汽車用氙氣前照燈電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)

金 龍

（梅縣金華達(dá)通信設(shè)備有限公司，廣東 梅州 514021）

目前，國(guó)內(nèi)汽車逐漸采用氙氣燈作為前照燈。氙氣燈電子鎮(zhèn)流器的市場(chǎng)需求和性能要求都進(jìn)入了一個(gè)新階段，體積小、效率高的電子鎮(zhèn)流器成為市場(chǎng)焦點(diǎn)[1]。

針對(duì)當(dāng)前汽車用氙氣前照燈鎮(zhèn)流器產(chǎn)品效率低、可靠性差等方面的不足，本文采用單芯片的單片機(jī)——PIC16F785進(jìn)行控制，結(jié)合平面變壓器技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)、全貼片技術(shù)，使汽車用氙氣前照燈鎮(zhèn)流器達(dá)到體積小、效率高、可靠性高的要求。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 產(chǎn)品原理

汽車用氙氣前照燈鎮(zhèn)流器系統(tǒng)電路如圖1所示[2]。

汽車電池提供9～18 V電壓，經(jīng)EMI濾波電路、防反接電路后，通過DC/DC升壓電路產(chǎn)生50～420 V的直流電壓，經(jīng)DC/AC全橋電路得到400 Hz左右的交流方波點(diǎn)亮HID燈。啟動(dòng)開始，高壓點(diǎn)火電路產(chǎn)生23 000 V的高壓激活HID燈，穩(wěn)態(tài)后，HID燈壓維持在70～150 V。

1.1.2 PIC16F785構(gòu)成的控制電路

普通的鎮(zhèn)流器采用普通單片機(jī)、PWM芯片和運(yùn)放完成，致使元器件較多，造成可靠性下降。本文采用Microchip公司的PIC16F785單片機(jī)實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)流器的全部功能。

PIC16F785是一款具有數(shù)?；旌峡刂乒δ艿奈⒖刂破?，具有以下性能[3]：

8位高性能RISC CPU，20腳SSOP封裝；兩路高速比較器模塊；兩路獨(dú)立運(yùn)放的運(yùn)算放大器模塊(OPA)；雙相異步反饋PWM模塊；兩個(gè)定時(shí)器Time0(8位)和Time1(16位)；12路、10位精度 A/D轉(zhuǎn)換器。

以PIC16F785為控制核心的氙氣前照燈鎮(zhèn)流器控制框圖如圖2所示。其工作原理簡(jiǎn)述如下：PIC16F785根據(jù)A/D口檢測(cè)得到的燈電壓信號(hào)Vo，查表計(jì)算燈電流的基準(zhǔn)信號(hào)，通過 5腳送出 PWM方波信號(hào)，經(jīng)過 R5、C3濾波得到燈電流的基準(zhǔn)值并送到內(nèi)部運(yùn)放1的同相端（9腳）。燈電流實(shí)際值Io送入內(nèi)部運(yùn)放2的同相端（12腳）進(jìn)行放大處理，然后送入內(nèi)部運(yùn)放1的反相端（8腳）做誤差放大處理,最后通過內(nèi)部比較器2完成PWM輸出，最終實(shí)現(xiàn)電流型PWM控制。

1.1.3 軟開關(guān)控制

由于產(chǎn)品定位為高效率、高可靠、小型化，硬開關(guān)已無法達(dá)到要求，因此采用軟開關(guān)技術(shù)將諧振變換器與PWM技術(shù)結(jié)合起來，使開關(guān)開通前其兩端電壓為零，既能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，又能實(shí)現(xiàn)恒功率，具體原理如圖3所示[4]。

電路的工作原理：R和C組成開關(guān)管Q的漏極反饋電路，將漏極的波形轉(zhuǎn)換為單片機(jī)允許采樣的電平。單片機(jī)通過軟件編程，識(shí)別SYNC引腳上的波形變化并反饋到PH2，保證PH2引腳在Q漏極達(dá)到谷底電壓時(shí)轉(zhuǎn)換為高電平，實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)ZVS。PH2引腳輸出PWM波形，經(jīng)PWM驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)MOS管。

1.1.4 平面變壓器

要盡可能減小鎮(zhèn)流器的體積，用傳統(tǒng)繞線變壓器已滿足不了要求，平面變壓器特別適合超薄鎮(zhèn)流器。平面變壓器通過在多層PCB板上繪制繞組，采用高導(dǎo)磁率鐵氧體磁芯，可以達(dá)到體積小、能量密度高的要求。

汽車用氙氣前照燈鎮(zhèn)流器的額定輸出功率為35 W，采用PEI22/PC40磁芯,使用4層PCB 板，N1：N2=2:14，第一、三層為初級(jí)，都是2匝，并聯(lián)，第二、四層為次級(jí)，7匝，串聯(lián)成14匝[5]，具體參數(shù)見表1。

表1 平面變壓器參數(shù)

1.2 產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)

由于采用數(shù)模混合控制功能的PIC16F785，硬件控制簡(jiǎn)單，軟件控制靈活，主程序的流程圖如圖4所示。程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)初始化后，通過上電、點(diǎn)火、過渡、穩(wěn)定等過程，最后點(diǎn)亮氙燈。

圖4 主程序流程圖

2 實(shí)驗(yàn)

采用PIC16F785做出10臺(tái)汽車用氙氣前照燈鎮(zhèn)流器樣機(jī)，經(jīng)過效率對(duì)比測(cè)試、溫升對(duì)比測(cè)試，結(jié)果令人滿意，如表2所示。

表2 鎮(zhèn)流器對(duì)比參數(shù)表

燈管電壓?jiǎn)?dòng)過程和正常工作波形如圖5所示。

普通鎮(zhèn)流器與采用軟開關(guān)控制的鎮(zhèn)流器的主功率管的DS波形如圖6所示。圖6中，上波形為主功率管G極驅(qū)動(dòng)波形，下波形為主功率管的DS波形，可以看出，軟開關(guān)控制技術(shù)使D極電壓為零時(shí)導(dǎo)通主功率MOS管，去除振蕩，降低DS峰值電壓，提高主功率管的可靠性。

氙氣前照燈鎮(zhèn)流器主要技術(shù)參數(shù)如下：

輸入電壓：DC 9～18 V；輸出電壓：DC 50～150 V；輸出頻率：400 Hz±1%；輸出功率：35±3 W；額定效率：≥87%；保護(hù)功能：輸入反接、輸入高、低壓、輸出開路、輸出短路。

采用PIC16F785設(shè)計(jì)的氙氣前照燈鎮(zhèn)流器產(chǎn)品小巧，全貼片工藝，如圖7所示。

設(shè)計(jì)并分析了一種新型的汽車用氙氣前照燈鎮(zhèn)流器。該鎮(zhèn)流器采用新型數(shù)?；旌蠁纹瑱C(jī)進(jìn)行控制，減少了20%的元器件；突破性采用軟開關(guān)技術(shù)、平面變壓器技術(shù)，提高了約4%的效率，功率器件和主變溫升較低，整個(gè)PCB設(shè)計(jì)采用全貼片技術(shù)，提高了生產(chǎn)一致性和產(chǎn)品的可靠性，目前產(chǎn)品已量產(chǎn)。

圖6 主功率管的DS波形圖

圖7 采用PIC16F785設(shè)計(jì)的氙氣前照燈鎮(zhèn)流器照片

[1]郝建強(qiáng).數(shù)模雙環(huán)路HID安定器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006(13)：125-126.

[2]張勇,王曉靜,崔光照.基于單片機(jī)控制的氙氣燈電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，25(4)：93-95.

[3]Microchip Company.PIC16F785/HV785數(shù)據(jù)手冊(cè)[S].Microchip Company，2006.

[4]姚建斌，高明煜.平面變壓器在汽車氙氣燈鎮(zhèn)流器中的應(yīng)用[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(2):13-15.

[5]袁神龍，王輔忠.基于MCU控制的汽車HID燈鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)與分析[J].電力電子技術(shù),2009,43(9):50-52.