TI車用HID燈集成電路驅(qū)動控制芯片CC3305的應(yīng)用設(shè)計
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
引言
高強(qiáng)度氣體放電（HID：HighintensityDischarge）燈實(shí)際上包括了一大類采用小型高內(nèi)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(dāng)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(shè)計。MH燈功能非常象水銀蒸氣燈，但因在燈管內(nèi)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(zhì)的光。
金鹵燈與傳統(tǒng)鹵素?zé)粢膊煌?，因?yàn)闊艄軆?nèi)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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，就會發(fā)出色溫高達(dá)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(diǎn)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(nèi)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(hù)功能。點(diǎn)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(guān)管的驅(qū)動信號，完成DC-AC逆變，實(shí)現(xiàn)燈管兩端電壓極性反轉(zhuǎn)，防止燈管單端發(fā)黑，延長燈管壽命?？刂齐娐菲鸬奖ＷC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(nèi)，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(yīng)用設(shè)計的集成電路驅(qū)動控制芯片，UCC3305集成了控制和驅(qū)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(shè)備。具有下列符合車用HID鎮(zhèn)流器設(shè)計的性能要求：
·全橋驅(qū)動輸出
·具有輸入過壓、輸出過流及過壓保護(hù)
·針對不同燈管電壓的恒功率輸出控制
·頻率高達(dá)300KHz的電流型PWM控制器
·燈冷、熱啟動電流可調(diào)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(yīng)用電路分析外引腳圖，簡要說明如下：
5VREF—內(nèi)部5V基準(zhǔn)，UCC3305用于設(shè)定電流和門限。也可用于其他功能。
ADJ—該管腳的電壓可調(diào)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(dāng)輸入超出某預(yù)定電平時關(guān)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(yīng)。當(dāng)輸入電壓超出5V，UCC3305即關(guān)閉。非常高或負(fù)輸入情形下要保護(hù)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(guān)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(bǔ)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(dāng)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(qū)動COMP對整體反饋環(huán)路補(bǔ)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(diǎn)燃后停止極性開關(guān)非常重要。抬高DIVPAUSE電位可停止內(nèi)部分壓器產(chǎn)生QOUT和QOUT信號，從而使QOUT和QOUT信號凍結(jié)。為此可從NOTON接一電阻至DIVPAUSE和從DIVPAUSE接一電容至GND。
FLTC—因?yàn)閂OUTSENSE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(yùn)行期間，F(xiàn)LTC接有電容并通過UCC3305內(nèi)部電流源放電至0V。UCC3305監(jiān)測VOUTSENSE處的電壓并與內(nèi)部低閾83mV和高閾2V比較。只要管腳VOUTSENSE處的電壓超出內(nèi)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(zāi)難性故障而關(guān)閉，此狀態(tài)一直維持到BOOST端去電。
FB—UCC3305內(nèi)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(qū)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(diào)整算法對燈的電流和電壓進(jìn)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(jìn)行調(diào)節(jié)。UCC3305的正常工作電流對應(yīng)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(jié)合VOUTSENSE傳感到的燈電壓。控制器將給出不同溫度下向燈提供的功率。
LPOWER—LOADISENSE直接驅(qū)動UCC3305中一個運(yùn)放的輸入，對負(fù)載電流預(yù)期和實(shí)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(dāng)VOUTSENSE管腳電壓在83mV到2V窗口之內(nèi)時，NOTON電位則被拉低。
OSC—該管腳接電容至GND設(shè)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(guān)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(diào)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(biāo)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(yīng)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(yùn)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(dá)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(diǎn)亮?xí)r，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(diào)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(nèi)含緩沖放大器對WARMUPC電壓進(jìn)行緩沖處理后送至WARMUPV，以使信號適合驅(qū)動FB。
2 典型應(yīng)用電路分析
圖4為采用UCC3305構(gòu)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(jié)構(gòu)。反激變換器的輸出直流通過全橋逆變結(jié)構(gòu)輸出級導(dǎo)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(yùn)行（NotOn）時為高電平，燈運(yùn)行時為低電平。因該輸出與DIVPAUSE輸入相連，故當(dāng)燈充分點(diǎn)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(qū)動低端MOSFET的能力。高端MOSFET則需要電平位移驅(qū)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(nèi)對燈實(shí)施恒功率調(diào)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(shè)定。
當(dāng)VOUTSENSE的輸入低于0.5V，恰如燈已短路，環(huán)路調(diào)控負(fù)載電流使之恒定。當(dāng)VOUTSENSE的輸入高于0.82V，燈開路或未點(diǎn)燃時發(fā)生，環(huán)路也對負(fù)載電流調(diào)控，但小于短路狀態(tài)。在上述情況之間，驅(qū)動LPOWER管腳的放大器將相加負(fù)載電流和負(fù)載電壓并產(chǎn)生大致與負(fù)載功率成比例的信號。
UCC3305除包含完整電流型PWM外，內(nèi)部還包含率斜報償，一種改進(jìn)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(nèi)的鋸齒電流和芯片外RSL電阻實(shí)現(xiàn)，RSL值越大，給出的斜率補(bǔ)償越大，反饋環(huán)路越穩(wěn)定。
該典型應(yīng)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(hù)，電池反接保護(hù)。齊納管的輸出驅(qū)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(diào)整電源電壓驅(qū)動UCC3305的其它所有功能。
考慮到汽車環(huán)境里最顯著的應(yīng)力是發(fā)生在負(fù)載轉(zhuǎn)換和雙電池突然啟動期間的過壓，因?yàn)榇藭r進(jìn)入鎮(zhèn)流器的電壓可能高得足以使特意設(shè)計的功率級受損。采用齊納管調(diào)整的供電電壓UCC3305對此種損傷有固有免疫力。另外，當(dāng)BAT輸入處出現(xiàn)過壓時，UCC3305還能通過關(guān)閉PWM保護(hù)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(shè)定，該電阻在最佳條件下應(yīng)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(shè)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(qiáng)度必須非常迅速達(dá)到全亮，但HID燈需要幾分鐘才穩(wěn)定。UCC3305控制器含處理和補(bǔ)嘗燈溫的復(fù)雜內(nèi)部電路。電路通過監(jiān)測燈打開時充電，燈關(guān)閉時放電的電容器上的電壓預(yù)測燈溫，UCC3305通過以較高的功率驅(qū)動冷燈，當(dāng)燈升溫變暖后便將驅(qū)動功率減少到正常工作水平的方式補(bǔ)嘗燈溫。
SLOPEC和WARMUPC管腳外接的電容CS和CW是設(shè)置時間常數(shù)的元件，選擇須與燈的時間-溫度關(guān)系匹配。除改變功率調(diào)整點(diǎn)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(shè)置冷燈短路電流與暖燈短路電流之比。
當(dāng)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(diào)節(jié)。典型應(yīng)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(guān)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(biāo)為
輸入電壓要求：9-16VDC
啟動要求：必須運(yùn)行啟動然后降至6VDC
保護(hù)和故障監(jiān)控：抗輸入過壓、輸出開路和輸出短路保護(hù)
功率調(diào)整：在整個60-100VDC燈電壓變動范圍，燈功率可調(diào)控至+10%之內(nèi)。
燈點(diǎn)火電壓：啟動時提供高于500VDC開路電壓以點(diǎn)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(nèi)
熱限制：無須冷卻，鎮(zhèn)流器即能將燈妥當(dāng)點(diǎn)燃
3 結(jié)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(qū)動應(yīng)用的芯片。它涵蓋了HID燈驅(qū)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(shè)計方便，開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。相信隨著HID燈在汽車中的普及，UCC2305會得到更廣泛的推廣。
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