(fā)光原理是在石英玻璃球管中填充高壓氙氣，借著瞬間高達20K-30K伏特的高壓將氙氣電離成離子狀態(tài)，放電產(chǎn)生一道電弧光，然后燈管壓降急驟降低，經(jīng)過低壓大電流的Take-over ，warm up，run up到穩(wěn)定狀態(tài)，啟動時具體燈管電壓電流特性如圖1。

圖1  燈管電壓電流特性

        滿足HID燈高壓啟動等特性的典型鎮(zhèn)流器框圖示于圖2。

                       圖2  汽車HID鎮(zhèn)流器系統(tǒng)框圖

        鎮(zhèn)流器系統(tǒng)主要包括從汽車硫酸鉛電池9-16V輸入的直流到直流升壓變換器，高壓啟動發(fā)生器。200-400Hz的全橋反相器以及保證穩(wěn)態(tài)功率輸出的控制電路4部分。DC/DC直流變換器必須滿足9-16V輸入電壓范圍內能輸出60-500V的直流電壓，并具有輸入過壓輸出短路/開路/過流的保護功能。        

        高壓啟動發(fā)生器的主要功能產(chǎn)生20-30KV的瞬間高壓擊穿燈管放電。        

        全橋反轉電路主要功能發(fā)生200---400Hz反相信號驅動全橋開關管，實現(xiàn)燈管兩端極性反轉，防止燈管單端發(fā)黑，延長燈管壽命。       

        控制回路主要是保證穩(wěn)態(tài)時恒功率輸出，穩(wěn)壓時HID燈管兩端HID燈的壓降大約是60-110V對于35W HID燈管必須保證在+/-2W的功率范圍之內，太高的功率會損壞燈管。縮短燈管使用壽命，過低的功率會降低亮度輸出造成安全隱患。       

         德州儀器公司UCC2305是一款針對汽車用HID燈應用的控制芯片，它具有下列符合車用HID鎮(zhèn)流器要求的性能：

        ·9-16V的寬輸入電壓工作范圍及低至6V時的快速啟動特性
        ·具有輸入過壓保護及輸出過流過壓保護
        ·針對不同燈管電壓的恒功率輸出控制
        ·頻率高達300KHz的電流模式 PWM控制器·反相的全橋驅動輸出·可調整的冷熱燈啟動電流及正常工作電流控制
        ·具有熱燈啟動控制功能
        ·符合汽車電子要求的40-105°C寬溫度工作范圍       

        UCC2305 功能框圖示于圖3

圖3 UCC2305功能框圖

        圖4示出UCC2305 做控制器的典型應用電路。 我們可以把它分為四部分來分析。 

                  

  圖4 UCC2305典型應用電路

       一. 在IC的左邊是由 270KΩ 和 100KΩ 電阻組成的過壓保護分壓電路。 此設定工作電壓為18.5V。下面是VCC 的穩(wěn)壓輸入和由PUMPOUT, BOOST 組成的電荷泵升壓電路。PUMPOUT開關頻率為1/2倍的PWM 工作頻率。 通過對外圍電容的充放電把電壓升高到10V左右。 輸入電壓12V。 需要在距離IC 盡可能近的地方加0.1μF 和 1μF 旁路濾波電容接地。

       二. 在IC 的上面是FLY-BACK架構的電壓轉換電路, 電流采樣電阻得到電壓信號和輸出電壓反饋信號, 通過內部放大器和比較器形成PWM信號。 驅動外部功率MOSFET做電壓變換和恒功率輸出。在燈點火之前，鎮(zhèn)流器輸出可視為開路，此時提供一個約400V的開路電壓。啟輝器產(chǎn)生一個20KV左右的高壓, 使燈管弧光放電被擊穿, 燈管兩端的電壓急劇下降，爾后隨燈管內氣壓和溫度升高，在約15s后，電壓逐漸達到75_90VDC的穩(wěn)態(tài)值，燈電流約350mA。

       三. 在原理圖的右上面是全橋驅動電路。 UCC2305 QOUT 和 QOUT非輸出頻率為直流變換器PWM開關頻率的1/512反相方波。  如: 開關頻率為200KHz。 則QOUT, QOUT非輸出頻率為390Hz。 通過LEVEL SHIFT 轉換做交流HID燈的驅動。

       四. 在IC的下面部分是HID燈特征控制電路。
       
       SLOPEC: 燈管溫度變化跟蹤輸入, 通常連接一電容到地。 電容充放電電流由ISET引腳RSET 電阻決定。 當RSET=100KΩ時, 相當與連接一個50MΩ電阻到5V電源。 當HID燈關閉時, 放電電流是100NA。
       BYPASS: 燈管溫度變化補償輸入， 通常連接一電容到地。     
       WARMUPC: 熱燈時燈管溫度測量端， 通常連接一電容到地。當燈管正常工作時, 通過一200NA恒流源給電容從0V到4.2V充電。 超過4.2V到10V 時, 恒流源電流變?yōu)?00N。. 當燈關閉時, 電容先通過一個39NA恒流源放電到2.5V。 然后變?yōu)?1NA放電到0V。 若燈被關閉后, 在燈管沒有完全冷卻前開起, IC會根據(jù)電容兩端電壓判斷燈管溫度, 決定開起電流大小。     
       FLTC: 輸出失效延時電容連接端， 通常連接一個電容到地。當UCC2305檢測到VOUTSENSE端電壓超出83MV-2V范圍時， IC內部會通過250NA恒流源給電容充電。 當充電電壓達到5V時, IC自動關閉所有功能。 若失效信號在充電電壓沒有達到5V前被清除,IC 會通過50NA恒流源使電容放電到0V。

  OSC: PWM工作頻率電容設定端，通過外接電容容值設定PWM工作頻率。 F="2"/RSET*COSC. 設RSET=100KΩ, COSC="100PF", 則F=200KHz。   

       通過上面的分析, 我們可以發(fā)現(xiàn)UCC2305是一款非常適合汽車前燈應用的芯片。 它涵蓋了HID 燈驅動的所有特性. 并且工作溫度范圍是-40°C 到 +105°C。 和其他方案相比具有外圍電路簡單, 設計方便, 開發(fā)周期短等優(yōu)點。 相信隨著HID燈在汽車中的普及, UCC2305 會得到更廣泛的推廣。

       參考文獻:  

      

1.UCC2305 DATASHEET--------德州儀器   

2.Powering a 35W DC Metal Halide High-Intensity Discharge (HID) Lamp--德州儀器

3.UCC2305 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/UCC2305_670343.html.