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當前，國內中檔乘用車正風行采用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的深入分析對于HID燈的普及有非常重要的意義。 1 模擬控制方案面臨挑戰 HID燈的點燃主要分為如下幾個過程：高壓生成，依據燈的老化狀態和冷熱狀態，生成大約在2萬伏左右的高壓；高壓擊穿，高壓把處于絕緣態的HID燈內氣體擊穿，燈的阻抗迅速下降；高壓停止工作，這時HID燈進入恒功率調整狀態；HID達到穩態后進行到穩定恒管理狀態。 從這些狀態可以看出HID燈的控制過程比較復雜，不同廠商的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的HID燈實現匹配成為廠商面臨的挑戰，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安定器的發展經歷了模擬、模擬+數字和全數字控制3個主要階段。目前處于向數字控制全面過渡的時期。 HID需要一個高壓生成電路，主電路采用 fly-back 模式，而推動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，模擬電路主要問題是MCU給出實際功率到3843，3843對此進行輸出調整。MCU可以測量出實際的燈功率，但是它無法直接控制輸出功率，而是要提供3843來進行控制，因此會使整個環路的恒功率性能下降。同時，MCU難以模擬出實際的HID控制曲線。同時，因為模擬電路設計復雜，需要調整的參數也多，批量生產時往往需要對參數進行調整。 圖1：HID模擬控制方案。 2 全數字方案加強控制性能 根據目前市場上HID方案存在的問題，世強電訊提出了全數字HID安定器的設計理念，通過采用高速MCU完成整個HID安定器的控制功能。如圖2所示，全數字HID安定器方案在簡化原有結構的同時，也帶來了如下好處： 圖2：全數字控制方案。 MCU采用AD進行采樣，使批量生產一致性大大提高。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，因為MCU控制整個回路的每一個控制細節，為其帶來完美模擬HID的控制曲線。而緊湊的恒功率架構使環路響應速度大大提高，在輸入電壓變化和燈晃動時，幾乎觀測不到HID燈功率的抖動。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，并且根據燈的狀態變化而作出快速的保護。傳統的安定器，短路保護動作大約需要500ms到1s時間，而全數字方案可以達到20ms的快速保護動作。大大提高HID的安全性能。 3 針對設計難點進行考慮 在HID設計過程中，往往會有諸多問題困擾HID廠商和研發工程師。這些問題包括超薄型安定器的設計、保護功能和工作狀態的沖突、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，同時效率要很高。而該方案若需要逐步普及的話，則要求方案成本要和原有方案類似。而全數字方案的優點非常突出，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燈在啟動時，擊穿瞬間相當于短路狀態，并且將延續一段時間。此時，燈的流非常大，與真正的短路狀態相差無幾。傳統方案則無法對此進行準確識別，因為當它檢測到大電流就就錯誤地進行短路保護，會使一些燈無法點亮。所以，傳統HID設計中，往往讓大電流持續一段時間，因為HID燈的特性決定低阻抗狀態只會持續1段時間，在經過這段時間后再檢測大電流是否維持。若維持，則進行短路變化。所以傳統的HID安定器往往需要0.5秒到1秒，甚至是2秒時間才進行短路動作。這對整個電路和元器件的損害非常大，很多的安定器在進行幾次短路保護后就燒毀了。 全數字方案則在燈啟動的不同階段采取不同的保護措施，比如啟動階段需要的電流情況和工作階段的電流情況是不同的，那么就可以進行非�？焖俚亩搪冯娏鞅Ｗo。而全數字方案短路保護時間小于0.02秒，往往在示波器上無法觀察到大電流產生，安定器就已經進入到保護狀態了，并不會對燈的啟動造成影響。 由于不同廠商的HID燈性能不盡相同，燈管壓高差別相當大。在不同的冷熱狀態下，燈的擊穿電壓差別也是非常大，同時燈的功率給定也不同。因此很難用一種簡單的控制模式來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來匹配不同的HID燈，這會解決掉一些匹配的問題，但是同樣也帶來了其他的問題。因為即使是相同廠商的HID燈，不同時期的特性都會有差別，幾組曲線不足涵蓋目前HID燈廠商的全部系列。 因此必須從HID的啟動原理和啟動過程中尋找根本解決辦法。使用MCU則可以動態檢測燈的管壓和燈的工作狀態，然后采用電流控制和功率控制手段組合對HID燈進行細致的工作曲線控制，減少HID燈閃爍的影響，動態識別并適應燈在不同狀態下對啟動曲線的控制要求。 一般來講，HID燈隨著使用時間的增加，HID的老化現象會逐步顯現出來，表現是HID燈的管壓升高。如果采用恒功率的話，管壓升高后電流會減少，而當電流減少到一定程度，容易發生熄弧問題。采用全數字設計時，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，可有效延長燈的壽命 圖3：LED與HID照明功率與價格變化趨勢 HID燈和其他的照明方式發展一樣會向增強控制功能方向發展，而使用全數字控制則在這方面有其天然的優勢。HID在穩定時基本上是個恒定負載，這對于HID安定器的控制性能要求是不高的，但是在汽車等應用中，由于汽車在行駛中會受到路面顛簸的影響，導致HID燈的工作狀態一直在變化。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。 目前沒有具體的恒功率響應要求，汽車振動的頻率是與發動機轉速和行駛的速度成正比的。汽油發動機在高速是為6000轉/分。汽車在高速公路時速110公里時，汽車的振動頻率在4000～5000次/分。而振動頻率又與路面相關。因此，HID燈方案的響應速度要超過汽車的最大振動頻率，這要求環路帶寬至少在1KHz以上。如果汽車在劇烈晃動時功率環響應速度不夠，則燈有熄滅的可能，這對行車是很危險的。目前世強電訊的全數字方案功率環為5kHz，這個環路響應速度已足夠避免這種危險。 對于高速的環路運算，一般會采用DSP來實現核心運算，但是HID是個對價格非常敏感的應用，而DSP的價格會在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)可以滿足HID對性能和價格的要求。 4 LED vs HID HID將不斷向普通家用車普及，同時也在控制技術成熟的同時向其他的行業應用拓展。目前在LED高速發展的情況下，HID將和LED以及其他照明方式細分應用，共同發展。 HID的發光效率高，但是安定器復雜。LED控制器相對簡單些，但是LED發光效率比HID要低大約20%。因此，大功率LED的價格將高于HID照明方式。 另外，LED照明標稱壽命很長，但是受到LED半衰期的影響，LED使用壽命會大受影響。因為目前大功率LED的半衰期大約為1萬多小時，我們不可能會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展。因此，HID的發展前景是十分看好的，從目前的情形來看，其市場容量也在不斷擴大。 |
