引言
高強度氣體放電(HID：HighintensityDischarge)燈實際上包括了一大類采用小型高內(nèi)壓弧光管發(fā)光的照明產(chǎn)品,，基本上有三種類型：水銀蒸氣(MV)燈，金屬鹵化物(MH)燈和高,、低壓鈉(HPS或LPS)燈,。HID燈全都按與日光燈相似的放電原理工作：當(dāng)燈管里充填的氣體，如被鎮(zhèn)流器提供的電流激活時便會發(fā)光,。
車用金鹵燈鎮(zhèn)流器系統(tǒng)主要由包括從9-16V汽車硫酸鉛電池輸入的直流-直流變換器,，高壓點火器，200-400Hz全橋逆變器以及保證穩(wěn)態(tài)功率輸出的控制電路4部分組成(圖2),。DC/DC變換器須滿足在9-16V輸入電壓范圍內(nèi)能輸出直流電60-500V的壓,，并具有輸入過壓、輸出短路/開路和過流保護功能,。點火器的功能是產(chǎn)生瞬間高壓20-30KV的擊穿燈管放電,。全橋逆變器提供200-400Hz全橋功率開關(guān)管的驅(qū)動信號，完成DC-AC逆變,，實現(xiàn)燈管兩端電壓極性反轉(zhuǎn),，防止燈管單端發(fā)黑，延長燈管壽命,?？刂齐娐菲鸬奖ＷC向燈穩(wěn)態(tài)時提供恒功率輸出。穩(wěn)壓時燈管兩端的壓降約為60-110V,，如35W燈管穩(wěn)態(tài)時其功率必須保證在35W±2W范圍之內(nèi),，功率太高的會損壞燈管，縮短燈管使用壽命;功率過低則會降低輸出亮度,，造成駕車安全隱患,。
1 UCC2305簡介
UCC3305是德州儀器公司一款針對車用HID燈應(yīng)用設(shè)計的集成電路驅(qū)動控制芯片，UCC3305集成了控制和驅(qū)動HID燈所需全部功能,，既能配合快速打開汽車前燈的要求,，也適用其他選擇HID燈的照明設(shè)備。具有下列符合車用HID鎮(zhèn)流器設(shè)計的性能要求：
·全橋驅(qū)動輸出
·具有輸入過壓,、輸出過流及過壓保護
·針對不同燈管電壓的恒功率輸出控制
·頻率高達300KHz的電流型PWM控制器
·燈冷,、熱啟動電流可調(diào)與正常工作電流控制
·9-16V輸入電壓寬工作范圍及低至6V的快速啟動特性
·符合汽車電子要求的40°-105°C寬溫度工作范圍
典型應(yīng)用電路分析外引腳圖，簡要說明如下：
5VREF—內(nèi)部5V基準(zhǔn),，UCC3305用于設(shè)定電流和門限,。也可用于其他功能。
ADJ—該管腳的電壓可調(diào)整控制冷燈峰值電流與暖燈峰值電流之比,。此電壓由從ADJ到GND連接的電阻確定,。
BAT—用于檢測過份高的輸入電壓并當(dāng)輸入超出某預(yù)定電平時關(guān)閉集成電路。該管腳與跨接在輸入電源與“地”的分壓器相連接應(yīng),。當(dāng)輸入電壓超出5V,，UCC3305即關(guān)閉,。非常高或負輸入情形下要保護集成電路，分壓器阻抗須保持高于10k,。
BOOST—盡管UCC3305由輸入VCC供電,，但器件的多數(shù)功能卻依賴與BOOST連接近似10V的電源電壓。10V電源電壓可利用PUMPOUT作AC信號,，外接二極管作開關(guān)的倍壓器產(chǎn)生。
BYPASS—管腳外接儲能大電容,，提供SLOPEC和WARMUPC管腳處電容器的充,、放電。通過SLOPEC和WARMUPC管腳電容器上的電壓改變來補嘗燈溫變化,。假定流過BYPASS管腳的最大電流為5μA,，放電時間60s，最大許可壓降為5V,，則BYPASS外接電容可按下式估算：
COMP—通常該端口經(jīng)電容連接到FB端,。當(dāng)燈的指令功率和期望功率之間存在差異時，誤差放大器便將次放大,。放大器傳感到FB和2.5V之間的差別,，并以被放大的誤差電壓驅(qū)動COMP對整體反饋環(huán)路補償，以保持系統(tǒng)穩(wěn)定,。
DIVPAUSE—UCC3305的QOUT和QOUT是AC鎮(zhèn)流器用于燈極性切換的端口,。為使電弧在電極間正確的地方形成，燈點燃后停止極性開關(guān)非常重要,。抬高DIVPAUSE電位可停止內(nèi)部分壓器產(chǎn)生QOUT和QOUT信號,，從而使QOUT和QOUT信號凍結(jié)。為此可從NOTON接一電阻至DIVPAUSE和從DIVPAUSE接一電容至GND,。
FLTC—因為VOUTSENSE管腳的電壓正比于燈電壓,，故該電壓太高或太低，燈將開路,，短路或者不工作,。正常運行期間，F(xiàn)LTC接有電容并通過UCC3305內(nèi)部電流源放電至0V,。UCC3305監(jiān)測VOUTSENSE處的電壓并與內(nèi)部低閾83mV和高閾2V比較,。只要管腳VOUTSENSE處的電壓超出內(nèi)部高、低閾值窗口,，便有約250nA電流拉動FLTC,。如故障存在較久，F(xiàn)LTC外部電容充電出超過5V,，則表明控制器遭遇災(zāi)難性故障而關(guān)閉,，此狀態(tài)一直維持到BOOST端去電,。
FB—UCC3305內(nèi)部誤差放大器對燈指令功率和期望功率間的差異放大后，傳感到FB與2.5V的差并以誤差電壓驅(qū)動COMP,。
ISENSEIN—叢該管腳接入電流傳感電阻對電池電流做出傳感,，UCC3305控制器中的功率調(diào)整算法對燈的電流和電壓進行計算并發(fā)出電池電流適合指令以維持燈的功率恒定。
ISET—UCC3305的許多功能都需要對電流精確控制,，該管腳連接電阻至GND可對手空電流進行調(diào)節(jié),。UCC3305的正常工作電流對應(yīng)的電阻約100k。
LOADISENSE—恰如ISENSEIN接傳感電阻監(jiān)測電池電流,，LOADISENSE接傳感電阻監(jiān)測燈的電流,。結(jié)合VOUTSENSE傳感到的燈電壓?？刂破鲗⒔o出不同溫度下向燈提供的功率,。
LPOWER—LOADISENSE直接驅(qū)動UCC3305中一個運放的輸入，對負載電流預(yù)期和實際值之差放大并在LPOWER產(chǎn)生饋送給誤差放大器的輸出信號,。
NOTON—燈處于錯誤條件之下,，如燈電壓過份高或低時，NOTON管腳電位將被抬高至VCC,。當(dāng)VOUTSENSE管腳電壓在83mV到2V窗口之內(nèi)時,，NOTON電位則被拉低。
OSC—該管腳接電容至GND設(shè)定UCC3305中PWM的頻率,。典型200pF電容的頻率為100kHz,。
PUMPOUT—雖然UCC3305由VCC供電，但器件的多數(shù)功能均從與BOOST連接的近似10V的電源電壓取得,。該10V電源電壓采用PUMPOUT作交流信號與外接二極管作開關(guān)的倍壓器產(chǎn)生,。PUMPOUT輸出為擺幅從VCC至GND，頻率為OSC頻率之半的方波,。
PWMOUT—脈寬度調(diào)制器的輸出,。正常系統(tǒng)中，PWMOUT可與N溝功率MOSFET柵極直接連接,。
QOUT—振蕩器頻率的邏輯輸出與QOUT相位差180度,。
SLOPEC—為跟蹤燈的升溫和冷卻，UCC3305須連接充電和放電兩個電容,。其一連接SLOPEC,，以由ISET接GND電阻控制的速率充電至5V。VCC去電,，SLOPEC以標(biāo)稱100nA恒定電流放電,。另一連接WARMUPC。
VCC—為UCC3305的主供電電源,。一般應(yīng)通過外接zener二極管鉗位于6.8V,。
VOUTSENSE—該管腳用于通過120:1分壓器傳感燈電壓,，正常運行的HID燈，燈的端電壓在60V和110V之間,。高于300V燈將擊穿,，故須限制起輝器輸入電壓到達600V最大值。燈電壓低于10V則表示燈已短路,。
WARMUPC—該管腳到GND所接電容的電壓可估計燈的溫度,。燈點亮?xí)r，電容先由200nA電流源充電至4.2V,，再由100nA電流源從4.2V充電至10V;燈熄滅時,，電容先由39nA電流阱放電至2.5V，再由11nA電流阱放電至GND,。
WARMUPV—WARMUPC端口的電壓用于調(diào)制通過FB饋送到誤差放大器的信號。但是,，直接地使用阻抗太高,。UCC3305內(nèi)含緩沖放大器對WARMUPC電壓進行緩沖處理后送至WARMUPV，以使信號適合驅(qū)動FB,。
2 典型應(yīng)用電路分析
鎮(zhèn)流器的輸出系全橋逆變結(jié)構(gòu),。反激變換器的輸出直流通過全橋逆變結(jié)構(gòu)輸出級導(dǎo)向交流燈管。該全橋輸出級以從PWM振蕩器獲得的典型195Hz低頻切換工作,，故平均燈電壓為零,。UCC3305有一個稱NOTON的邏輯輸出，燈不運行(NotOn)時為高電平,，燈運行時為低電平,。因該輸出與DIVPAUSE輸入相連，故當(dāng)燈充分點亮后此低頻切換便即終止,。UCC3305控制集成電路有二個低頻輸出：QOUT和QOUT,，均具有直接以195Hz驅(qū)動低端MOSFET的能力。高端MOSFET則需要電平位移驅(qū)動,。
UCC3305的LPOWER輸出是一個大致與燈的輸入功率成比例的電壓,。UCC3305能在燈電壓的較大范圍內(nèi)對燈實施恒功率調(diào)控。產(chǎn)生燈恒功率的燈電壓范圍通過對VOUTSENSE端口放大器作限定的方法來設(shè)定,。
當(dāng)VOUTSENSE的輸入低于0.5V,，恰如燈已短路，環(huán)路調(diào)控負載電流使之恒定,。當(dāng)VOUTSENSE的輸入高于0.82V,，燈開路或未點燃時發(fā)生，環(huán)路也對負載電流調(diào)控,，但小于短路狀態(tài),。在上述情況之間,，驅(qū)動LPOWER管腳的放大器將相加負載電流和負載電壓并產(chǎn)生大致與負載功率成比例的信號。
UCC3305除包含完整電流型PWM外,，內(nèi)部還包含率斜報償,，一種改進電流環(huán)穩(wěn)定性非常有價值的功能。率斜報償通過芯片內(nèi)的鋸齒電流和芯片外RSL電阻實現(xiàn),，RSL值越大,，給出的斜率補償越大，反饋環(huán)路越穩(wěn)定,。
該典型應(yīng)用中,，UCC3305從6.8V齊納管取得供電。齊納管還能以較少元件和加低成本提供過壓保護,，電池反接保護,。齊納管的輸出驅(qū)動UCC3305的VCC管腳。VCC輸入到UCC3305電荷泵,。電荷泵在BOOST輸出產(chǎn)生10V已調(diào)整電源電壓驅(qū)動UCC3305的其它所有功能,。
考慮到汽車環(huán)境里最顯著的應(yīng)力是發(fā)生在負載轉(zhuǎn)換和雙電池突然啟動期間的過壓，因為此時進入鎮(zhèn)流器的電壓可能高得足以使特意設(shè)計的功率級受損,。采用齊納管調(diào)整的供電電壓UCC3305對此種損傷有固有免疫力,。另外，當(dāng)BAT輸入處出現(xiàn)過壓時,，UCC3305還能通過關(guān)閉PWM保護鎮(zhèn)流器元件,。UCC3305所有電路系統(tǒng)的偏置電流都由ISET到地的電阻設(shè)定，該電阻在最佳條件下應(yīng)在75k至150k間,。
HID燈控制器UCC3305中振蕩器頻率由從ISET到地的電阻和電容設(shè)定,，振蕩器振蕩頻率可以由下式估算：
振蕩頻率100kHz時，RSET和COSC分別為100k和200pF,。
汽車前燈的光強度必須非常迅速達到全亮,，但HID燈需要幾分鐘才穩(wěn)定。UCC3305控制器含處理和補嘗燈溫的復(fù)雜內(nèi)部電路,。電路通過監(jiān)測燈打開時充電,，燈關(guān)閉時放電的電容器上的電壓預(yù)測燈溫，UCC3305通過以較高的功率驅(qū)動冷燈,，當(dāng)燈升溫變暖后便將驅(qū)動功率減少到正常工作水平的方式補嘗燈溫,。
SLOPEC和WARMUPC管腳外接的電容CS和CW是設(shè)置時間常數(shù)的元件，選擇須與燈的時間-溫度關(guān)系匹配,。除改變功率調(diào)整點之外,，WARMUPC處電容上電壓也能改變燈的短路電流。通過從ADJ到地的電阻可以設(shè)置冷燈短路電流與暖燈短路電流之比。
當(dāng)鎮(zhèn)流器去電時,，CS和CW須以受控的速率放電,。放電電流可利用UCC3305連接在BYPASS端口的電流源調(diào)節(jié)。典型應(yīng)用時,，BYPASS端口至地接普通電解電容,，鎮(zhèn)流器工作時充電儲能，鎮(zhèn)流器關(guān)閉時使用所儲能量控制放電速率,。
OSRAM和SYLVANIA采用該電路制成的35W汽車前燈鎮(zhèn)流器,，性能指標(biāo)為
輸入電壓要求：9-16VDC
啟動要求：必須運行啟動然后降至6VDC
保護和故障監(jiān)控：抗輸入過壓、輸出開路和輸出短路保護
功率調(diào)整：在整個60-100VDC燈電壓變動范圍,，燈功率可調(diào)控至+10%之內(nèi),。
燈點火電壓：啟動時提供高于500VDC開路電壓以點燃燈
效率：大于85%
冷啟動：初始啟動狀態(tài)的光輸出在SAEJ2009規(guī)定范圍之內(nèi)
熱限制：無須冷卻，鎮(zhèn)流器即能將燈妥當(dāng)點燃
3 結(jié)論
UCC2305涵蓋了HID燈驅(qū)動的所有特性,，并且工作溫度范圍是-40°C到+105°C,。和其他方案相比具有外圍電路簡單，設(shè)計方便,，開發(fā)周期短等優(yōu)點,。相信隨著HID燈在汽車中的普及，UCC2305會得到更廣泛的推廣,。