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利用全数字安定器方案解决HID设计挑战 |
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作者：世强电讯 黄义 刘伟 戈洪凯 |
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当前，国内中档乘用车正风行采用HID灯作为其前大灯照明方式，HID灯的高亮度、高效率、高色彩还原度等特性使其非常适合夜间照明，同时其在路灯、装饰灯上的应用也逐步增加。但是HID灯是目前气体灯中控制比较困难的一种，对其电控器设计要点的深入分析对于HID灯的普及有非常重要的意义。
模拟控制方案面临挑战
HID灯的点燃主要分为如下几个过程：高压生成，依据灯的老化状态和冷热状态，生成大约在2万伏左右的高压；高压击穿，高压把处于绝缘态的HID灯内气体击穿，灯的阻抗迅速下降；高压停止工作，这时HID灯进入恒功率调整状态；HID达到稳态后进行到稳定恒管理状态。
从这些状态可以看出HID灯的控制过程比较复杂，不同厂商的HID灯特性往往不尽相同。如何使使控制HID灯的安定器与不同特性曲线的HID灯实现匹配成为厂商面临的挑战，而好的安定器设计更是对于灯的寿命、可靠性方面具有重要的影响。
HID安定器的发展经历了模拟、模拟+数字和全数字控制3个主要阶段。目前处于向数字控制全面过渡的时期。
HID需要一个高压生成电路，主电路采用fly-back模式，而推动HID灯的电路采用全桥工作模式，为HID灯提供交流电流。如图1所示，模拟电路主要问题是MCU给出实际功率到3843，3843对此进行输出调整。MCU可以测量出实际的灯功率，但是它无法直接控制输出功率，而是要提供3843来进行控制，因此会使整个环路的恒功率性能下降。同时，MCU难以模拟出实际的HID控制曲线。同时，因为模拟电路设计复杂，需要调整的参数也多，批量生产时往往需要对参数进行调整。
图1：HID模拟控制方案
全数字方案加强控制性能
根据目前市场上HID方案存在的问题，世强电讯提出了全数字HID安定器的设计理念，通过采用高速MCU完成整个HID安定器的控制功能。如图2所示，全数字HID安定器方案在简化原有结构的同时，也带来了如下好处：
图2：全数字控制方案
MCU采用AD进行采样，使批量生产一致性大大提高。原有模拟方案输出功率控制精度大约为±2W，而采用数字控制后，输出功率控制精度达到小于±0.5W。同时，因为MCU控制整个回路的每一个控制细节，为其带来完美模拟HID的控制曲线。而紧凑的恒功率架构使环路响应速度大大提高，在输入电压变化和灯晃动时，几乎观测不到HID灯功率的抖动。另外，完善而全面的保护功能，全数字控制可以有效识别灯的工作状态，并且根据灯的状态变化而作出快速的保护。传统的安定器，短路保护动作大约需要500ms到1s时间，而全数字方案可以达到20ms的快速保护动作。大大提高HID的安全性能。
针对设计难点进行考虑
在HID设计过程中，往往会有诸多问题困扰HID厂商和研发工程师。这些问题包括超薄型安定器的设计、保护功能和工作状态的冲突、兼容性设计、控制功能以及控制性能对处理能力的要求等。
超薄型安定器对方案的结构要求很高。因为超薄型安定器面积非常小，所以要求方案元件数量要非常少，同时效率要很高。而该方案若需要逐步普及的话，则要求方案成本要和原有方案类似。而全数字方案的优点非常突出，因为该方案中采用的MCU把传统方案中需要的DC/DC、运放功能集成了。
HID灯在启动时，击穿瞬间相当于短路状态，并且将延续一段时间。此时，灯的流非常大，与真正的短路状态相差无几。传统方案则无法对此进行准确识别，因为当它检测到大电流就就错误地进行短路保护，会使一些灯无法点亮。所以，传统HID设计中，往往让大电流持续一段时间，因为HID灯的特性决定低阻抗状态只会持续1段时间，在经过这段时间后再检测大电流是否维持。若维持，则进行短路变化。所以传统的HID安定器往往需要0.5秒到1秒，甚至是2秒时间才进行短路动作。这对整个电路和元器件的损害非常大，很多的安定器在进行几次短路保护后就烧毁了。
全数字方案则在灯启动的不同阶段采取不同的保护措施，比如启动阶段需要的电流情况和工作阶段的电流情况是不同的，那么就可以进行非常快速的短路电流保护。而全数字方案短路保护时间小于0.02秒，往往在示波器上无法观察到大电流产生，安定器就已经进入到保护状态了，并不会对灯的启动造成影响。
由于不同厂商的HID灯性能不尽相同，灯管压高差别相当大。在不同的冷热状态下，灯的击穿电压差别也是非常大，同时灯的功率给定也不同。因此很难用一种简单的控制模式来完美匹配不同灯的控制特性。在一些安定器的设计中采用多组控制曲线来匹配不同的HID灯，这会解决掉一些匹配的问题，但是同样也带来了其他的问题。因为即使是相同厂商的HID灯，不同时期的特性都会有差别，几组曲线不足涵盖目前HID灯厂商的全部系列。
因此必须从HID的启动原理和启动过程中寻找根本解决办法。使用MCU则可以动态检测灯的管压和灯的工作状态，然后采用电流控制和功率控制手段组合对HID灯进行细致的工作曲线控制，减少HID灯闪烁的影响，动态识别并适应灯在不同状态下对启动曲线的控制要求。
一般来讲，HID灯随着使用时间的增加，HID的老化现象会逐步显现出来，表现是HID灯的管压升高。如果采用恒功率的话，管压升高后电流会减少，而当电流减少到一定程度，容易发生熄弧问题。采用全数字设计时，当检测到灯老化到一定程度后，将转入恒流控制，维持HID灯亮度的稳定，可有效延长灯的寿命。
HID灯和其他的照明方式发展一样会向增强控制功能方向发展，而使用全数字控制则在这方面有其天然的优势。HID在稳定时基本上是个恒定负载，这对于HID安定器的控制性能要求是不高的，但是在汽车等应用中，由于汽车在行驶中会受到路面颠簸的影响，导致HID灯的工作状态一直在变化。HID采用恒功率控制，那么就要求恒功率的响应速度比较快，以很好地追随HID灯的波动。
目前没有具体的恒功率响应要求，汽车振动的频率是与发动机转速和行驶的速度成正比的。汽油发动机在高速是为6000转/分。汽车在高速公路时速110公里时，汽车的振动频率在4000～5000次/分。而振动频率又与路面相关。因此，HID灯方案的响应速度要超过汽车的最大振动频率，这要求环路带宽至少在1KHz以上。如果汽车在剧烈晃动时功率环响应速度不够，则灯有熄灭的可能，这对行车是很危险的。目前世强电讯的全数字方案功率环为5kHz，这个环路响应速度已足够避免这种危险。
对于高速的环路运算，一般会采用DSP来实现核心运算，但是HID是个对价格非常敏感的应用，而DSP的价格会在1美元以上，所以全数字方案选择了Silicon Labs的C8051 8位MCU，该系列MCU的处理速度(25MIPS)可以满足HID对性能和价格的要求。
LED vs HID
HID将不断向普通家用车普及，同时也在控制技术成熟的同时向其他的行业应用拓展。目前在LED高速发展的情况下，HID将和LED以及其他照明方式细分应用，共同发展。
HID的发光效率高，但是安定器复杂。LED控制器相对简单些，但是LED发光效率比HID要低大约20%。因此，大功率LED的价格将高于HID照明方式。
另外，LED照明标称寿命很长，但是受到LED半衰期的影响，LED使用寿命会大受影响。因为目前大功率LED的半衰期大约为1万多小时，我们不可能会容忍灯亮度降低一半还继续使用，一般降低到30%就要更换了，这使实际上LED和HID的使用寿命相差不多。并且HID气体灯照明本身也在高速发展。因此，HID的发展前景是十分看好的，从目前的情形来看，其市场容量也在不断扩大。(end)
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(12/1/2008) |
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