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        汽車用氙氣前照燈電子鎮(zhèn)流器的設計

        2012-08-13 08:13:18
        電子技術應用 2012年12期
        關鍵詞:氙氣功率管鎮(zhèn)流器

        金 龍

        (梅縣金華達通信設備有限公司,廣東 梅州 514021)

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

        針對當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——PIC16F785進行控制,結(jié)合平面變壓器技術、軟開關技術、全貼片技術,使汽車用氙氣前照燈鎮(zhèn)流器達到體積小、效率高、可靠性高的要求。

        1 原理與設計

        1.1 產(chǎn)品硬件設計

        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左右的交流方波點亮HID燈。啟動開始,高壓點火電路產(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、PWM芯片和運放完成,致使元器件較多,造成可靠性下降。本文采用Microchip公司的PIC16F785單片機實現(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;兩路獨立運放的運算放大器模塊(OPA);雙相異步反饋PWM模塊;兩個定時器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。其工作原理簡述如下:PIC16F785根據(jù)A/D口檢測得到的燈電壓信號Vo,查表計算燈電流的基準信號,通過 5腳送出 PWM方波信號,經(jīng)過 R5、C3濾波得到燈電流的基準值并送到內(nèi)部運放1的同相端(9腳)。燈電流實際值Io送入內(nèi)部運放2的同相端(12腳)進行放大處理,然后送入內(nèi)部運放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,最終實現(xiàn)電流型PWM控制。

        1.1.3 軟開關控制

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

        電路的工作原理:R和C組成開關管Q的漏極反饋電路,將漏極的波形轉(zhuǎn)換為單片機允許采樣的電平。單片機通過軟件編程,識別SYNC引腳上的波形變化并反饋到PH2,保證PH2引腳在Q漏極達到谷底電壓時轉(zhuǎn)換為高電平,實現(xiàn)零電壓開關ZVS。PH2引腳輸出PWM波形,經(jīng)PWM驅(qū)動電路驅(qū)動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,采用高導磁率鐵氧體磁芯,可以達到體積小、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,都是2匝,并聯(lián),第二、四層為次級,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)品軟件設計

        由于采用數(shù)模混合控制功能的PIC16F785,硬件控制簡單,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、點火、過渡、穩(wěn)定等過程,最后點亮氙燈。

        圖4 主程序流程圖

        2 實驗

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

        表2 鎮(zhèn)流器對比參數(shù)表

        燈管電壓啟動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)動波形,下波形為主功率管的DS波形,可以看出,軟開關控制技術使D極電壓為零時導通主功率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%;保護功能:輸入反接、輸入高、低壓、輸出開路、輸出短路。

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

        設計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進行控制,減少了20%的元器件;突破性采用軟開關技術、平面變壓器技術,提高了約4%的效率,功率器件和主變溫升較低,整個PCB設計采用全貼片技術,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設計的氙氣前照燈鎮(zhèn)流器照片

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

        [2]張勇,王曉靜,崔光照.基于單片機控制的氙氣燈電子鎮(zhèn)流器設計[J].鄭州輕工業(yè)學院學報,2010,25(4):93-95.

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

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

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

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