基于UCC3305的汽车HID灯应用设计 - 全文

　　引言

　　高强度气体放电（HID：HighintensityDischarge）灯实际上包括了一大类采用小型高内压弧光管发光的照明产品，基本上有三种类型：水银蒸气（MV）灯，金属卤化物（MH）灯和高、低压钠（HPS或LPS）灯。HID灯全都按与日光灯相似的放电原理工作：当灯管里充填的气体，如被镇流器提供的电流激活时便会发光。

　　金属卤化物（MH）灯是为改善水银蒸气灯的亮度、显色性差和效率相对低的特征而设计。MH灯功能非常象水银蒸气灯，但因在灯管内添加了如铊、铟和钠金属的碘化物（卤化物），故比之只有水银蒸气能发放更多和更优质的光。

　　金卤灯与传统卤素灯也不同，因为灯管内另有一小玻璃球灌满了氙气及少许稀有金属，受电流刺激进行化学反应，就会发出色温高达4000K-12000K的光芒，如图1。

　　

　　车用金卤灯镇流器系统主要由包括从9-16V汽车硫酸铅电池输入的直流-直流变换器，高压点火器，200-400Hz全桥逆变器以及保证稳态功率输出的控制电路4部分组成（图2）。DC/DC变换器须满足在9-16V输入电压范围内能输出直流电60-500V的压，并具有输入过压、输出短路/开路和过流保护功能。点火器的功能是产生瞬间高压 20-30KV的击穿灯管放电。全桥逆变器提供200-400Hz全桥功率开关管的驱动信号，完成DC-AC逆变，实现灯管两端电压极性反转，防止灯管单端发黑，延长灯管寿命。控制电路起到保证向灯稳态时提供恒功率输出。稳压时灯管两端的压降约为60-110V，如35W灯管稳态时其功率必须保证在 35W±2W范围之内，功率太高的会损坏灯管，缩短灯管使用寿命；功率过低则会降低输出亮度，造成驾车安全隐患。

　　

　　1 UCC2305简介

　　UCC3305是德州仪器公司一款针对车用HID灯应用设计的集成电路驱动控制芯片，UCC3305集成了控制和驱动HID灯所需全部功能，既能配合快速打开汽车前灯的要求，也适用其他选择HID灯的照明设备。具有下列符合车用HID镇流器设计的性能要求：

　　·全桥驱动输出

　　·具有输入过压、输出过流及过压保护

　　·针对不同灯管电压的恒功率输出控制

　　·频率高达300KHz的电流型PWM控制器

　　·灯冷、热启动电流可调与正常工作电流控制

　　·9-16V输入电压宽工作范围及低至6V的快速启动特性

　　·符合汽车电子要求的40°-105°C宽温度工作范围

　　典型应用电路分析外引脚图，简要说明如下：

　　

　　5VREF—内部5V基准，UCC3305用于设定电流和门限。也可用于其他功能。

　　ADJ—该管脚的电压可调整控制冷灯峰值电流与暖灯峰值电流之比。此电压由从ADJ到GND连接的电阻确定。

　　BAT—用于检测过份高的输入电压并当输入超出某预定电平时关闭集成电路。该管脚与跨接在输入电源与“地”的分压器相连接应。当输入电压超出5V，UCC3305即关闭。非常高或负输入情形下要保护集成电路，分压器阻抗须保持高于10k。

　　BOOST—尽管UCC3305由输入VCC供电，但器件的多数功能却依赖与BOOST连接近似10V的电源电压。10V电源电压可利用PUMPOUT作AC信号，外接二极管作开关的倍压器产生。

　　BYPASS—管脚外接储能大电容，提供SLOPEC和WARMUPC管脚处电容器的充、放电。通过SLOPEC和WARMUPC管脚电容器上的电压改变来补尝灯温变化。假定流过BYPASS管脚的最大电流为5μA，放电时间60s，最大许可压降为 5V，则BYPASS外接电容可按下式估算：

　　

　　COMP—通常该端口经电容连接到FB端。当灯的指令功率和期望功率之间存在差异时，误差放大器便将次放大。放大器传感到FB和2.5V之间的差别，并以被放大的误差电压驱动COMP对整体反馈环路补偿，以保持系统稳定。

　　DIVPAUSE—UCC3305的QOUT和QOUT是AC镇流器用于灯极性切换的端口。为使电弧在电极间正确的地方形成，灯点燃后停止极性开关非常重要。抬高DIVPAUSE电位可停止内部分压器产生QOUT和QOUT信号，从而使QOUT和 QOUT信号冻结。为此可从NOTON接一电阻至DIVPAUSE和从DIVPAUSE接一电容至GND。

　　FLTC—因为VOUTSENSE管脚的电压正比于灯电压，故该电压太高或太低，灯将开路，短路或者不工作。正常运行期间，FLTC接有电容并通过UCC3305内部电流源放电至0V。UCC3305监测VOUTSENSE处的电压并与内部低阈 83mV和高阈2V比较。只要管脚VOUTSENSE处的电压超出内部高、低阈值窗口，便有约250nA电流拉动FLTC。如故障存在较久，FLTC外部电容充电出超过5V，则表明控制器遭遇灾难性故障而关闭，此状态一直维持到BOOST端去电。

　　FB—UCC3305内部误差放大器对灯指令功率和期望功率间的差异放大后，传感到FB与2.5V的差并以误差电压驱动COMP。

　　ISENSEIN—丛该管脚接入电流传感电阻对电池电流做出传感，UCC3305控制器中的功率调整算法对灯的电流和电压进行计算并发出电池电流适合指令以维持灯的功率恒定。

　　ISET—UCC3305的许多功能都需要对电流精确控制，该管脚连接电阻至GND可对手空电流进行调节。UCC3305的正常工作电流对应的电阻约100k。

　　LOADISENSE—恰如ISENSEIN接传感电阻监测电池电流，LOADISENSE接传感电阻监测灯的电流。结合VOUTSENSE传感到的灯电压。控制器将给出不同温度下向灯提供的功率。

　　LPOWER—LOADISENSE直接驱动UCC3305中一个运放的输入，对负载电流预期和实际值之差放大并在LPOWER产生馈送给误差放大器的输出信号。

　　NOTON—灯处于错误条件之下，如灯电压过份高或低时，NOTON管脚电位将被抬高至VCC。当VOUTSENSE管脚电压在83mV到2V窗口之内时，NOTON电位则被拉低。

　　OSC—该管脚接电容至GND设定UCC3305中PWM的频率。典型200pF电容的频率为100kHz。

　　PUMPOUT—虽然UCC3305由VCC供电，但器件的多数功能均从与BOOST连接的近似 10V的电源电压取得。该10V电源电压采用PUMPOUT作交流信号与外接二极管作开关的倍压器产生。PUMPOUT输出为摆幅从VCC至GND，频率为OSC频率之半的方波。

　　PWMOUT—脉宽度调制器的输出。正常系统中，PWMOUT可与N沟功率MOSFET栅极直接连接。

　　QOUT—振荡器频率的逻辑输出与QOUT相位差180度。

　　SLOPEC—为跟踪灯的升温和冷却，UCC3305须连接充电和放电两个电容。其一连接SLOPEC，以由ISET接GND电阻控制的速率充电至5V。VCC去电，SLOPEC以标称100nA恒定电流放电。另一连接WARMUPC。

　　VCC—为UCC3305的主供电电源。一般应通过外接zener二极管钳位于6.8V。

　　VOUTSENSE—该管脚用于通过120:1分压器传感灯电压，正常运行的HID灯，灯的端电压在60V和110V之间。高于300V灯将击穿，故须限制起辉器输入电压到达600V最大值。灯电压低于10V则表示灯已短路。

　　WARMUPC—该管脚到GND所接电容的电压可估计灯的温度。灯点亮时，电容先由200nA电流源充电至4.2V，再由100nA电流源从4.2V充电至10V；灯熄灭时，电容先由39nA电流阱放电至2.5V，再由11nA电流阱放电至GND。

　　WARMUPV—WARMUPC端口的电压用于调制通过FB馈送到误差放大器的信号。但是，直接地使用阻抗太高。UCC3305内含缓冲放大器对WARMUPC电压进行缓冲处理后送至WARMUPV，以使信号适合驱动FB。

　　2 典型应用电路分析

　　图4为采用UCC3305构建的车用反激式HID灯镇流器电路。分析讨论如下：

　　

　　由图可知，镇流器的输出系全桥逆变结构。反激变换器的输出直流通过全桥逆变结构输出级导向交流灯管。该全桥输出级以从PWM振荡器获得的典型195Hz低频切换工作，故平均灯电压为零。UCC3305有一个称NOTON的逻辑输出，灯不运行（NotOn）时为高电平，灯运行时为低电平。因该输出与DIVPAUSE输入相连，故当灯充分点亮后此低频切换便即终止。UCC3305控制集成电路有二个低频输出：QOUT和QOUT，均具有直接以195Hz驱动低端MOSFET的能力。高端MOSFET则需要电平位移驱动。

　　UCC3305的LPOWER输出是一个大致与灯的输入功率成比例的电压。UCC3305能在灯电压的较大范围内对灯实施恒功率调控。产生灯恒功率的灯电压范围通过对VOUTSENSE端口放大器作限定的方法来设定。

　　当VOUTSENSE的输入低于0.5V，恰如灯已短路，环路调控负载电流使之恒定。当 VOUTSENSE的输入高于0.82V，灯开路或未点燃时发生，环路也对负载电流调控，但小于短路状态。在上述情况之间，驱动LPOWER管脚的放大器将相加负载电流和负载电压并产生大致与负载功率成比例的信号。

　　UCC3305除包含完整电流型PWM外，内部还包含率斜报偿，一种改进电流环稳定性非常有价值的功能。率斜报偿通过芯片内的锯齿电流和芯片外RSL电阻实现，RSL值越大，给出的斜率补偿越大，反馈环路越稳定。

　　该典型应用中，UCC3305从6.8V齐纳管取得供电。齐纳管还能以较少元件和加低成本提供过压保护，电池反接保护。齐纳管的输出驱动UCC3305的VCC管脚。VCC输入到UCC3305电荷泵。电荷泵在BOOST输出产生10V已调整电源电压驱动UCC3305的其它所有功能。

　　考虑到汽车环境里最显着的应力是发生在负载转换和双电池突然启动期间的过压，因为此时进入镇流器的电压可能高得足以使特意设计的功率级受损。采用齐纳管调整的供电电压UCC3305对此种损伤有固有免疫力。另外，当BAT输入处出现过压时，UCC3305还能通过关闭PWM保护镇流器元件。

　　UCC3305所有电路系统的偏置电流都由ISET到地的电阻设定，该电阻在最佳条件下应在75k至150k间。

　　HID灯控制器UCC3305中振荡器频率由从ISET到地的电阻和电容设定，振荡器振荡频率可以由下式估算：

　　

　　振荡频率100kHz时，RSET和COSC分别为100k和200pF。

　　汽车前灯的光强度必须非常迅速达到全亮，但HID灯需要几分钟才稳定。UCC3305控制器含处理和补尝灯温的复杂内部电路。电路通过监测灯打开时充电，灯关闭时放电的电容器上的电压预测灯温，UCC3305通过以较高的功率驱动冷灯，当灯升温变暖后便将驱动功率减少到正常工作水平的方式补尝灯温。

　　SLOPEC和WARMUPC管脚外接的电容CS和CW是设置时间常数的元件，选择须与灯的时间-温度关系匹配。除改变功率调整点之外，WARMUPC处电容上电压也能改变灯的短路电流。通过从ADJ到地的电阻可以设置冷灯短路电流与暖灯短路电流之比。

　　当镇流器去电时，CS和CW须以受控的速率放电。放电电流可利用UCC3305连接在BYPASS端口的电流源调节。典型应用时，BYPASS端口至地接普通电解电容，镇流器工作时充电储能，镇流器关闭时使用所储能量控制放电速率。

　　OSRAM和SYLVANIA采用该电路制成的35W汽车前灯镇流器，性能指标为

　　输入电压要求：9-16VDC

　　启动要求：必须运行启动然后降至6VDC

　　保护和故障监控：抗输入过压、输出开路和输出短路保护

　　功率调整：在整个60-100VDC灯电压变动范围，灯功率可调控至+10%之内。

　　灯点火电压：启动时提供高于500VDC开路电压以点燃灯

　　效率：大于85%

　　冷启动：初始启动状态的光输出在SAEJ2009规定范围之内

　　热限制：无须冷却，镇流器即能将灯妥当点燃

　　3 结论

　　通过上面的分析，发现UCC2305是一款非常适合汽车HID灯驱动应用的芯片。它涵盖了HID灯驱动的所有特性，并且工作温度范围是-40°C到+105°C。和其他方案相比具有外围电路简单，设计方便，开发周期短等优点。相信随着HID灯在汽车中的普及，UCC2305会得到更广泛的推广。