UCC2305在35W HID 车前灯中的应用

随着家庭用车的日益普及，一种氙气高压气体放电式前灯（Xenon HID High Voltage Intensity Discharge Lamp）越来越成为多种车型的标准配件。Xenon HID自1991年被研发成功以来，1995-1996年间首度成为奔弛车的标准配备。HID发展至今已成为宝马/奥迪/凌志/卡迪拉克等年度新车的标准配备。HID一直以“安全与舒适”为发展依据，强调更高的亮度及优异的光学特性并荣获“新世纪主流光源”的美称。         

HID前灯最显著的特性：高压快速启动，非常高的亮度及色彩还原能力，能让驾驶者主动避免事故，同时并兼顾道路安全与视觉舒适性。         

HID发光原理是在石英玻璃球管中填充高压氙气，借着瞬间高达20K-30K伏特的高压将氙气电离成离子状态，放电产生一道电弧光，然后灯管压降急骤降低，经过低压大电流的Take-over ，warm up，run up到稳定状态，启动时具体灯管电压电流特性如图1。  

图1  灯管电压电流特性         

满足HID灯高压启动等特性的典型镇流器框图示于图2。

                       

图2  汽车HID镇流器系统框图

镇流器系统主要包括从汽车硫酸铅电池9-16V输入的直流到直流升压变换器，高压启动发生器。200-400Hz的全桥反相器以及保证稳态功率输出的控制电路4部分。DC/DC直流变换器必须满足9-16V输入电压范围内能输出60-500V的直流电压，并具有输入过压输出短路/开路/过流的保护功能。        

高压启动发生器的主要功能产生20-30KV的瞬间高压击穿灯管放电。                 

全桥反转电路主要功能发生200---400Hz反相信号驱动全桥开关管，实现灯管两端极性反转，防止灯管单端发黑，延长灯管寿命。               

控制回路主要是保证稳态时恒功率输出，稳压时HID灯管两端HID灯的压降大约是60-110V对于35W HID灯管必须保证在+/-2W的功率范围之内，太高的功率会损坏灯管。缩短灯管使用寿命，过低的功率会降低亮度输出造成安全隐患。                 

德州仪器公司UCC2305是一款针对汽车用HID灯应用的控制芯片，它具有下列符合车用HID镇流器要求的性能：         

·9-16V的宽输入电压工作范围及低至6V时的快速启动特性
·具有输入过压保护及输出过流过压保护
·针对不同灯管电压的恒功率输出控制
·频率高达300KHz的电流模式 PWM控制器·反相的全桥驱动输出·可调整的冷热灯启动电流及正常工作电流控制
·具有热灯启动控制功能
·符合汽车电子要求的40-105°C宽温度工作范围        

UCC2305 功能框图示于图3

图3 UCC2305功能框图         

图4示出UCC2305 做控制器的典型应用电路。 我们可以把它分为四部分来分析。   

                  
图4 UCC2305典型应用电路        

一. 在IC的左边是由 270KΩ 和 100KΩ 电阻组成的过压保护分压电路。 此设定最高工作电压为18.5V。下面是VCC 的稳压输入和由PUMPOUT, BOOST 组成的电荷泵升压电路。PUMPOUT开关频率为1/2倍的PWM 工作频率。 通过对外围电容的充放电把电压升高到10V左右。 最大输入电压12V。 需要在距离IC 尽可能近的地方加0.1μF 和 1μF 旁路滤波电容接地。        

二. 在IC 的上面是FLY-BACK架构的电压转换电路, 电流采样电阻得到电压信号和输出电压反馈信号, 通过内部放大器和比较器形成PWM信号。 驱动外部功率MOSFET做电压变换和恒功率输出。在灯点火之前，镇流器输出可视为开路，此时提供一个约400V的开路电压。启辉器产生一个20KV左右的高压, 使灯管弧光放电被击穿, 灯管两端的电压急剧下降，尔后随灯管内气压和温度升高，在约15s后，电压逐渐达到75_90VDC的稳态值，灯电流约350mA。        

三. 在原理图的右上面是全桥驱动电路。 UCC2305 QOUT 和 QOUT非输出频率为直流变换器PWM开关频率的1/512反相方波。  如: 开关频率为200KHz。 则QOUT, QOUT非输出频率为390Hz。 通过LEVEL SHIFT 转换做交流HID灯的驱动。        

四. 在IC的下面部分是HID灯特征控制电路。
      
SLOPEC: 灯管温度变化跟踪输入, 通常连接一电容到地。 电容充放电电流由ISET引脚RSET 电阻决定。 当RSET=100KΩ时, 相当与连接一个50MΩ电阻到5V电源。 当HID灯关闭时, 放电电流是100NA。

BYPASS: 灯管温度变化补偿输入， 通常连接一电容到地。     

WARMUPC: 热灯时灯管温度测量端， 通常连接一电容到地。当灯管正常工作时, 通过一200NA恒流源给电容从0V到4.2V充电。 超过4.2V到10V 时, 恒流源电流变为100N。. 当灯关闭时, 电容先通过一个39NA恒流源放电到2.5V。 然后变为11NA放电到0V。 若灯被关闭后, 在灯管没有完全冷却前开起, IC会根据电容两端电压判断灯管温度, 决定开起电流大小。     

FLTC: 输出失效延时电容连接端， 通常连接一个电容到地。当UCC2305检测到VOUTSENSE端电压超出83MV-2V范围时， IC内部会通过250NA恒流源给电容充电。 当充电电压达到5V时, IC自动关闭所有功能。 若失效信号在充电电压没有达到5V前被清除,IC 会通过50NA恒流源使电容放电到0V。
  
OSC: PWM工作频率电容设定端，通过外接电容容值设定PWM工作频率。 F="2"/RSET*COSC. 设RSET=100KΩ, COSC="100PF", 则F=200KHz。   

通过上面的分析, 我们可以发现UCC2305是一款非常适合汽车前灯应用的芯片。 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。