利用全數(shù)字安定器方案解決HID設計挑戰(zhàn)

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。

模擬控制方案面臨挑戰(zhàn)

HID燈的點燃主要分為如下幾個過程：高壓生成，依據(jù)燈的老化狀態(tài)和冷熱狀態(tài)，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(tài)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(tài)；HID達到穩(wěn)態(tài)后進行到穩(wěn)定恒管理狀態(tài)。

從這些狀態(tài)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(xiàn)匹配成為廠商面臨的挑戰(zhàn)，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(fā)展經(jīng)歷了模擬、模擬+數(shù)字和全數(shù)字控制3個主要階段。目前處于向數(shù)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(huán)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(shù)也多，批量生產時往往需要對參數(shù)進行調整。

圖1：HID模擬控制方案。

全數(shù)字方案加強控制性能

根據(jù)目前市場上HID方案存在的問題，世強電訊提出了全數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(jié)，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(huán)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(shù)字控制可以有效識別燈的工作狀態(tài)，并且根據(jù)燈的狀態(tài)變化而作出快速的保護。傳統(tǒng)的安定器，短路保護動作大約需要500ms到1s時間，而全數(shù)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。

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(fā)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(tài)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(shù)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(shù)字方案的優(yōu)點非常突出，因為該方案中采用的MCU把傳統(tǒng)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(tài)，并且將延續(xù)一段時間。此時，燈的流非常大，與真正的短路狀態(tài)相差無幾。傳統(tǒng)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(tǒng)HID設計中，往往讓大電流持續(xù)一段時間，因為HID燈的特性決定低阻抗狀態(tài)只會持續(xù)1段時間，在經(jīng)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(tǒng)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。