（物理电子学专业论文）集成控制型hid氙气灯电子镇流器技术的研究.pdf

0 t “ j j + p ， r ： 。 一、针对传统模拟控制型电子镇流器效率低、精度不高、可靠性 能差和寿命相对较短的不足，设计了一种新型的集成控制h i d ( h i g h i n t e n s i t yd i s c h a r g e ) 氙气灯电子镇流器。将u c c 3 3 0 5 作为集成控制 型镇流器的c p u ，实现了系统的数字化控制模式。 二、u c c 3 3 0 5 中的i s e n s e i n 引脚通过连接敏感电阻实现对电流的 检测，应用过程中阻值很小的电阻很难得到，所以为了更准确地检测 输入电流，提高输出信号的占空比，在连接m o s 源极处加入了一个 电流采样电路，配合u c c 3 3 0 5 内部的检测实现对灯状态的适时控制。 要 随着汽车工业的飞速发展，人们对汽车前照明灯的需求和要求都在不断提 高。高强度氙气放电灯( h i g hi n t e n s i t yx e n o nd i s c h a r g el 锄r 简称h i d 氙气灯) 虽然与传统汽车卤素灯相比有着更加优良的照明特性，但目前仅适用于高档轿车 的前照明系统中。这主要是因为h i d 氙气灯有其复杂的启动特性和时序控制要 求导致与其配套的镇流器) 1 ：发难度大、成本高，因此不能得到普及应用。目前已 研究出来的h i d 灯镇流器大多是基于模拟控制类型的，其结构复杂、控制分散， 硬件损耗大、易受干扰、效率不高以及存在的参数温度漂移等缺陷都影响了灯的 使用寿命且增加了硬件成本，从而制约了高性能h i d 氙气灯的发展应用。 针对上述问题，本文设计了一种基于集成控制的新型3 5 w 车用h i d 氙气灯 电子镇流器。系统方案选用t i 公司的u c c 3 3 0 5 芯片集成控制型h i d 电子镇流 器。它把对d c d c 及d c a c 的分散控制进行了集成简化，用u c c 3 3 0 5 集成控 制h i d 从点火到稳态阶段灯电流和电压的变化。整个设计省去了对微控器的额 外编程，并优化了系统。 论文首先从微观特性上阐述了高强度气体放电灯的放电原理和发光特点，并 就车用h i d 灯电子镇流器的拓扑结构、声谐振问题、恒功率控制及启动电路等 关键技术进行了详细的研究。然后对镇流器硬件电路进行了具体设计包括主电路 参数、控制电路、点火电路、采样电路等模块。接着从系统的主程序、启动控制、 恒功率算法上讲述了系统的软件优化设计过程，配合硬件使得系统更加高效地实 现了复杂的时序控制。同时还从软硬件两方面对系统的e m c 技术进行了研究设 计，提高了系统的稳定性。 最后给出了样品的测试波形和实验数据分析。实验结果表明镇流器系统可靠 性能好，无声谐振现象。灯的稳态输出电压v o 。：8 6 7 2 v ，电流i 。：，输o 4 2 2 m a 出功率p 。： ，效率1 1 达到。o 3 56w8 01 关键词：h i d 氙气灯；电子镇流器；u c c 3 3 0 5 ；声谐振；恒功率 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y , t h er e q u i r e m e n t s f o rq u a l i t ya n dq u a n t i t yo ft h ea u t oh e a d l a m p sa r ec o n s t a n t l yi m p r o v i n g c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a lh a l o g e nl a m p s ，h i dx e n o nl a m ph a sam o r ee x c e l l e n tl i g h t i n g c h a r a c t e r i s t i c h o w e v e r , i th a sb e e no n l yu s e df o rh e a d l i g h t i n gs y s t e mo fa u t o m o t i v e s i n c et h es t a r t i n g - u pc h a r a c t e r i s t i ca n dt i m i n gc o n t r o lr e q u i r e m e n t so fh i di sc o m p l e x ， w h i c hm a k e st h ed e v e l o p m e n to ft h es u i t e db a l l a s td i f f i c u l ta n dc o s t l y c o n s e q u e n t l y , t h eh i dl a m pc a n n o tb eu n i v e r s a l l yu s e df o rl i g h t i n g n o wt h er e s e a r c h e db a l l a s t so f h i dl a m p ，w h i c hm o s t l yb a s i n go na n a l o gc o n t r o l l i n gh a ss o m ed e f e c t ss u c ha s c o m p l e xs t r u c t u r e ，m o r eh a r d w a r el o s s ，v u l n e r a b l et oi n t e r f e r e n c e ，i n e f f i c i e n c ya n d t e m p e r a t u r ed r i f t ，w h i c ha f f e c tt h ew o r k i n gl i f eo ft h el a m pa n dr e s u l ti nm o r e h a r d w a r e c o s t i n g t h eh i g h p e r f o r m a n c e h i dx e n o n l a m p sd e v e l o p m e n t i s c o n s t r a i n e df o rt h e s er e a s o n s a g a i n s ta b o v es h o r t a g e s ，t h et h e s i sh a sd e s i g n e dan e wt y p eo fi n t e g r a t e dc o n t r o l e l e c t r o n i cb a l l a s tf o rh i dw i t ht h ep o w e ro f35 w t h es y s t e ms c h e m eh a ss e l e c t e d u c c 3 3 0 5c h i po ft it oc o n t r o lh i de l e c t r o n i cb a l l a s t s i ts i m p l i f yt h ed e c e n t r a l i z e d c o n t r o lo fd c d ca n dd c a cc o n v e r t e r s t h ec u r r e n ta n dv o l t a g ec h a n g e so fh i d l a m pa r ec o n t r o l e db yt h eu c c 3 30 5f r o mi g n i t i o nt os t e a d y s t a t e t h ee n t i r ed e s i g n e l i m i n a t e st h en e e df o ra d d i t i o n a lp r o g r a m m i n ga n do p t i m i z et h es y e t e m t h i sp a p e rh a se x p o u n d e dt h ed i s c h a r g ep r i n c i p l ea n dl u m i n e s c e n c ec h a r a c t e r i s t i c s o fl a m p ，a n dh a sd e t a i l e d l yr e s e a r c h e dt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ee l e c t r o n i cb a l l a s t s s u c ha sb a s i ct o p o l o g y , m e t h o do fa c o u s t i cr e s o n a n c e ，t h ec o n s t a n tp o w e rc o n t r o la n d i g n i t i o nc i r c u i t t h e ni th a sd i s c u s s e dt h ed e s i g n i n gp r o c e s s e so fm a i nc i r c u i t p a r a m e t e r s ，c o n t r o l l i n g c i r c u i ta n ds a m p l i n gm o d u l e i ti s e x p l a i n e d t h a tt h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no fs y s t e ms o f t w a r ei n c l u d i n gt h em a i np r o g r a m ，i g n i t e r c o n t r o l l i n ga n da l g o r i t h mo fc o n s t a n tp o w e ra s s i s t i n gw i t hh a r d w a r et om a k es y s t e m s m o r ee f f i c i e n tr e a l i z a t i o n t oi m p r o v et h es y s t e ms t a b i l i t y , e m ct e c h n o l o g yo fs y s t e m i sa l s od e s i g n e d f i n a l l y , t h ew a v e f o r ma n dd a t aa n a l y z i n go fe x p e r i m e n tt e s t i sg i v e n t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e db a l l a s ts y s t e mh a sg o o dr e l i a b i l i t yw i t h o u t a n y a c o u s t i cr e s o n a n c e p h e n o m e n o n l a m pv o l t a g ez o “f ：8 6 7 2 v ；c u r r e n t l o w ：4 2 2 m a ；o u t p u tp o w e rp o 。：3 5 6 w ；e f f i c i e n c yt 1 i su pt o8 0 1 广 k e y w o r d s ：h i dx e n o n p o w e r 2 1 1 等离子放电理论 9 l o 1 0 1 1 1 2 1 3 1 3 1 3 2 1 2h i d 灯的发光机理一 2 1 3h i d 灯的状态过渡一 2 1 4h i d 灯的触发特点 2 2h i d 灯工作阶段状态研究 2 3h i d 各状态的控制策略 2 3 1 未触发区的控制策略 2 3 2 高压启动的控制策略 2 3 3 稳定区控制策略 2 4 声谐振产生的机理及解决方案 2 4 1h i d 灯声谐振产生的机理和危害 2 4 2h i d 灯声谐振解决方法 2 5 本章小结 1 6 1 6 第三章 基于u c c 3 3 0 5 电子整流器的控制分析一1 9 3 1u c c 3 3 0 5 芯片的介绍 3 3 1u c c 3 3 0 5 主要性能特点 3 1 2u c c 3 3 0 5 的工作框图及引脚图 3 1 3 管脚分析 3 1 4 绝对最大额定值 3 2 控制部分的程序分析 3 3 集成控制功能分析 2 3 2 4 2 6 3 3 1 恒功率控制 3 3 2 灯温度补偿 3 3 3 余 坡补偿 3 3 4 电路保护功能 3 3 5 振荡频率参数 3 4 本章小结 2 6 2 8 2 8 2 8 2 9 2 9 第四章基于u c c 3 3 0 5 电子镇流器硬件电路设计一3 1 4 1 电子镇流器设计参数要求 4 2 电子镇流器的设计模块及功能分析 3 l 3 l 4 3 基于u c c 3 3 0 5 的集成控制的电路图一一一一一3 2 4 3 1 点火电路设计一一一一一3 4 4 3 2 升压电路设计一3 7 4 3 3 逆变电路设计一一4 3 4 3 4 辅助电路分析一一一一一4 4 4 4 磁性元件设计一一一一一一一4 5 4 4 1 变压器的设计一- 4 5 4 4 2 电感的设j 汁一一4 8 4 ，5 本章以、结_ 一一一一一 4 9 第五章车用h i d 氙气灯电子镇流器的e m c 设计 5 1 干扰源和干扰对象分析 5 1 1 镇流器系统中主要的噪声源 5 1 2 镇流器系统中易受干扰对象 5 2 硬件抗干扰设计 5 3 软件抗干扰技术 5 4 本章小结 5 l 5 l 5 2 5 2 5 5 5 5 第六章试验结果及分析5 7 6 i 主要参数测试表5 7 6 2 实验测试结果一一一一一5 8 6 2 1 粪i ：j ( & ( 6 ) t u r n - o n ：i g n i t i o n ! t a k e iw i i l n u p r i m u ps t e a d ys t a t e ，0 v , - e r ； i 3 0 m s l o o n s ：3 0 0 b s 6 8 m s + 8 1 n s 6 s 8 s 厶掣 2 。、= r 1 厂1 2 0 v - n 8 5 v f l 晶口6 8 口- - 1 0 5 v h 。 胪 “一_ u uuu r 廿廿r - i ) f 一 ；一 s y m “i c 呻 2 6 a 2 6 a m a x ) _ o 毒a 霜v _ nnnnr h 。 n nn ； l 啦s 二j uuu uu uu u 一 ；移 一6 a 图2 2 灯电压电流变化时序图 各状态的控制策略 2 未触发区的控制策略 由前述电气特性可知，灯的触发电压有特殊的要求，所以提供合适的 触发电压是电子镇流器设计者应考虑的一个问题。在触发灯的瞬间，如果镇流 器提供的电压大于灯的触发电压u 。，触发瞬问就会损坏灯的电极，缩短灯的使 用寿命；然而，如果镇流器提供的电压小于u r ，灯内的气体不能被电离，不能 形成辉光，从而灯也不能开始工作。总之，提供一个合适的触发电压是一个关 键问题。理想情况是镇流器提供的电压恰好等于或略大于灯的触发电压。但对 于相同输出功率的灯来说，触发电压不是一个固定不变的电参数，它受光 照、温度、湿度以及周围电场分布等环境因素影响。因此，镇流器必须具有自 适应调节的能力引。 理想的控制技术是，自动扫描逐步增大输出电压，直到镇流器提供的触发 电压恰好等于或略大于u f 为止，这种简称为自适应触发电压技术。 2 3 2 高压启动的控制策略 在启动过程中，镇流器第一个作用是限制并逐步减少参与漂移运动的电子一 天津i ：业人学硕：卜学位论文 离子对的数目，提高参与扩散运动的电子一离子对数目，同时使沟道温度升高， 加快扩散运动的速率，从而增强复合速率；镇流器的另一个作用是限制灯的功 率，从而来限制灯管内原子的电离速率。因此，镇流器的作用是实现电离速率 远小于复合速率和能够使导电沟道中载流子的浓度逐渐减少。 从使用者的角度看，在h i d 灯被高压触发的瞬间，管壁的温度等于外界的 环境温度，尽管导电沟道的温度不是很高，但管壁的温度仍远远小于导电沟道 的温度。在灯的启动过程中，由于导电沟道的热辐射作用，管壁的温度近似均 匀上升。但是电弧的中心不会恰好位于灯管的几何中心位置，这会使灯管壁的 温度分布不均匀，如果启动电流过大，会使管壁的某些局部温度迅速上升，来 不及向周围传导，造成灯管壁局部损伤。正确的方法是，灯的电流不要太大， 且逐步减小，同时其电压和功耗逐步上升，从而实现其输出功率增长的速率小 于管壁热传导的速率。相反，如果启动电流过小，圆柱形导电沟道中的温度太 低，几乎不能使原子电离，因此，随着时间增加，由触发引起的电子一离子对因 复合而消耗殆尽，从而导致弧光放电无法维持，出现熄弧现象。因此，需要研 究出合理的启动规律，既能维持弧光放电，又能使灯管壁温度均匀升高。 在启动过程中，随着耗散功率的不断增加，导电沟道区域的温度不断升高， 电离速率相应地增加。另外，由于导电沟道中载流子的浓度逐渐减少，随着原 子的扩散运动，使得原子浓度逐渐增加，从而促进电离的速率。同时相对减少 了参与漂移运动的电子离子对的数目，使导电沟道的截面积逐渐减小。当灯的 电压和电流达到稳态时，电离的速率与复合的速率近似相等。但由于灯中心区 的温度还没有到达稳态，随着灯温度的缓慢升高，电离的速率大于复合的速率。 根据以上分析，h i d 灯合理的启动控制规律应该是，限制启动瞬间的最大 电流，使其以指数或近似指数的规律逐步减小，并同时增加灯的耗散功率。具 体方法是：当灯被触发的瞬间，将电流限制在( 1 4 0 1 5 0 ) 的额定值，同时控 制灯的耗散功率为( 2 0 3 0 ) 的额定值，经过一段时间后达到稳定状念。 2 - 3 3 稳定区控制策略 当灯达到稳态后，电离的速率还是大于复合的速率，因此灯管内的气体仍 有足够的载流子。参与导电的载流子数目是由外部镇流器控制的，外部镇流器 提供的电流愈大，参与导电的载流子数目就愈大，其等效电阻愈小，灯的端电 压愈低。所以当灯达到稳态后，通过控制灯的电流，使灯内气体的扩散运动和 漂移运动均达到平衡，电离的速率恰好等于复合速率，同时使得灯的端电压基 本保持不变，实现恒功率控制。 1 4 第二章h i d 灯的控制策略研究及分析 图2 3 稳态工作下灯的伏安特性” 当h i d 镇流器达到稳态工作后，灯的伏安特性如图2 3 所示。在点a 处， 电源电压珞、放电电压和放电电流f 之间的关系为：v s = v d + 识，其中r 为 灯的等效电阻。 但是仅仅采用稳定电流的方法是不能实现恒功率控制的，原因在于灯的端 电压不是一个固定的常数，其变化原因如下： ( 1 ) 放电电弧的长度是决定灯端电压的一个重要因素。把放电电弧比作系 在两个电极端点的一条橡皮飘带，这个飘带的长度受灯的摆放位置、地磁引力、 管内气体温度场的分布及运动方向等诸多因素影响。 ( 2 ) 不同厂家生产的同一个型号的h i d 灯，两个电极之间的距离会有较大 差异，即同一个厂家生产的同一类型的灯，两极之间的距离也有一定的分散性。 ( 3 ) 随着灯的使用时问增加，两电极之间的距离在不断增加，因此，端电 压也在增加。 因此稳定区的控制策略是：采用恒功率控制技术，保持灯端电压与电流的 乘积等于额定功率，但以电流为主控量，即当h i d 灯的功率发生变化，主要通 过调节灯的电流实现恒功率控制。 2 4 声谐振产生的机理及解决方案 h i d 灯在一定频率下，会出现声谐振现象，特征为放电电弧不稳定、伴有 “吱吱”作响的声音。如果处理不好会对灯的j 下常使用造成一定的影向，严重 时还会烧毁灯和镇流器，因此电子镇流器的设计能够消除这种声谐振现象。要 想能够消除它，首先要了解这种现象产生的机理。本节将分析声凿振现象产生 的机理、可能造成的危害，并给出了几种解决办法。 天泮i ：业人学硕十学位论文 2 4 1h i d 灯声谐振产生的机理和危害 在采用高频电源点燃h i d 灯时，管内压力波的脉动从管内壁反射回来，若 与灯高频电流的脉动成分相位相同，则形成驻波，产生声谐振。声谐振频率与 电弧管尺寸密切相关。声谐振频率并非是单一的，而是一组包括基波和高次谐 波在内的频率。研究表明，在8 1 5 0 k h z 频率范围内，容易产生声谐振现象。 只要镇流器的工作频率与其中的一个相同，就有可能产生声谐振，而这其中正 包含了电子镇流器通常使用的频率区问。 在低气压弧光放电灯中，由于气压低、放电气体相对稀薄，带电粒子与气 体原子之间发生弹性碰撞的机会很少，也就是说高频电场的能量很难通过带电 粒子传递给气体原子，不能形成稳定的具有与外电场同一频率的波源，也就不 可能形成稳定的气体压力波和驻波。因此可以说声谐振现象是高强度气体放电 灯特有的现象。为了更明了地理解声谐振问题并将其考虑到电子镇流器的设计 过程中，可以简单地理解为存在一些高频工作点，即高强度气体放电灯的声谐 振特征频率。在这些工作点上，当输入的能量大于某一个阈值时，就会产生声 谐振现象。因此只要h i d 灯的高频能量频率落在声谐振频率带内且能量超过了 该频率点的声谐振阈值能量，h i d 就会发生声谐振现象。 声谐振发生时会引起灯电弧不稳、闪烁，甚至可能引起熄弧；同时光输出 也不稳定、闪烁、滚动，严重影响照明效果。声谐振通常会引起灯电压电流的 变化，甚至损坏电子镇流器。由于灯电弧在发生声谐振时会扭曲，扭曲时电弧 靠近灯管管壁，严重时可能会引起局部过热而将灯管炸裂。 2 4 2h i d 灯声谐振解决方法 声谐振现象是高强度气体放电灯在高频工作下的固有现象，因此如何有效 防止声谐振现象也是电子镇流器设计的一大研究热点。目前解决声谐振问题主 要有如下几种方法： ( 1 ) 反馈消除法 发生声谐振时灯电流会有一个低频的畸变。通过检测低频电流变动确定是 否有声谐振，发生声谐振时改变逆变器工作频率，直到不再发生声谐振为止嘲。 这种方法是在声谐振现象已经发生的情况下再进行消除，实际上对灯的损害已 经发生，所以光源的生产厂商对这种方法并不认可。 ( 2 ) 频率调制法 在某一中心频率附近用控制方法不停改变工作频率，降低每个频率点上的 能量分量，使之低于声谐振能量的阈值，从而避免声谐振发生。最理想的频率 1 6 第二章h i d 灯的控制策略研究及分析 调制方法是在一定频率范围内的白噪声调制，但实现起来比较复杂。最常用也一 最容易实现的就是周期频率调制法2 m j ，其原理图如2 4 所示。 图2 _ 4 周期性频率调制原理图 这些方法只能从减小声谐振频率点上的能量降低其发生概率，并不能彻底 地消除声谐振。 ( 3 ) 选频运行 虽然高强度气体放电灯的声谐振频率带内频率点的分布错综复杂，但仍可 以通过声学和热力学的方法根据灯管和内部气体的参数求出声谐振频率蒯 l ， 因此各频率点之间就存在非谐振窗口，当镇流器工作在这些非谐振窗口时就可 以避免声谐振。图2 5 所示为两个不同灯的声谐振窗口分布。 频率递增 频率递碱 芦共掘区域 _ li _ iiiiii 。 3 0 k 3 2 k3 4 k3 6 k3 8 k4 0 k ( a ) 氚气灯 频率理增 频率超碱 芦共振区域 _ 2 2 k 2 4 k2 6 k2 8 k 3 0 k3 2 k 图2 5 两种不同的声谐振( 共振) ( b ) 高压钠灯 频率分布蚓 然而，灯的声谐振频率与许多参数有关，无法简单预测，灯的声谐振频率 在频率递增和频率递减时也不完全相同，且外在因素的影响也较大。因此这种 天津：r ：业人学硕十学位论文 方法复杂且不可靠，在实际应用中并不使用。 ( 4 ) 超高频点灯 声谐振发生在一定频率范围内。当工作频率大于声谐振发生频率时也能避 免声谐振。，该方法主要缺点是频率过高会使损耗较大，软歼关实现困难。而且 会出现到来很大的e m i ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 问题，比较难解决。 ( 5 ) 高频方波工作 声谐振发生是由于周期性的输入能量，因此如果输入的为一理想的方波电 压，能量为恒定值，这时也就不会产生声谐振现象。不过该电路效率较低，对 中大功率的高强度气体放电灯不适用。 ( 6 ) 低频方波工作 目前认为最可靠和有效的方法就是低频方波方法。高频工作方式一般应用 电感电容等电抗元件在高频下的阻抗特性来起镇流作用，低频方波则通过控制 技术来控制灯电流或灯功率处于稳定状态，此方法尤其适用于数字控制方案中。 2 5 本章小结 本章介绍了h i d 灯的发光机理及触发特点，同时根据各个状态的特性，归 纳出不同阶段的控制策略。着重阐述了h i d 灯声谐振的产生机理及解决此现象 的方案，分析对比得出目前最可靠和最有效的方法是低频方波法。 第三章基丁u c c 3 3 0 5 电子镇流器的控制分析 t 第三章基于u c c 3 3 0 5 电子整流器的控制分析 通过上面对h i d 灯及镇流器的分析研究，得出数字控制型电流整流器是现 在照明行业的主流。一个合理的电子镇流器设计方案应该满足h i d 灯从点火到 正常工作阶段的所有要求。本设计是基于u c c 3 3 0 5 芯片集成控制的电子镇流 器，这种设计不但很好地实现了对h i d 灯各个状态的控制，同时较其他方案它 还优化了电路，提高了效率。其中不能不提的就是作为核心控制中枢的 u c c 3 3 0 5 芯片，它不但有效地充当了镇流器的c p u ，同时还准确地实现了集成 控铝i i 功能。 3 1u c c 3 3 0 5 芯片的介绍 3 1 1u c c 3 3 0 5 主要性能特点 1 ) 恒功率控制功能； 2 ) 灯温度补偿功能； 3 ) 恒频工作状态； 4 ) 电流型控制模式； 5 ) 过电流保护； 6 ) 过电压关断； 7 ) 灯丌路和短路保护； 8 ) 输出驱动电流较大，适用于功率场效应晶体管； 9 ) 电池供电电压范围为：5 一1 8 v 1 q 1 。 3 1 2u c c 3 3 0 5 的工作框图及引脚图 u c c 3 3 0 5 封装采用2 8 引脚p d i p 和2 8 引脚s o i c 封装，引脚排列如图3 1 所示。 1 9 大津i ：业人学硕+ 学位论文 f l - r c h o t o n 图3 一lu c c 3 3 0 5 弓i 脚排列 u c c 3 3 0 5 满足了h i d 灯从启动到正 前灯的快速点火和稳态工作，并还适用 电流型脉宽调制电路，灯功率调节电路 能电路。其内部封装结构如图3 2 所示。 嵋e n 8 日h c o f b v o u t 8 e n 雒 r ，l t c l o o 1 8 e h 8 e s l o p e c w a m u p c 常工作所需的所有控制要求，可用于汽车 于h i d 灯的其它应用场合。u c c 3 3 0 5 内含 ，灯温度补偿电路和完整的灯故障保护功 幽3 2u c c 3 3 0 5 内部结构图驯 从内部结构图可以看出，各个管脚之间 控制的集成性，实时性，针对性和准确性。 2 0 是相互关联的，很好地体现了核心 具体的管脚相关性在下面几节将详 第三章基- pu c c 3 3 0 5 电子镇流器的控制分析 细进行分析说明。 3 1 3 管脚分析 ( 1 ) 电源部分 1 ) v c cu c c 3 3 0 5 芯片内部的许多功能电路都需用v c c 引脚供电，此引脚是 u c c 3 3 0 5 的主要电源供电引脚。实际应用中，v c c 引脚通过一个稳压二极管和一 个电阻接至6 8 v 的外接供电电源。 2 ) b o o s tu c c 3 3 0 5 主要由v c c 供电，但是芯片内部的许多功能电路需要 1 0 v 左右的供电电压，这时需要b o o s t 引脚来提供电源电压。应用中，一般利用 u c c 3 3 0 5 p 接的自举开压电路( p u m p o u t ) 来完成。 ( 2 ) 电源监测部分 b a tb a t 引脚实际上充当的就是电路保护功能。当b a t 引脚检测到供电电 压过高时，自动关断电路施加保护。实际应用中，当输入电压高于5 v 时，集成 电路关断。u c c 3 3 0 5 的b a t 引脚可通过与电源供电之间接入一分压电阻来实现， 分压电路的阻抗应大于1 0 k q 。 ( 3 ) 振荡器及分频器部分 1 ) o s cu c c 3 3 0 5 的p w m 工作频率可通过o s c 引脚来设定。一般情况下， 在o s c 引脚与g n d 之间接入一个2 0 0 p f 的电容，这可使p w m 控制器的工作频率为 1 0 0 k h z ，p u m p o u t 电路的工作频率为5 0 k h z ，q o u t 、q o u t 引脚的工作频率 为1 9 2 h z p w m 控制电路的实际工作频率受接至o s c 与g n d 之间的电容和接至 i s e t 与g n d 的电阻值的影响。 2 ) d i v p a u s q o u t 和q o u t 为输出信号的极性转换控制引脚，用以控制灯 工作的供电电源极性。当灯被点亮时，应使灯的电极极性固定，使灯能在j 下确位 置形成放电电弧。完成点火时，u c c 3 3 0 5 内部电路需要停止产生q o u t 和q o u t 信号，这时只需将d i v p a u s e 引脚设为高电位即可。一般在n o t o n 与 d i v p a u s e ，d i v p a u s e 与g n d 引脚之间分别接入一个电阻和电容实现。 ( 4 ) 基准部分 1 ) 5 v r e fu c c 3 3 0 5 内部的5 v 基准电压，用于设定电流、电压阈值电位，如 有需要也可用于其他电路功能的设定。 2 ) i s e tu c c 3 3 0 5 内许多控制电路需用到精密电流源，以获得良好的控制特 性，这些控制电流可利用由i s e t 弓i 脚接至g n d 的电阻来获得，一般选用10 0 k r 2 的电阻就可以实现这个控制功能。电阻值减小，则内部电流就越大。u c c 3 3 0 5 的个别控制功能会受到这个电阻值的影响，如w a r m u p c 引脚、s l o p e c 弓i 脚、 f l t c 弓l 脚电容的充、放电速率和误差放大器的频带宽度都会受到这个电阻值的 2 l 天津：l ：业入学硕十学位论文 影响。 ” ( 5 ) 误差放大器部分 f bc o m p 灯的额定功率与实际功率的差值由u c c 3 3 0 5 内部的误差放大器 加以放大。这个放大器检测f b 上的电压与基准电压2 5 v 问的差值，并由误差放 大器c o m p 将这个差值电压加以放大。一般在c o m p 引脚与f b 引脚之间接入一个 补偿电容，用于反馈环路的补偿。 ( 6 ) 负载功率放大器部分 l o a d i s e n s e 此引脚用以检测灯电路工作电流，一般可通过接至 l o a d i s e n s e 引脚的电阻来实现。这样就可通过控制u c c 3 3 0 5 内部的电路来实 现对灯功率的调节。 ( 7 ) 输入电流感应部分 i s e n s e n qu c c 3 3 0 5 的内部电路通过检测灯电流和灯电压来控制灯功率，使其 保持恒定。实际应用中对电流的采样是通过接至i s e n s e i n 引脚的电阻来实现的， 因为电流检测需要很高的灵敏度，所以一般这个阻值选用的非常小，并结合 u c c 3 3 0 5 的p w m 控制电路实现电流型控制。 ( 8 ) 输出电压感应部分 v o u t s e n s e 当然灯功率的控制也需要v o t r r s e n s e 检测到的灯电压值参与控 制。当该引脚的电压在o 5 v o 8 2 v ( 视为开路或灯未点火状态) 窗范围内时， 驱动l p o w e r 引脚的放大器整合工作电流和电压，然后产生一个j 下比于灯负载 功率的信号，此信号可在灯电压两倍的范围内使灯的恒功率精度保持在a ：1 2 以 内。 ( 9 ) 输出部分 1 ) p w m o u t 该引脚的输出信号用于驱动外接功率开关m o s f e t ，如果该 引脚和功率开关场效应管栅极之间的引线过长，则这时可在该引脚与功率场效应 管栅极之问接只1 0 f 2 左右的电阻，用以衰减可能在场效应管栅极产生的驱动信 号的上过冲或下过冲。 2 ) n o t o n当灯处于故障工作状念时，如过压或欠压状念，这时灯的工作 电流不正常，n o t o n 引脚就会被拉至v c c 。当v o u t s e n s e 引脚电压在 8 3 m v 2 v 的窗口电压范围内时，n o t o n 引脚电位为低电位。 3 ) q o u t ，q o u tu c c 3 3 0 5 主要用于直流h i d 灯的驱动；如果要使h i d 灯 工作于交流供电方式，则需加一半变换电路。该引脚的输出驱动信号频率一般为 o s c 频率的1 5 ，即当o s c 的振荡频率为1 0 0 k h z 时，该引脚的输出信号频率为 1 9 2 h z 。 4 ) f l t 如果f l t i 3 l 脚上的电压超过5 v ，表示灯电路出现了严重的故障，并 ，且f l ( 1 0 ) 1 ) s l o p e cw a r m u p c 为了揪j i - i m 灯的预热和关灯冷却状态，有两个电 容器连接到u c c 3 3 0 5 的相应引脚，利用它们的充电、放电来反映h i d 灯的预热与 ，关灯冷却状态。这两个电容器一个连接到了u c c 3 3 0 5 的s l o p e c ，另一只电容连 接到了w a r m u p c 。连接到s l o p e c 电容的充电电流大小由连接到i s e t 和g n d 之间的电阻决定，并且这个电容器的最大充电电压为5 v 。一般用一个1 0 0 k q 的电 阻即可，等效于连接至5 v 电源的5 0 m q 电阻的充电电流。当接至v c c 的电源关断 时，s l o p e c 以1 0 0 衅左右的放电电流放电。 - “ 2 ) a d j 利用a d j 可调节a d j 电压，从而达到调节h i d 灯冷态工作峰值电流与 热态工作峰值电流的比值。 j 3 ) w a r m u p vw a r m u p c 上的电压经电路处理后通过f b 引脚送至 ， u c c 3 3 0 5 内部的误差放大器，然而由于w a r m u p c 的阻抗太高以至于不能直接 使用，所以在u c c 3 3 0 5 内部有一个缓冲放大器，利用这个缓冲放大器将来自 ，w a r m u p c 信号放大后再送至w a r m u p v ，使其正常驱动f b 。 4 ) b y p a s sb ，a s s 引脚控制s l o p e c 和w a r m u p c 两个电容的充放电， 来很好地实现灯工作温度变化的补偿功能。供电的控制来源于按至b y p a s s 引脚 电容上储存的电荷。假设b y p a s s 的最大电流为5 吣和放电时间6 0 s ，最大允许放 。 电电压为5 v ，这个电容值可由下式估算： 。 ， ，c ：i 芸：5 衅坐：6 0 妒 ”( 3 一1 )、， ? i。 v 5 v i、。 3 1 4 绝对最大额定值+。 ： 1 ) v c c i 作电压8 o v ； 。， 2 ) b o o s t i 作电压1 2 o v ； ： 3 ) p w m o u t 峰值电流1 0 a ； 。， 。r 。 4 ) p w m o u t 电容负载5 o ； 7。t ” i。j? 5 ) 输入电压范围_ o 3 v 1 0 0 v ； 。 、 6 ) q o u t ，q o u t ，f l t 的输出电流 1 0 m i 认； 。t? 7 ) 5 v r e f ，l p o w e r ，c o m p 的输出电流1 0 0 m a 、。 8 ) i s e t 电流- 1 o m a ； ：9 ) 存储温度6 5 15 0 ； ， 1+ 1 0 ) 结温度+ 5 5 1 5 0 ； 2 3 天津工业大学硕士学位论文 11 ) 铅温3 0 0 c 。 一 所有电压都是对地的，电流在额定范围内变化。 3 2 控制部分的程序分析 。 ，7 ，! 整个镇流器的控制部分是由芯片u c c 3 3 0 5 集成完成的。它是一种智能型的芯 片，能够完成h i d 所要求的所有功能，其控制流程图如图3 3 所示。 图3 3u c c 3 3 0 5 控制流程图【2 l l ， 图3 3 是h i d 灯从点火到检测，暖灯，功率校正，错误监测和保护各阶段 的控制流程图。下面从程序控制方面详细阐述各部分的流程： 、 。， ( 1 ) 控制器开启后，经由内部的模数转换器开始检测输入电压v n 如果输入 电压工作在正常范围外，控制器就会设置c t l 为高电位，使q l 关闭，使得 p w m 控制器处于失效状态。如果输入电压工作在正常的范围内，微控器设置 坩c t l 为低电位，此时在q l 处p w m 控制器输出一个门驱动信号，使得c l 的端 电压k 增加。这一阶段，逆变器工作在固定的频率上，一般为l k h 。供电源对 c l o 和c o 充电，当c 1 n 两端的电压达到火花塞的击穿电压时，就会产生一个高压 脉冲，随后开始进行放电。此阶段非常关键的一点就是对灯点火的瞬间检测， 2 4 第三章基于u c c 3 3 0 5 电子镇流器的控制分析 以便提供一个合理的暖灯阶段控制来防止灯熄火。 当，2 一v t h , l 5 0 时，灯点火的检测通过对运算放大器i c 3 处的输出电压 ，唧值和跟预设值，及r 2 的比较实现。应该注意的是，阈值，和 以5 0 v 为界，以此防止由于噪声和采样误差造成的检测错误。上电后，当叩 达到预设值r 2 时，微控器对彻继续进行采样。如果采样电压低于预设电压 一，视为点火已经发生。如果采样输出电压玩哪没有达到刀或者没有从，2 。 降到巾这表明输出端可能发生短路或者灯已经损坏。在这种异常情况下， 为保证镇流器的安全，微控器使p w m 控制失效，主开关q l 关闭。另外一种对 灯点火的监测方法是基于对电流昆邶的采样，它通过测量风的电压获得。点火 前，灯呈现出高阻性，流经电流感应电阻如的电流为零。通过死脚跟标准电平 ( o 3 a ) 的对比，来完成点火的检测。_ 灯点火被检测后，微控器继续对反激变换器的输出电压进行采样。如果点 火后输出电压又一次增加，那就意味着灯熄弧，需要另外一次点火，直到达到 预设值为止。点火后为了维持电弧，完成灯的全部开启，需要一个高电流d c 操作。也就是说需要一个稳定的桥开关时间，尤其是冷灯的情况此d c 操作时 间一般在5 0 m s - 一2 0 0 m s 之间。在此d c 操作下，电极可以迅速地达到电子的热 辐射温度。如果电弧被一个交流电中断，那么电离气体不能维持。尤其点火的 情况下，如果不能充分使发射电子加热，容易导致熄弧。 ( 2 ) 当灯成功点火后，微控器继续探测灯是冷灯还是热灯。如果灯管是热灯， 就要尽量减少直流工作时间以此来避免过功率造成对灯寿命的损耗。但是如果 1 灯不是足够热，需要一个长的直流运行期来暖灯，并缩短时间来保证额定光输 出。所以为了避免不必要的直流工作周期和高暖灯功耗，应该考虑直流运行时 间和h i d 暖灯的自适应控制。冷灯点火后，需要一个长时间的直流运行时间和 较高的暖灯功率。在直流工作后，微控器控制灯到交流工作状态，同时调整控 制信号使其达到3 5 w 的额定功率值。 ( 3 ) 在h i d 正常工作的时间内，电池电压和灯阻抗是不断变化的，功率控制 信号需要保证灯工作在恒功率和连续流明的状态下。因此，微控器要不断地对 灯电流和灯电压进行采样，并计算灯功率。如果实际功率跟额定功率的差值大 于预设值时，控制信号就会做出相应的改变使其处于工作范围内。如果实际功 率与额定功率的差值绝对值小于预设值，那么功率控制信号保持不变。 ( 4 ) 错误监测与保护也可以通过对电压的实时采样完成。如果检测到的灯电 压超出了正常的工作范围，如开路情况下大于3 0 0 v ，短路输出小于1 6 v ，微控器 使q ，栅极失效，并把功率控制信号拉为零，这样没有电流流经输入端，有效地避 免了灾难性的失败。 。 天津工业大学硕士学位论文 3 3