汽車的高強度放電燈鎮流器電路的製作方法

2024-03-08 10:37:15 1

專利名稱：汽車的高強度放電燈鎮流器電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及功率高強度放電(HID)燈，更特別地，涉及用於連續監視 並調節燈的電流和電壓的新穎電路。
背景技術：
十九世紀末出現的第一輛汽車沒有裝配前燈。汽車前燈在1885年被添 加以便允許在晚間行駛。第一個電前燈出現於1905年，並最終成為規範。 密封聚光前燈在20世紀70年代開始使用，並在20世紀80年代和90年代 被滷素前燈所取代。目前，所述滷素前燈正在被HID (高強度放電)燈所取 代。
所述HID燈提供了由位於氙氣填充的容器內部的電弧產生的高強度光。 所述電弧產生比滷素燈中的熾熱燈絲明顯更多的光。所述HID燈從車輛的電 子系統中汲取更少的電能，且更為耐用，具有更高的強度、更長的壽命，並 比與其相對的滷素燈具有更好的指向性。
所述HID燈通過觸發穿過嵌於特別設計的內部玻璃管內部的鉤電極的 電弧來產生光。所述管被氣體和金屬填充。所述氣體幫助燈的啟動，且一旦 所述金屬被加熱到蒸發點，則該金屬產生光。所述HID燈在小封裝內產生大HID燈典型地需要高電壓，例如400伏，用於點火，之後跟隨的是電壓 較低的運行區，例如100伏，並具有幾安培範圍內的電流。在該運行區中，
期望維持恆定的功率輸出。同樣期望獲得恆定的發光，即使是在初始點亮周 期，特別是用於汽車應用時。
HID燈的長壽命非常重要，以便在正常運行條件下，調節向所述燈提供 的電能。因此，期望在正常運行期間向所述燈提供恆定的功率以維持恰當的 光輸出並延長所述HID燈的壽命。
用於HID鎮流器電路(圖1)的典型的現有技術的解決方案包括升壓級 10和全橋反相器級12。所述升壓級10提升DC電池電壓並調節DC總線輸 出電壓至DC400伏的典型值。所述全橋級12在低頻率(典型地為200赫茲) 驅動所述燈13，並提供穿過所述燈13的AC電壓波形。所述升壓級10典型 地被控制IC14控制，所述控制IC由不同的IC製造商在市場上銷售。所述 全橋級12可以使用國際整流器公司的兩個IR2153自激振蕩柵極驅動器IC 18來控制。離散控制電路19典型地被用於控制所述全橋級12，並執行以下 功能
1) 燈點火(點火電路20的開/關控制)
2) 感測燈的電壓和電流
3) 檢測不同的燈故障情況
4) 提供點火定時
5) 計算故障事件的數量
6) 當故障發生或當故障計數器超時的時候，重置所述鎮流器或關閉 所述鎮流器。
所述解決方案典型地需要大量控制IC，從而導致高元件數量、大面積的 印刷電路板(PCB)空間、高製造成本以及高全部的鎮流器電路成本。期望 更優的在單個IC中集成儘可能多的功能的解決方案，以便減小元件數量、減小PCB板空間、減小製造成本、減小全部的鎮流器成本並增加可靠性。
此外，需要傳輸並維持恆定功率到所述汽車的HID燈以及進一步提供恆定的
燈亮度即便是在臨界的預熱周期期間的恆功率控制電路。另外，提供在燈熄
滅的情況下用於所述燈的熱再點火的HID鎮流器是必須的，特別是在汽車的
應用中。

發明內容
提供了一種用於驅動高強度放電(HID)燈的電子鎮流器。所述鎮流器 及其元件由集成電路(IC)控制，所述IC耦合到所述鎮流器。所述電子鎮 流器包括
用於接收DC輸入電壓並輸出具有被控電流的升高的DC輸出電壓的升 壓級；
用於將所述升高的DC輸出電壓轉換為能夠驅動所述HID燈的開關AC 電壓的開關級；
級聯電路和點火單元，在點火模式期間，所述級聯電路通過多個高值電 阻向所述點火單元提供高壓，所述高壓在所述燈中產生電弧，並引起大電流 流入所述燈以便點亮所述燈，所述級聯電路在燈點亮後不被禁用；以及
提供來自至少兩個電容器的兩級放電的熱再點火電路，其中在所述點火 模式期間，第一電容器充電至第一電壓，且第二電容器充電至第二電壓，且 此後所述第一電容器向所述燈放電，直至所述DC總線電壓降至閾值電平以 下，此時所述第二電容器向所述燈放電。
耦合至所述鎮流器的IC包括
用於設置PWM信號的導通時間和關斷時間的電路，所述PWM信號通 過依照所述設置的導通或關閉時間控制受控開關來增大或減小所述升高的 DC輸出電壓；
9用於向所述開關級提供控制信號的驅動器，提供所述升DC輸出電壓到
所述開關級，並且所述開關級提供AC功率到所述HID燈；
用於設置所述PWM信號的佔空比以便由此控制所述受控開關的導通時
間的電路，所述電路響應於所述輸出電流以及用於控制到所述燈的功率的所
述升高的DC輸出電壓；
燈功率控制電路，該電路包括用於感測來自所述開關級的輸出電流和所
述升DC輸出電壓的感測電路，電流控制迴路，如果所述燈電流處於最大級
別，則該迴路控制所述燈功率，功率控制迴路，如果所述燈電流低於最大級
別，則該迴路控制所述燈功率；
用於引起所述燈的過度驅動以在點火後迅速提供高亮度輸出並使所述 燈從冷態到額定運行溫度的預熱特徵電路(warming-up profile circuit);以及
用於連接控制器單元的控制器單元接口 ，所述控制器單元直接控制所述 IC控制器並通過該IC控制器控制所述升壓級和所述開關級，所述控制器單 元允許用戶對IC控制器重新編程以用於控制具有不同功率要求的燈，其中 所述IC控制器包括默認的燈功率要求設置。
所述鎮流器和所述IC被提供用於檢測在點火和HID燈的運行階段提供 恆定功率的鎮流器電路的電流和DC總線電壓。所述發明的系統和方法在正 常運行期間通過調節提供到鎮流器電路全橋的輸入DC總線電壓來維持恆定 的功率，所述全橋接收來自驅動器級的輸入控制信號。
依據本發明，全橋的振蕩頻率通過驅動器級設置，使得拉和灌電流在內 部閾值間斜坡增加或減小。由此，所述振蕩頻率以50%的佔空比使所述全橋 的灌電流連續斜坡增加或減小，並且確定內部死區時間。當所述振蕩頻率斜 坡增加至灌電流之上時，所述全橋柵極驅動器將全橋的第一低端開關和第二 高端開關轉換為導通，並將全橋的第二低端開關和第一高端開關轉換為關 斷，且當所述振蕩頻率斜坡減小至灌電流之下時，所述全橋柵極驅動器將所
10述全橋的第二低端開關和第一高端開關轉換為導通，並將所述全橋的第一低 端開關和第二高端開關轉換為關斷。
本發明進一步感測全橋的輸出電流以及提供給所述全橋的DC總線電 壓。所述感測的電流與電流參考閾值相比較，且所述感測的電壓與電壓參考 閾值相比較。如果所述電壓高於或相對於所述電壓參考閾值有所增大和/或所 述電流高於或相對於所述電流參考閾值有所增大，則提供到提供所述輸入
DC總線電壓的升壓/回掃級的PWM驅動信號被設置為低。如果所述電壓低
於或相對於所述電壓參考閾值有所減小和/或所述電流低於或相對於所述電
流參考閾值有所減小，則所述提供到升壓/回掃級的PWM驅動信號被設置為
由此，如果提供到所述升壓/回掃級的PWM驅動信號被設置為高，那麼 其導通所述升壓/回掃級開關以增加DC總線電壓。所述PWM導通時間/關 斷時間循環的最大關斷時間由外部電容器的放電時間設置。所述由升壓/回掃 級提供給全橋的輸入電壓由此響應於PWM信號增大或減小。
本發明的其它特徵和優點將在以下參考附圖的描述中變得顯而易見。


出於舉例說明本發明的目的，在附圖中顯示了目前的優選實施方式，然 而，可以理解的是，本發明不限於所示的精確的範圍和說明。本發明的特徵 和優點將在以下本發明參考附圖的描述中變得顯而易見，其中
圖1顯示了典型的己知的HID鎮流器電路的原理示意圖2顯示了依據本發明的實施例的包括鎮流器控制IC的HID電路的簡 化的原理示意圖3是所述鎮流器控制IC的詳細的原理示意圖4是顯示了第一實施例電路的本發明的鎮流器控制IC的原理應用示意圖5是顯示了第二電路實施例的本發明的鎮流器控制IC的原理應用示 意圖；以及
圖6是本發明的鎮流器控制IC的狀態圖。
具體實施例方式
為了點火和預熱控制，為了鎮流器正常或運行操作的全橋控制，以及故 障保護，圖2顯示的HID控制IC 23提供用於控制通過在鎮流器的輸入控制 輸入升壓/回掃轉換器提供DC總線電壓給所述全橋逆變器級的必須的電路。 圖4顯示了 IC 23如何在鎮流器的輸入級控制準諧振回掃轉換器、驅動用於 HID燈的全橋22、在預熱和運行模式期間控制燈的功率，設置點火和預熱特 徵計數器次數，並提供針對空載和短路情況的故障保護。在另一個實施例中， 還提供了對用於編程外部MCU的接口 (圖5)。
回掃轉換器控制
在圖4所示的本發明的優選實施例中，所述鎮流器包括準諧振回掃轉換 器電路21。雖然顯示了回掃轉換器電路，但是同樣可以使用升壓轉換器。所 述回掃轉換器提供的優點是可以使用較低電壓開關16。電路21在ICOMP 的引腳7使用最大電流控制的較低的電壓並在PCOMP的引腳8使用最大功 率控制以確定回掃MOSFET開關16的柵極驅動導通時間。所述回掃 MOSFET 16的漏極電壓通過連接到ZX引腳5的限制電阻RZX被監視以確 定所述回掃MOSFET 16何時關斷。當所述MOSFET 16關斷時，同樣連接 到回掃MOSFET 16的漏極的電容器CRES將以定義的頻率激勵所述漏極電 壓，該頻率將升高並之後歸於零。當所述漏極電壓被確定將達到零時，所述 IC 23通過設置MOSFET 16的導通時間而使MOSFET16再次導通。以這種方法，可以完成MOSFET16的零電壓轉換，允許其運行於較低的溫度。
默認的最大回掃關斷時間通過TOFF引腳6設置。如果在由連接到TOFF 引腳6的外部CTOFF電容器確定的時間結束前，沒有檢測到轉換回掃 MOSFET 16導通的信號，那麼MOSFET的柵極將被再次轉換為導通。
在IC 23中，使用PWM、 CS、 ZX、 TOFF、 ICOMP和PCOMP引腳及 其相關電路控制所述回掃轉換器21。參考圖3和4， PWM引腳1作為用於 外部回掃MOSFET 16的回掃PWM拉/灌MOSFET柵級驅動器輸出(導通/ 關斷柵極信號)。所述在PWM引腳1上的PWM信號的導通時間由燈電流限 制/PWM導通時間設置ICOMP引腳7或燈恆定功率/PWM導通時間設置 PCOMP引腳8上的電壓確定，由任意處於低壓的引腳確定。所述兩個補償 引腳依據所述燈是否處於恆定功率或電流限制模式控制所述回掃導通時間。
特別地，ICOMP引腳7確定PWM柵極驅動器輸出的導通時間。外部 電阻器RS被置於低端全橋MOSFET MLS1和MLS2的源極和接地之間以測 量所述燈電流。該燈電流在燈電流感測ISENSE引腳18被感測。具有兩個 控制迴路， 一個用於燈電流且一個用於燈功率。所述燈電流控制迴路以放大 器OTA2為中心。所述功率控制迴路以乘法器39和放大器OTA1為中心。 燈電流控制迴路和功率控制迴路的電路一起形成恆定功率控制迴路和電流 限制控制迴路38。連接到引腳7的外部電容器CICOMP設置所述電流限制 控制迴路的循環速度。
響應於在ISENSE引腳18感測全橋燈電流，所述電流限制控制迴路基 於在OC引腳19使用內部運算跨導放大器OTA2設置的燈電流限制閾值編 程的電壓調節電流。所述在OC引腳19的電壓是由內部電流源(由電阻 RIREFF在IC參考電流設置IREF引腳9設置或編程)和外部電阻ROC — 起設置的電壓閾值。所述電壓閾值是用於在ISENSE弓l腳18檢測的燈電流 的電流上限限制閾值。
13如果ISENSE引腳18的電壓大於OC引腳19的電壓，那麼OTA2將從 ICOMP引腳7拉出電流以在該引腳使所述外部電容器CICOMP放電，由此 減小所述電壓。這將減小所述PWM導通時間，並減小所述回掃電流以減小 全橋22燈電流。
如果在ISENSE引腳18的電壓小於OC引腳19的電壓，那麼之後將發 生與上述相反的情況，且ICOMP引腳7的電壓將增大以增大所述PWM導 通時間，並增大所述全橋22燈電流。由此，通過在ISENSE感測所述燈電 流，控制所述回掃開關16的電流控制迴路被建立。
同樣提供了功率控制迴路。這是由PCOMP引腳8處的電壓確定。該電 壓同樣控制用於恆定功率控制迴路的PWM導通時間。在PCOMP引腳的電 壓同樣確定PWM柵極驅動器輸出地導通時間。所述恆定功率控制迴路感測 在ISENSE引腳18的燈電流，且由連接於引腳17的電阻分配器的外部電阻 RVSENSE感測的VSENSE引腳17的燈電壓(DC總線電壓)。所述燈電壓 測量被用於所述恆定功率控制迴路和由OV引腳20編程的最大升壓輸出電 壓。OV引腳20的功能將在以下討論。
所述恆定功率控制迴路使用內部乘法器39將所述感測的控制和電壓相 乘。乘法器增益由MULT引腳16設置，並由外部電阻RMULT確定。所述 乘法器的輸出之後通過使用內部運算跨導放大器OTA1調整PCOMP引腳8 的電壓而被調整至固定的內部2伏閾值。連接到引腳8的外部電容器 CPCOMP設置恆定功率控制迴路的循環速度。
如果所述乘法器輸出電壓大於內部功率參考電壓，則OTAl將從PCOMP 引腳8拉出電流以在該引腳使外部電容器CPCOMP放電，並因此減小外部 電容器CPCOMP的電壓。這將減小PWM的導通時間並減小所述回掃電流 以減小全橋燈電流，並因此減小燈功率。
如果所述乘法器輸出電壓小於內部2伏參考電壓，那麼之後將發生與上
14述相反的情況，且所述PCOMP引腳電壓將增大以增大所述回掃導通時間以
增大所述全橋燈電流，並增加燈功率。然而，ICOMP引腳7還控制用於電 流限制控制迴路的導通時間，無論COMP中的任何引腳(ICOMP或PCOMP) 為低，將控制所述PWM導通。
電流感測CS引腳2提供用於回掃變壓器和回掃MOSFET 16的逐循環 峰值電流保護。外部電阻器RF被放置在回掃MOSFET 16的源極和電源地 之間，用於感測導通時間內在回掃MOSFET 16的瞬時電流。如果感測電阻 RF兩端的電壓超過在CS引腳2的內部1.2伏的閾值，之後PWM引腳1輸 出將變"低"以關斷回掃MOSFET 16並限制所述峰值電流。所述PWM引 腳1的輸出將維持"低"直至回掃PWM最大關斷時間編程TOFF引腳6超 時或檢測到所述回掃MOSFET 16的漏極電壓過零點。所述最大關斷時間由 外部電容器CTOFF設置，CTOFF設置TOFF引腳6的從0伏到2伏的斜坡 時間。所述最大關斷時間的設置決定在回掃控制電路21的臨界-連續和連續
-傳導模式間的分界。
所述回掃PWM的引腳1輸出還能夠由VSENSE的引腳17和最大回掃 輸出電壓閾值設置OV的引腳20被轉換為導通或關斷，用以限制所述最大 輸出電壓。該電壓閾值是在VSENSE的引腳17測量的升壓輸出電壓的的電 壓上限限制閾值。該電壓閾值是由在IC參考電流IREF的引腳9的電阻器和 外部電阻器ROV —起編程的內部電流源42設置的。所述OV閾值主要被用 於在空載情況下或燈點火期間限制或控制所述最大全橋電壓(回掃輸出電 壓)。在IREF的引腳9的外部電阻RIREF和內部2伏參考電壓一同確定內 部精確參考電流，該電流被用在CT、 OV和OC引腳。
如果在VSENSE的引腳17、作為全橋/燈22兩端的輸出電壓的度量的 電壓超過在OV的引腳20的電壓，則所述PWM的引腳1的輸出將變為"低"， 且所述回掃轉換器將關斷。所述PWM的引腳1的輸出將在TOFF的引腳6超時，或者，如上所述，在回掃準諧振電壓過零點檢測輸入ZX的引腳5上
檢測到負走向的轉換後再次導通。當所述PWM的引腳1的輸出電壓再次7鹹 小到低於所述OV閾值減去少許滯後，所述回掃轉換器將在PWM的引腳1 的控制信號下運行。
來自所述回掃MOSFET 16漏極的電壓提供用於檢測在每個開關周期的 關斷時間裡在柵極驅動器輸出PWM弓,1何時回掃漏極電壓達到零的f言 號。在ZX的引腳5的負走向的信號低於1.7伏(2伏-300毫伏滯後)，標誌 關斷時間的結束以及在柵極驅動器輸出PWM的引腳1上的下一個導通時間 的開始。
全橋控制
所述在輸出端的全橋級22優選地以500赫茲左右的頻率振蕩，除了在 剛點火後，在剛點火後仍將在每一個極性裡具有延長周期以減小所述燈熄滅 的可能性。這樣做的目的僅僅是為了通過避免移動引起沉積成形於所述燈的 電極上，從而延長燈的壽命。所述全橋在功率控制上不起任何作用。
IC 23的VCC電源可以通過連接到VBUS的電阻RAUX獲得，該VCC 電源典型地在正常運行期間保持在80到100伏，允許電阻器在未耗盡剩餘 功率的情況下供給IC 23。所述IC還能夠直接從鎮流器的DC輸入獲得其最 初起始電壓，並同樣可以在DC總線電壓非常低時，在點火的最初點從鎮流 器的DC輸入汲取功率。
所述全橋22由內部電路27的CT、 LOl、 VS1、 HOl、 VB1、 L02、 VS2 和VB2引腳控制。在全橋振蕩頻率設置CT引腳10的外部電容器CT對所 述全橋的轉換頻率編程。在CT引腳10的拉和灌電流使CT電壓在內部2伏 和5伏閾值之間上下增減。當所述引腳的電壓增加時，在低端柵極驅動器 LOl引腳25和高端柵極驅動器H02引腳23的全橋拉/灌柵極驅動器輸出為
16導通，且低端柵極驅動器L02引腳21和高端柵極驅動器HOI引腳27為關 斷。當所述引腳的電壓減少時，在L02引腳21和H01弓l腳27的輸出為導 通，且在LOl引腳25和H02引腳23的輸出為關斷。所述全橋繼續以此方 式，以50%佔空比和例如1.2us的穩定的固有死區時間振蕩。
所述內部全橋邏輯29、低端驅動器32和33、 600伏高端驅動器34和 35以及自舉MOSFET36和37之後負責使全橋22導通或關斷。所述驅動器 邏輯29確保當所述在L01引腳25的輸出和開關MLOl導通時，之後在H02 引腳23的輸出和開關MH02同樣為導通。相反地，所述驅動器邏輯23還 保證當在L02的引腳21的輸出和開關ML02導通時，之後在HOl引腳27 的輸出和開關MHOI同樣導通。通過以此種方式轉換全橋29，在所述燈的 兩端維持AC對稱的方波電壓。
所述內部自舉MOSFET36、 37分別導通以在當LOl弓l腳25被設置為 "高"期間，提供供電電流給全橋高端驅動器供電電壓輸入VB1引腳28， 且當L02引腳21被設置為"高"期間，提供供電電流給全橋高邊驅動器供 電電壓輸入VB2引腳24。這在不需要外部高電壓陰極負載二極體的情況下， 維持了高端驅動器的供電電壓。VB1引腳28和VB2弓I腳24由來自IC供電 電壓輸入VCC引腳3、通過集成自舉MOSFET而內部供電。此外，由開關 MHS1和MHS2返回的全橋高端驅動器供給分別在VS1引腳26和VS2引腳 22接收。
燈功率控制 點火
使用所述在例如，升壓拓撲之上的回掃拓撲的優點是如果電晶體66的 轉換比例從1逐步增加到4，且在點火時需要的最大總線電壓是400伏，那 麼之後可以使用100伏的MOSFET器件。在顯示的回掃結構中，由於100伏的最大漏極至源極電壓(VDS)級別被接收，所以電壓MOSFET 16具有 非常低的RDSon。
最初，電路處於點火模式，此時燈上無負載。當所述回掃轉換器21開 始振蕩時，DC總線電壓快速升高至400伏。
在點火模式下，在DC總線上的電壓變得足夠高以激活點火單元60， i亥 點火單元60在燈兩端產生足夠高的電壓以引起點火。該點火單元60同樣需 要大負值電壓ZH。該大負值電壓ZH在所述鎮流器中通過級聯電路62產生。 所述級聯電路包括連接到回掃感應器66 二次線圈的AC邊的二極體DC、DC2 禾口DC3以及電容器CC1、 CC2的排列。需要高電壓和極低的電流。所述級 聯電路通過一些高值電阻R1、 R2、 R3和R4連接到點火單元60。
當所述高電壓ZH產生時，在所述燈中產生電弧並且大電流迅速地流過 燈，引起DC總線經歷大負載。所述大負載將電壓拉低至低級別。此時，戶萬 述燈可能熄滅或繼續運行，由此進入預熱階段。如果燈在該階段熄滅，所述 回掃轉換器將再次提升DC總線電壓至400伏，啟用點火單元試圖再次啟動 燈。在幾次點火嘗試失敗之後，所述IC23將超時並進入故障模式從而禁用 回掃轉換器。此時假設所述燈不能運行或沒有己連接的燈。
如果所述燈成功點火，那麼之後電流將很高且電壓將很低。當所述燈被 點亮時DC總線電壓將不再為級聯電路充分升高以產生足夠大的負值電壓來 激活點火單元嘗試運行，且因此在點火後不需要特別的電路來禁用所述點火 單元。
在所述最初階段，最大電流是有限的，這引起回掃轉換器21作為恆電 流源運行來供給所述燈直至燈兩端的電壓開始增加。由於在燈內部的電弧溫 度的升高，典型地上述情況將在幾秒鐘後發生。由於電壓升高，燈電流將下 降，且內部乘法器39將控制所述燈的功率。內部乘法器39向通過VSENSE 引腳17和ISENSE引腳18提供的反饋電壓應用模擬乘法來計算所述燈的功率。所述乘法器的增益可以被MULT引腳16的外部RMULT電阻編程。所 述乘法器輸出可以在POUT引腳15被監視，該引腳通過外部電阻RPOUT 連接到COM。從而提供了與由乘法器確定的燈的功率成比例的可調節的輸
出電壓。
所述乘法器39的輸出被與內部參考電壓相比較，從而由OTA1在 PCOMP引腳8產生誤差電壓。類似地，ICOMP引腳7在來自ISENSE引腳 18的反饋電壓被直接與在OC引腳19的過電流閾值電壓比較時，產生誤差 電壓。當所述燈電流從最大值回落時，功率控制迴路38使用乘法器控制燈 的功率。所述誤差電壓決定回掃轉換器21的導通時間，且因此控制轉移到 所述輸出的能量的量和所述燈的功率。
常規運行/預熱階段
在預熱階段期間，參考提供至OTAl的功率控制迴路的功率被設置多個 定時級。最初，所述功率被編程為比額定功率高得多，且該功率通過預熱階 段在多個階段中被減小以便最終達到額定燈功率。在PCLK引腳13的電容 PCLK設置被分區的時鐘以對每一個在預熱周期內的功率級別階段提供定 時。這被稱為預熱特徵。所述預熱特徵能夠由將PIN引腳14連接到VCC的 引腳3來啟用，但是能夠在PIN引腳14的輸入電壓始終在低於內部閾值的 情況下被禁用。當開關50處於"0"位置時，在此情況下可以通過外部在引 腳PIN提供的0到5伏的DC控制電壓設置所述功率級別。電阻RMULT的 值及最大功率因此將被再次設置。
預熱特徵的目的是在點火後迅速提供來自燈的高亮度輸出。因為如果所 述燈在額定功率下被驅動，那麼亮度輸出最初將非常低，因此需要首先過度 驅動所述燈以便迅速地保證足夠的亮度輸出，且同樣為了儘可能快地使燈從 其冷態到達其額定運行溫度。這在汽車應用中尤為重要。最終，所述燈的功
19率將通過功率控制迴路、在餘下的周期內被維持在其額定水平直至所述鎮流 器被關斷或通過故障指示被關閉。
熱再點火(hot restrike)
所述HID鎮流器設計必須還能夠提供熱再點火，例如，當所述燈被關閉 但仍然發熱以及期望再次開啟所述燈時。HID燈需要更高的放電能量以便在 高溫時再點火。所述點火單元60能夠產生點燃所述燈所需的非常高的電壓， 然而，所述電弧具有在此後迅速熄滅的趨勢。因此，重要的是提供熱再點火 或在點火後從DC總線到所述燈的正確量的放電能量，以便防止該問題的發 生。
本發明通過提供由CBUS1和CBUS2的二級放電獲得熱再點火。在點火 模式期間，將通過DZB和R9使CBUS1將充電至400伏並且CBUS2充電 至250伏。在點火後，CBUS1將對所述燈放電直至DC總線電壓降至低於 250伏，此時CBUS2將同樣對所述燈放電。因為在熱再點火期間燈熄滅的 主要原因是當電弧產生時的過度的放電能量，因此CBUS1基本小於CBUS2。 過小的放電能量在電壓降至更低水平時同樣是一個問題，且因此，CBUS2 需要在此時被提供額外的能量。
所述燈電壓由所述燈本身確定，所以僅能使用電流控制燈功率。在 PCOMP引腳8的電容器CPCOMP的值決定功率控制迴路25的循環速度。 所述功率控制迴路25允許在燈運行的不同階段控制燈的功率。特別地，在 燈的預熱周期裡，期望過度驅動所述燈以便燈的亮度對車輛的駕駛員保持恆 定。當所述燈預熱後，其功率之後能夠維持恆定以便提供來自前燈的恆定流 明輸出。所述預熱特徵和恆定功率控制的功能均由內部乘法器39和功率控 制迴路35獲得。點火和預熱計數器
所述控制IC 23包括用於確定點火時間和預熱特徵時間的計數器。所述
用於點火計數器的點火時鐘頻率由在ICLK引腳11的外部電容器FLTCLC 編程或設置，並且內部點火定時器確定所述點火時間。ICLK引腳11及其相 關電容器FLTCLK允許在燈不點火進入故障模式前，對HID鎮流器處於點 火模式的時間總量進行編程。由此，如果燈在給定次數的嘗試後仍然無法點 火，ICLK引腳11則需要用於安全關斷HID鎮流器。
如圖6所示，當IC 23在步驟86進入點火模式時，點火時鐘和計數器被 啟用，且開始計數ICLK。如果所述燈成功點火，那麼在VSENSE引腳17 測量到的輸出電壓將減小到低於OV/3或在OV引腳20的電壓被除以3，所 述點火定時器將被重置和禁用，且所述IC 23將在步驟88進入預熱模式。如 果VSENSE引腳17不能在點火定時器計時終止前減小至低於OV/3，那麼之 後IC23將在步驟92進入故障模式，且所述IC將關閉。在故障模式中，回 掃21和全橋22將變為禁用。
回到圖3和4，預熱計數器時鐘頻率由在PCLK引腳13的外部電容器 CPCLK設置或編程，且內部點火定時器確定所述預熱時間。來自預熱計數 器的多個輸出被連接到預熱功率特徵控制單元41 ，以便參考功率能夠在特定 的時間點上為了滿足給定的特徵曲線而被增加或減小。該特徵曲線應該被設 置，從而使燈的流明輸出在預熱期間恆定。這能夠具有，例如，線性增加特 徵、指數增加特徵、RC增加特徵等，且該特徵曲線能夠通過改變依據來自 預熱計數器的特定時間點信號的功率參考而被定形。所述曲線的形狀由功率 控制單元在內部確定，但是所述特徵能夠通過減小或增加在PCLK引腳13 的電容器CPCLK而縮短或加長。所述CPCLK電容器同樣允許用於設置或 編程HID鎮流器在進入恆定功率模式(圖6中的步驟90)前始終處於預熱 模式的時間。故障保護
所述IC 23提供針對負載的開路或短路以及燈的點火故障的保護。所述 開路保護使用VSENSE引腳17和OV引腳20完成。如上所述，所述輸出電 壓由外部電阻分配器網絡在VSENSE引腳17測量，且過電壓閾值由在OV 引腳20的外部電阻ROV編程。如果在VSENSE引腳17的電壓超過所述 OV閾值，那麼PWM引腳1的輸出變為"低"，從而禁止所述回掃。所述輸 出電壓將再次減小且當VSENSE引腳17的電壓通過給定量的滯後(典型i也 為200毫伏)降至低於OV閾值時，所述回掃將重新啟動。這將在外部點火 電路試圖點燃所述燈時，保持所述輸出電壓限制於最大值。
感測電阻RS的電流被置於兩個低端全橋MOSFETMLSl和MLS2的源 極和電源地之間用於感測總負載電流。在處於短路條件下，ISENSE引腳18 的電壓將增加至高於OC引腳19的電壓，且所述IC 23將進入故障模式(圖 6中的步驟92)並變為被禁用。所述回掃21和所述全橋22將被安全禁用。 最終，如果所述燈未能點亮，VSENSE引腳17將始終高於OV/3閾值，且所 述點火定時器將暫停計時。這將導致所述IC 23進入故障模式(圖6中的步 驟92)並安全關閉。
連接到外部MCU
現在轉到圖5，所述微控制器50能夠直接控制所述功率參考，並避開在 HID控制IC內部的預置預熱特徵。所述微控制器產生PWM輸出，該輸出 通過簡單的濾波器轉換為DC。該濾波器由連接到PIN的引腳14的電阻RPIN 和電容器CPIN組成。這允許所述微控制器50按需要被編程以直接控制所述 燈功率。
在所示的結構中，乘法器39輸出POUT的引腳15由微控制器通過內部 模數轉換器監視，允許該乘法器對維持要求的運行所必須的PIN控制電壓做
22出調節。故障計數器和全橋振蕩器要求的所述時鐘信號同樣由所述微控制器 提供，而不是由外部電容器提供。
還可以直接通過微控制器的模數轉換器監視所述燈電壓和燈電流，甚至
可以數字地實現所述乘法，而不是使用內置於HID控制IC 23的模擬乘法器
實現，然而這並不是必須的。
通過在系統中配置微處理器還可以增加允許HID鎮流器發送返回至車 輛內部的管理系統的消息的通信特徵，例如，當燈出現故障或接近壽命的終 點且需要被更換時發出指示。向微控制器50提供的5伏供電可以容易地通 過連接到所述鎮流器控制IC 23的VCC供電的線性調整器提供。
如圖5所示，IC 23能夠與外部微控制器單元(MCU) 50連接。該IC 23 包括用於燈功率控制PIN的引腳14的參考，該參考由從0至5伏DC模擬 功率控制輸入的外部電壓設置。這允許外部輸入，例如來自外部MCU50， 用以對預熱和/或恆定功率模式的所述燈功率編程。當對用於不同類型的燈的 HID鎮流器編程時，由於所述不同類型的燈可能要求不同的預熱/恆定功率 設置，因此外部輸入的編程是必須的。設置PIN的引腳14的電壓高於5.1 伏將編程所述IC23為內部固有的預熱和恆定功率設置。由此，低端鎮流器 能夠使用單個IC達到所述內部固有預熱特徵，且高端鎮流器能夠包括MCU 50用以在製造期間獲得更大的適應性。
所述IC 23進一步包括輸出功率引腳，即POUT引腳15。外部電阻 RPOUT在POUT引腳15產生用於由所述MCU 50監視所述燈的功率的電壓。 由此，所述MCU 50能夠依據不同的燈類型和預熱特徵設置PIN引腳14， 並直接通過監視POUT引腳15監視所述輸出功率，以便確保實際輸出功率 與被編程的參考相匹配。
例如，HG引腳12允許所述MCU50設置無汞燈特徵。除了MCU50， 連接HG引腳12到VCC引腳3將為無汞HID燈設置所述預熱功率控制到校正預熱特徵。連接這個引腳至IC接地返回COM引腳4將為基於汞HID燈
設置所述預熱功率控制到校正預熱特徵。
雖然本發明是通過特殊的實施例加以描述的，但是許多其它變化和修改 以及其它應用對於本領域的技術人員將變得顯而易見。因此，優選為本發明 不由此處公開的具體內容限定。
權利要求
1. 一種用於驅動高強度放電燈的電子鎮流器，所述電子鎮流器包括用於接收DC輸入電壓並輸出具有被控電流的升高的DC輸出電壓的升壓級；用於將所述升高的DC輸出電壓轉換為能夠驅動所述高強度放電燈的開關AC電壓的開關級；以及耦合至所述升壓級和所述開關級並且用於控制兩者的IC控制器。
2. 根據權利要求1所述的鎮流器，其中所述IC控制器具有點火模式和 常規運行模式。
3. 根據權利要求1所述的鎮流器，其中所述IC控制器包括 用於設置PWM信號的導通時間和關斷時間的電路，所述PWM信號通過依據所述設置的導通和關斷時間控制所述升壓級的受控開關來增大或減 小所述升高的DC輸出電壓電流；用於向所述開關級提供控制信號的驅動器，所述開關級被提供以具有所 述升高的DC輸出電壓並向所述高強度放電燈提供AC功率；燈功率控制電路，該燈功率控制電路包括用於感測來自所述開關級的輸 出電流和所述升高的DC輸出電壓的感測電路；以及用於設置所述PWM信號的佔空比從而控制所述受控開關的導通時間和 /或關斷時間的電路，該電路響應於用於控制提供到所述燈的功率的所述輸出 電流以及所述升高的DC輸出電壓。
4. 根據權利要求3所述的鎮流器，其中所述燈功率控制電路包括電流控 制迴路和功率控制迴路，且其中如果所述燈電流處於預置最大級別，則所述 電流控制迴路控制所述燈的功率，且如果所述燈電流低於所述預置最大級別，則所述功率控制迴路控制所述燈的功率。
5. 根據權利要求4所述的鎮流器，其中所述電流控制迴路包括第一放大 器級，該第一放大器級接收所述感測的輸出電流和參考值，並提供誤差信號以控制所述PWM信號並由此控制所述燈的功率。
6. 根據權利要求5所述的鎮流器，其中所述功率控制迴路包括乘法器 級，該乘法器級接收所述輸出電流和所述升高的DC輸出電壓以產生與所述 燈的功率成比例的信號，所述功率控制迴路進一步包括第二放大器級，該第 二放大器級接收所述與所述燈的功率成比例的信號，並提供誤差信號以控制 所述PWM信號並由此控制所述燈的功率。
7. 根據權利要求1所述的鎮流器，該鎮流器進一步包括級聯電路和點火 單元，其中在所述點火模式期間，所述級聯電路向所述點火單元提供高電壓， 所述高電壓在所述燈中產生電弧，並引起電流流入所述燈，從而點亮所述燈。
8. 根據權利要求7所述的鎮流器，其中所述級聯電路在所述燈點亮後不
9. 根據權利要求6所述的鎮流器，其中所述IC包括預熱特徵電路，該 預熱特徵電路用於引起所述燈的過度驅動以便在點火後迅速提供高亮度輸 出，並且用於將所述燈從冷態轉變到額定運行溫度。
10. 根據權利要求2所述的鎮流器，該鎮流器進一步包括提供兩級放電 的熱再點火電路，其中在所述點火模式期間，第一電容器充電至第一電壓，且第二電容器充電至第二電壓，以及此後，所述第一電容器向所述燈放電直至DC總線電壓降至低於閾值電 平，與此同時所述第二電容器向所述燈放電。
11. 根據權利要求9所述的鎮流器，其中由所述預熱特徵電路設置的預 熱周期包括功率級別階段，在所述階段中所述乘法器級的功率參考在多個定 時級中設置，其中最初所述功率參考被設置為高於燈的額定功率，且之後在 所述預熱周期裡在多個階段中減小以達到所述燈的額定功率。
12. 根據權利要求1所述的鎮流器，其中所述鎮流器和所述高強度放電燈被用於汽車。
13. 根據權利要求1所述的鎮流器，其中所述升壓級包括升壓轉換器。
14. 根據權利要求1所述的鎮流器，其中所述升壓級包括回掃轉換器。
15. 根據權利要求1所述的鎮流器，其中所述升壓級的受控開關包括 MOSFET。
16. 根據權利要求1所述的鎮流器，其中所述開關級是全橋。
17. 根據權利要求16所述的鎮流器，其中所述全橋的開關是MOSFET。
18. 根據權利要求1所述的鎮流器，該鎮流器進一步包括預熱模式、故 障保護模式和熱再點火模式。
19. 根據權利要求1所述的鎮流器，該鎮流器進一步包括控制器接口單元，該控制器接口單元直接控制所述IC控制器，並通過所述IC控制器控制所述升壓級和所述開關級，所述控制器接口單元允許用戶對所述ic控制器重新編程以便允許所述鎮流器與不同模式的燈一起運行。
20. 根據權利要求19所述的鎮流器，其中所述IC控制器包括用於運行 所述燈的默認設置。
21. —種用於控制驅動高強度放電燈的鎮流器的集成電路IC控制器，該 IC控制器包括用於以PWM來控制所述鎮流器的升壓級的第一電路，以便將DC輸入 電壓升至升高的DC輸出電壓，所述IC控制器具有點火模式和常規運行模 式；用於控制所述鎮流器的開關級的第二電路，以便通過將所述升高的DC 輸出電壓轉換為能夠驅動所述高強度放電燈的開關AC電壓而向所述燈提供 開關AC電壓；以及燈功率控制電路，該燈功率控制電路包括感測來自所述開關級的輸出電 流和所述升高的DC輸出電壓的感測電路。
22. 根據權利要求21所述的IC控制器，該IC控制器進一步包括用於連 接接口控制器單元的接口電路，該接口控制器單元直接控制所述IC控制器, 並通過該IC控制器控制所述第一電路、所述第二電路以及所述燈功率控制 電路，所述接口控制器單元允許用戶對所述IC控制器重新編程從而與不同 模式的燈一起運行，每個燈模式具有不同的運行要求。
23. 根據權利要求22所述的IC控制器，其中所述IC控制器包括用於運 行所述燈的默認設置。
24. 根據權利要求21所述的IC控制器，其中所述第一電路設置所述 PWM信號的佔空比從而控制所述控制器開關的導通時間，所述第一電路響 應於用於控制提供給所述燈的功率的所述輸出電流和所述升高的DC輸出電壓。
25. 根據權利要求21所述的IC控制器，其中所述燈功率控制電路包括 電流控制迴路，該電流控制迴路在所述燈的電流處於最大級別時控制所述燈 的功率；以及功率控制迴路，該功率控制迴路在所述燈的電流低於最大級別 時控制所述燈的功率。
26. 根據權利要求25所述的IC控制器，其中所述電流控制迴路包括第 一放大器級，該第一放大器級接收所述感測的輸出電流和參考值，並提供誤 差信號以控制所述PWM信號，並由此控制所述燈的功率；所述功率控制回 路包括乘法器級，該乘法器級接收所述輸出和所述升高的DC輸出電壓以產 生與所述燈的功率成比例的信號，且該功率控制迴路進一步包括第二放大器 級，該第二放大器級接收與所述燈的功率成比例的所述信號，並提供誤差信 號以控制所述PWM信號並由此控制所述燈的功率。
全文摘要
提供了一種用於驅動高強度放電(HID)燈的電子鎮流器。所述電子鎮流器包括用於接收DC輸入電壓並輸出具有被控電流的升高的DC輸出電壓的升壓級。該電子鎮流器進一步包括用於將所述升高的DC輸出電壓轉換為能夠驅動所述HID燈的轉換的AC電壓的開關級。集成電路(IC)耦合至所述升壓級和所述開關級並且用於控制兩者。所述IC包括燈功率控制電路，該燈功率控制電路包括感測電路，該感測電路用於感測來自所述開關級的輸出電流和升高的DC輸出電壓，電流控制迴路，用於如果所述燈電流處於最大級別，控制所述燈的功率，以及功率控制迴路，用於如果所述燈電流低於最大級別，控制所述燈的功率。所述IC還包括控制器單元接口，並提供點火模式和常規運行模式。
文檔編號H05B39/04GK101427610SQ200680007088
公開日2009年5月6日 申請日期2006年3月6日 優先權日2005年3月4日
發明者P·格林, T·J·裡巴裡希 申請人:國際整流器公司