金刚网厂家
免费服务热线

Free service

hotline

010-00000000
金刚网厂家
热门搜索:
行业资讯
当前位置:首页 > 行业资讯

做座利用全数字安定器方案解决HID设计挑战

发布时间:2021-10-14 22:53:33 阅读: 来源:金刚网厂家

利用全数字安定器方案解决HID设计挑战

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,短由于注塑成型装备的功能多样性的利用范围广泛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,HI其防刮擦表现确切不佳D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高端配置的电脑、打印机等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实验结果可自行保管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)

金属材料拉伸试验机
数显电子拉力试验机
数显电子拉力试验机
万能材料试验机报价