基于UCC2305的汽車HID燈應用設計

引言

高強度氣體放電（HID：HighintensityDischarge）燈實際上包括了一大類采用小型高內壓弧光管發(fā)光的照明產(chǎn)品，基本上有三種類型：水銀蒸氣（MV）燈，金屬鹵化物（MH）燈和高、低壓鈉（HPS或LPS）燈。HID燈全都按與日光燈相似的放電原理工作：當燈管里充填的氣體，如被鎮(zhèn)流器提供的電流激活時便會發(fā)光。

金屬鹵化物（MH）燈是為改善水銀蒸氣燈的亮度、顯色性差和效率相對低的特征而設計。MH燈功能非常象水銀蒸氣燈，但因在燈管內添加了如鉈、銦和鈉金屬的碘化物（鹵化物），故比之只有水銀蒸氣能發(fā)放更多和更優(yōu)質的光。

金鹵燈與傳統(tǒng)鹵素燈也不同，因為燈管內另有一小玻璃球灌滿了氙氣及少許稀有金屬，受電流刺激進行化學反應，就會發(fā)出色溫高達4000K-12000K的光芒，如圖1。

車用金鹵燈鎮(zhèn)流器系統(tǒng)主要由包括從9-16V汽車硫酸鉛電池輸入的直流-直流變換器，高壓點火器，200-400Hz全橋逆變器以及保證穩(wěn)態(tài)功率輸出的控制電路4部分組成（圖2）。DC/DC變換器須滿足在9-16V輸入電壓范圍內能輸出直流電60-500V的壓，并具有輸入過壓、輸出短路/開路和過流保護功能。點火器的功能是產(chǎn)生瞬間高壓20-30KV的擊穿燈管放電。全橋逆變器提供200-400Hz全橋功率開關管的驅動信號，完成DC-AC逆變，實現(xiàn)燈管兩端電壓極性反轉，防止燈管單端發(fā)黑，延長燈管壽命。控制電路起到保證向燈穩(wěn)態(tài)時提供恒功率輸出。穩(wěn)壓時燈管兩端的壓降約為60-110V，如35W燈管穩(wěn)態(tài)時其功率必須保證在35W±2W范圍之內，功率太高的會損壞燈管，縮短燈管使用壽命；功率過低則會降低輸出亮度，造成駕車安全隱患。

1 UCC2305簡介

UCC3305是德州儀器公司一款針對車用HID燈應用設計的集成電路驅動控制芯片，UCC3305集成了控制和驅動HID燈所需全部功能，既能配合快速打開汽車前燈的要求，也適用其他選擇HID燈的照明設備。具有下列符合車用HID鎮(zhèn)流器設計的性能要求：

·全橋驅動輸出

·具有輸入過壓、輸出過流及過壓保護

·針對不同燈管電壓的恒功率輸出控制

·頻率高達300KHz的電流型PWM控制器

·燈冷、熱啟動電流可調與正常工作電流控制

·9-16V輸入電壓寬工作范圍及低至6V的快速啟動特性

·符合汽車電子要求的40°-105°C寬溫度工作范圍

典型應用電路分析外引腳圖，簡要說明如下：

5VREF—內部5V基準，UCC3305用于設定電流和門限。也可用于其他功能。

ADJ—該管腳的電壓可調整控制冷燈峰值電流與暖燈峰值電流之比。此電壓由從ADJ到GND連接的電阻確定。

BAT—用于檢測過份高的輸入電壓并當輸入超出某預定電平時關閉集成電路。該管腳與跨接在輸入電源與“地”的分壓器相連接應。當輸入電壓超出5V，UCC3305即關閉。非常高或負輸入情形下要保護集成電路，分壓器阻抗須保持高于10k。

BOOST—盡管UCC3305由輸入VCC供電，但器件的多數(shù)功能卻依賴與BOOST連接近似10V的電源電壓。10V電源電壓可利用PUMPOUT作AC信號，外接二極管作開關的倍壓器產(chǎn)生。

BYPASS—管腳外接儲能大電容，提供SLOPEC和WARMUPC管腳處電容器的充、放電。通過SLOPEC和WARMUPC管腳電容器上的電壓改變來補嘗燈溫變化。假定流過BYPASS管腳的最大電流為5μA，放電時間60s，最大許可壓降為5V，則BYPASS外接電容可按下式估算：

COMP—通常該端口經(jīng)電容連接到FB端。當燈的指令功率和期望功率之間存在差異時，誤差放大器便將次放大。放大器傳感到FB和2.5V之間的差別，并以被放大的誤差電壓驅動COMP對整體反饋環(huán)路補償，以保持系統(tǒng)穩(wěn)定。

DIVPAUSE—UCC3305的QOUT和QOUT是AC鎮(zhèn)流器用于燈極性切換的端口。為使電弧在電極間正確的地方形成，燈點燃后停止極性開關非常重要。抬高DIVPAUSE電位可停止內部分壓器產(chǎn)生QOUT和QOUT信號，從而使QOUT和QOUT信號凍結。為此可從NOTON接一電阻至DIVPAUSE和從DIVPAUSE接一電容至GND。

FLTC—因為VOUTSENSE管腳的電壓正比于燈電壓，故該電壓太高或太低，燈將開路，短路或者不工作。正常運行期間，F(xiàn)LTC接有電容并通過UCC3305內部電流源放電至0V。UCC3305監(jiān)測VOUTSENSE處的電壓并與內部低閾83mV和高閾2V比較。只要管腳VOUTSENSE處的電壓超出內部高、低閾值窗口，便有約250nA電流拉動FLTC。如故障存在較久，F(xiàn)LTC外部電容充電出超過5V，則表明控制器遭遇災難性故障而關閉，此狀態(tài)一直維持到BOOST端去電。

FB—UCC3305內部誤差放大器對燈指令功率和期望功率間的差異放大后，傳感到FB與2.5V的差并以誤差電壓驅動COMP。

ISENSEIN—叢該管腳接入電流傳感電阻對電池電流做出傳感，UCC3305控制器中的功率調整算法對燈的電流和電壓進行計算并發(fā)出電池電流適合指令以維持燈的功率恒定。

ISET—UCC3305的許多功能都需要對電流精確控制，該管腳連接電阻至GND可對手空電流進行調節(jié)。UCC3305的正常工作電流對應的電阻約100k。

LOADISENSE—恰如ISENSEIN接傳感電阻監(jiān)測電池電流，LOADISENSE接傳感電阻監(jiān)測燈的電流。結合VOUTSENSE傳感到的燈電壓?？刂破鲗⒔o出不同溫度下向燈提供的功率。

LPOWER—LOADISENSE直接驅動UCC3305中一個運放的輸入，對負載電流預期和實際值之差放大并在LPOWER產(chǎn)生饋送給誤差放大器的輸出信號。

NOTON—燈處于錯誤條件之下，如燈電壓過份高或低時，NOTON管腳電位將被抬高至VCC。當VOUTSENSE管腳電壓在83mV到2V窗口之內時，NOTON電位則被拉低。

OSC—該管腳接電容至GND設定UCC3305中PWM的頻率。典型200pF電容的頻率為100kHz。

PUMPOUT—雖然UCC3305由VCC供電，但器件的多數(shù)功能均從與BOOST連接的近似10V的電源電壓取得。該10V電源電壓采用PUMPOUT作交流信號與外接二極管作開關的倍壓器產(chǎn)生。PUMPOUT輸出為擺幅從VCC至GND，頻率為OSC頻率之半的方波。

PWMOUT—脈寬度調制器的輸出。正常系統(tǒng)中，PWMOUT可與N溝功率MOSFET柵極直接連接。

QOUT—振蕩器頻率的邏輯輸出與QOUT相位差180度。

SLOPEC—為跟蹤燈的升溫和冷卻，UCC3305須連接充電和放電兩個電容。其一連接SLOPEC，以由ISET接GND電阻控制的速率充電至5V。VCC去電，SLOPEC以標稱100nA恒定電流放電。另一連接WARMUPC。

VCC—為UCC3305的主供電電源。一般應通過外接zener二極管鉗位于6.8V。

VOUTSENSE—該管腳用于通過120:1分壓器傳感燈電壓，正常運行的HID燈，燈的端電壓在60V和110V之間。高于300V燈將擊穿，故須限制起輝器輸入電壓到達600V最大值。燈電壓低于10V則表示燈已短路。

WARMUPC—該管腳到GND所接電容的電壓可估計燈的溫度。燈點亮時，電容先由200nA電流源充電至4.2V，再由100nA電流源從4.2V充電至10V；燈熄滅時，電容先由39nA電流阱放電至2.5V，再由11nA電流阱放電至GND。

WARMUPV—WARMUPC端口的電壓用于調制通過FB饋送到誤差放大器的信號。但是，直接地使用阻抗太高。UCC3305內含緩沖放大器對WARMUPC電壓進行緩沖處理后送至WARMUPV，以使信號適合驅動FB。

2 典型應用電路分析

圖4為采用UCC3305構建的車用反激式HID燈鎮(zhèn)流器電路。分析討論如下：

由圖可知，鎮(zhèn)流器的輸出系全橋逆變結構。反激變換器的輸出直流通過全橋逆變結構輸出級導向交流燈管。該全橋輸出級以從PWM振蕩器獲得的典型195Hz低頻切換工作，故平均燈電壓為零。UCC3305有一個稱NOTON的邏輯輸出，燈不運行（NotOn）時為高電平，燈運行時為低電平。因該輸出與DIVPAUSE輸入相連，故當燈充分點亮后此低頻切換便即終止。UCC3305控制集成電路有二個低頻輸出：QOUT和QOUT，均具有直接以195Hz驅動低端MOSFET的能力。高端MOSFET則需要電平位移驅動。

UCC3305的LPOWER輸出是一個大致與燈的輸入功率成比例的電壓。UCC3305能在燈電壓的較大范圍內對燈實施恒功率調控。產(chǎn)生燈恒功率的燈電壓范圍通過對VOUTSENSE端口放大器作限定的方法來設定。

當VOUTSENSE的輸入低于0.5V，恰如燈已短路，環(huán)路調控負載電流使之恒定。當VOUTSENSE的輸入高于0.82V，燈開路或未點燃時發(fā)生，環(huán)路也對負載電流調控，但小于短路狀態(tài)。在上述情況之間，驅動LPOWER管腳的放大器將相加負載電流和負載電壓并產(chǎn)生大致與負載功率成比例的信號。

UCC3305除包含完整電流型PWM外，內部還包含率斜報償，一種改進電流環(huán)穩(wěn)定性非常有價值的功能。率斜報償通過芯片內的鋸齒電流和芯片外RSL電阻實現(xiàn)，RSL值越大，給出的斜率補償越大，反饋環(huán)路越穩(wěn)定。

該典型應用中，UCC3305從6.8V齊納管取得供電。齊納管還能以較少元件和加低成本提供過壓保護，電池反接保護。齊納管的輸出驅動UCC3305的VCC管腳。VCC輸入到UCC3305電荷泵。電荷泵在BOOST輸出產(chǎn)生10V已調整電源電壓驅動UCC3305的其它所有功能。

考慮到汽車環(huán)境里最顯著的應力是發(fā)生在負載轉換和雙電池突然啟動期間的過壓，因為此時進入鎮(zhèn)流器的電壓可能高得足以使特意設計的功率級受損。采用齊納管調整的供電電壓UCC3305對此種損傷有固有免疫力。另外，當BAT輸入處出現(xiàn)過壓時，UCC3305還能通過關閉PWM保護鎮(zhèn)流器元件。

UCC3305所有電路系統(tǒng)的偏置電流都由ISET到地的電阻設定，該電阻在最佳條件下應在75k至150k間。

HID燈控制器UCC3305中振蕩器頻率由從ISET到地的電阻和電容設定，振蕩器振蕩頻率可以由下式估算：

振蕩頻率100kHz時，RSET和COSC分別為100k和200pF。

汽車前燈的光強度必須非常迅速達到全亮，但HID燈需要幾分鐘才穩(wěn)定。UCC3305控制器含處理和補嘗燈溫的復雜內部電路。電路通過監(jiān)測燈打開時充電，燈關閉時放電的電容器上的電壓預測燈溫，UCC3305通過以較高的功率驅動冷燈，當燈升溫變暖后便將驅動功率減少到正常工作水平的方式補嘗燈溫。

SLOPEC和WARMUPC管腳外接的電容CS和CW是設置時間常數(shù)的元件，選擇須與燈的時間-溫度關系匹配。除改變功率調整點之外，WARMUPC處電容上電壓也能改變燈的短路電流。通過從ADJ到地的電阻可以設置冷燈短路電流與暖燈短路電流之比。

當鎮(zhèn)流器去電時，CS和CW須以受控的速率放電。放電電流可利用UCC3305連接在BYPASS端口的電流源調節(jié)。典型應用時，BYPASS端口至地接普通電解電容，鎮(zhèn)流器工作時充電儲能，鎮(zhèn)流器關閉時使用所儲能量控制放電速率。

OSRAM和SYLVANIA采用該電路制成的35W汽車前燈鎮(zhèn)流器，性能指標為

輸入電壓要求：9-16VDC

啟動要求：必須運行啟動然后降至6VDC

保護和故障監(jiān)控：抗輸入過壓、輸出開路和輸出短路保護

功率調整：在整個60-100VDC燈電壓變動范圍，燈功率可調控至+10%之內。

燈點火電壓：啟動時提供高于500VDC開路電壓以點燃燈

效率：大于85%

冷啟動：初始啟動狀態(tài)的光輸出在SAEJ2009規(guī)定范圍之內

熱限制：無須冷卻，鎮(zhèn)流器即能將燈妥當點燃

3 結論

通過上面的分析，發(fā)現(xiàn)UCC2305是一款非常適合汽車HID燈驅動應用的芯片。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。