引言
高強度氣體放電（HID：HighintensityDischarge）燈實(shí)際上包括了一大類(lèi)采用小型高內壓弧光管發(fā)光的照明產(chǎn)品，基本上有三種類(lèi)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：當燈管里充填的氣體，如被鎮流器提供的電流激活時(shí)便會(huì )發(fā)光。

金屬鹵化物（MH）燈是為改善水銀蒸氣燈的亮度、顯色性差和效率相對低的特征而設計。MH燈功能非常象水銀蒸氣燈，但因在燈管內添加了如鉈、銦和鈉金屬的碘化物（鹵化物），故比之只有水銀蒸氣能發(fā)放更多和更優(yōu)質(zhì)的光。

金鹵燈與傳統鹵素燈也不同，因為燈管內另有一小玻璃球灌滿(mǎn)了氙氣及少許稀有金屬，受電流刺激進(jìn)行化學(xué)反應，就會(huì )發(fā)出色溫高達4000K-12000K的光芒，如圖1。

車(chē)用金鹵燈鎮流器系統主要由包括從9-16V汽車(chē)硫酸鉛電池輸入的直流-直流變換器，高壓點(diǎn)火器，200-400Hz全橋逆變器以及保證穩態(tài)功率輸出的控制電路4部分組成（圖2）。DC/DC變換器須滿(mǎn)足在9-16V輸入電壓范圍內能輸出直流電60-500V的壓，并具有輸入過(guò)壓、輸出短路/開(kāi)路和過(guò)流保護功能。點(diǎn)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(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)信號，完成DC-AC逆變，實(shí)現燈管兩端電壓極性反轉，防止燈管單端發(fā)黑，延長(cháng)燈管壽命�？刂齐娐菲鸬奖ＷC向燈穩態(tài)時(shí)提供恒功率輸出。穩壓時(shí)燈管兩端的壓降約為60-110V，如35W燈管穩態(tài)時(shí)其功率必須保證在35W±2W范圍之內，功率太高的會(huì )損壞燈管，縮短燈管使用壽命；功率過(guò)低則會(huì )降低輸出亮度，造成駕車(chē)安全隱患。


1 UCC2305簡(jiǎn)介

UCC3305是德州儀器公司一款針對車(chē)用HID燈應用設計的集成電路驅動(dòng)控制芯片，UCC3305集成了控制和驅動(dòng)HID燈所需全部功能，既能配合快速打開(kāi)汽車(chē)前燈的要求，也適用其他選擇HID燈的照明設備。具有下列符合車(chē)用HID鎮流器設計的性能要求：

·全橋驅動(dòng)輸出

·具有輸入過(guò)壓、輸出過(guò)流及過(guò)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(dòng)電流可調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(dòng)特性

·符合汽車(chē)電子要求的40°-105°C寬溫度工作范圍

典型應用電路分析外引腳圖，簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：

5VREF—內部5V基準，UCC3305用于設定電流和門(mén)限。也可用于其他功能。

ADJ—該管腳的電壓可調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(guò)份高的輸入電壓并當輸入超出某預定電平時(shí)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。當輸入電壓超出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，但器件的多數功能卻依賴(lài)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(kāi)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(guò)SLOPEC和WARMUPC管腳電容器上的電壓改變來(lái)補嘗燈溫變化。假定流過(guò)BYPASS管腳的最大電流為5μA，放電時(shí)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。當燈的指令功率和期望功率之間存在差異時(shí)，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動(dòng)COMP對整體反饋環(huán)路補償，以保持系統穩定。

DIVPAUSE—UCC3305的QOUT和QOUT是AC鎮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(diǎn)燃后停止極性開(kāi)關(guān)非常重要。抬高DIVPAUSE電位可停止內部分壓器產(chǎn)生QOUT和QOUT信號，從而使QOUT和QOUT信號凍結。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(kāi)路，短路或者不工作。正常運行期間，FLTC接有電容并通過(guò)UCC3305內部電流源放電至0V。UCC3305監測VOUTSENSE處的電壓并與內部低閾83mV和高閾2V比較。只要管腳VOUTSENSE處的電壓超出內部高、低閾值窗口，便有約250nA電流拉動(dòng)FLTC。如故障存在較久，FLTC外部電容充電出超過(guò)5V，則表明控制器遭遇災難性故障而關(guān)閉，此狀態(tài)一直維持到BOOST端去電。

FB—UCC3305內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動(dòng)COMP。

ISENSEIN—叢該管腳接入電流傳感電阻對電池電流做出傳感，UCC3305控制器中的功率調整算法對燈的電流和電壓進(jìn)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(jìn)行調節。UCC3305的正常工作電流對應的電阻約100k。

LOADISENSE—恰如ISENSEIN接傳感電阻監測電池電流，LOADISENSE接傳感電阻監測燈的電流。結合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直接驅動(dòng)UCC3305中一個(gè)運放的輸入，對負載電流預期和實(shí)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(guò)份高或低時(shí)，NOTON管腳電位將被抬高至VCC。當VOUTSENSE管腳電壓在83mV到2V窗口之內時(shí)，NOTON電位則被拉低。

OSC—該管腳接電容至GND設定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(kāi)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—脈寬度調制器的輸出。正常系統中，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(gè)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以標稱(chēng)100nA恒定電流放電。另一連接WARMUPC。

VCC—為UCC3305的主供電電源。一般應通過(guò)外接zener二極管鉗位于6.8V。

VOUTSENSE—該管腳用于通過(guò)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(diǎn)亮時(shí)，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(shí)，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端口的電壓用于調制通過(guò)FB饋送到誤差放大器的信號。但是，直接地使用阻抗太高。UCC3305內含緩沖放大器對WARMUPC電壓進(jìn)行緩沖處理后送至WARMUPV，以使信號適合驅動(dòng)FB。

2 典型應用電路分析
圖4為采用UCC3305構建的車(chē)用反激式HID燈鎮流器電路。分析討論如下：

由圖可知，鎮流器的輸出系全橋逆變結構。反激變換器的輸出直流通過(guò)全橋逆變結構輸出級導向交流燈管。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(gè)稱(chēng)NOTON的邏輯輸出，燈不運行（NotOn）時(shí)為高電平，燈運行時(shí)為低電平。因該輸出與DIVPAUSE輸入相連，故當燈充分點(diǎn)亮后此低頻切換便即終止。UCC3305控制集成電路有二個(gè)低頻輸出：QOUT和QOUT，均具有直接以195Hz驅動(dòng)低端MOSFET的能力。高端MOSFET則需要電平位移驅動(dòng)。

UCC3305的LPOWER輸出是一個(gè)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對燈實(shí)施恒功率調控。產(chǎn)生燈恒功率的燈電壓范圍通過(guò)對VOUTSENSE端口放大器作限定的方法來(lái)設定。

當VOUTSENSE的輸入低于0.5V，恰如燈已短路，環(huán)路調控負載電流使之恒定。當VOUTSENSE的輸入高于0.82V，燈開(kāi)路或未點(diǎn)燃時(shí)發(fā)生，環(huán)路也對負載電流調控，但小于短路狀態(tài)。在上述情況之間，驅動(dòng)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，內部還包含率斜報償，一種改進(jìn)電流環(huán)穩定性非常有價(jià)值的功能。率斜報償通過(guò)芯片內的鋸齒電流和芯片外RSL電阻實(shí)現，RSL值越大，給出的斜率補償越大，反饋環(huán)路越穩定。

該典型應用中，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(guò)壓保護，電池反接保護。齊納管的輸出驅動(dòng)UCC3305的VCC管腳。VCC輸入到UCC3305電荷泵。電荷泵在BOOST輸出產(chǎn)生10V已調整電源電壓驅動(dòng)UCC3305的其它所有功能。

考慮到汽車(chē)環(huán)境里最顯著(zhù)的應力是發(fā)生在負載轉換和雙電池突然啟動(dòng)期間的過(guò)壓，因為此時(shí)進(jìn)入鎮流器的電壓可能高得足以使特意設計的功率級受損。采用齊納管調整的供電電壓UCC3305對此種損傷有固有免疫力。另外，當BAT輸入處出現過(guò)壓時(shí)，UCC3305還能通過(guò)關(guān)閉PWM保護鎮流器元件。

UCC3305所有電路系統的偏置電流都由ISET到地的電阻設定，該電阻在最佳條件下應在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定，振蕩器振蕩頻率可以由下式估算：

振蕩頻率100kHz時(shí)，RSET和COSC分別為100k和200pF。

汽車(chē)前燈的光強度必須非常迅速達到全亮，但HID燈需要幾分鐘才穩定。UCC3305控制器含處理和補嘗燈溫的復雜內部電路。電路通過(guò)監測燈打開(kāi)時(shí)充電，燈關(guān)閉時(shí)放電的電容器上的電壓預測燈溫，UCC3305通過(guò)以較高的功率驅動(dòng)冷燈，當燈升溫變暖后便將驅動(dòng)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是設置時(shí)間常數的元件，選擇須與燈的時(shí)間-溫度關(guān)系匹配。除改變功率調整點(diǎn)之外，WARMUPC處電容上電壓也能改變燈的短路電流。通過(guò)從ADJ到地的電阻可以設置冷燈短路電流與暖燈短路電流之比。

當鎮流器去電時(shí)，CS和CW須以受控的速率放電。放電電流可利用UCC3305連接在BYPASS端口的電流源調節。典型應用時(shí)，BYPASS端口至地接普通電解電容，鎮流器工作時(shí)充電儲能，鎮流器關(guān)閉時(shí)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(chē)前燈鎮流器，性能指標為

輸入電壓要求：9-16VDC

啟動(dòng)要求：必須運行啟動(dòng)然后降至6VDC

保護和故障監控：抗輸入過(guò)壓、輸出開(kāi)路和輸出短路保護

功率調整：在整個(gè)60-100VDC燈電壓變動(dòng)范圍，燈功率可調控至+10%之內。

燈點(diǎn)火電壓：?jiǎn)��?dòng)時(shí)提供高于500VDC開(kāi)路電壓以點(diǎn)燃燈

效率：大于85%

冷啟動(dòng)：初始啟動(dòng)狀態(tài)的光輸出在SAEJ2009規定范圍之內

熱限制：無(wú)須冷卻，鎮流器即能將燈妥當點(diǎn)燃

3 結論
通過(guò)上面的分析，發(fā)現UCC2305是一款非常適合汽車(chē)HID燈驅動(dòng)應用的芯片。它涵蓋了HID燈驅動(dòng)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(jiǎn)單，設計方便，開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。相信隨著(zhù)HID燈在汽車(chē)中的普及，UCC2305會(huì )得到更廣泛的推廣。