#第四届立创大赛#汽车高强度气体放电灯HID安定器 - 嘉立创EDA开源硬件平台

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标准版 #第四届立创大赛#汽车高强度气体放电灯HID安定器

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创建时间: 2019-06-01 22:20:59
更新时间: 2023-03-29 22:07:44
描述
###### 注:*为必填项。 ###### 项目要求: 【报名阶段填写内容 ↓,_为必填项】_ _简要介绍作品:45W输出汽车HID高强度气体放电灯氙气灯安定器(镇流器)。_ _参数要求:_ _输入:9 - 18V 。_ _输出:40 - 120V(100HZ)交流方波。稳定灯泡管压85V±17V。(方波交流可 以延长灯管使用寿命,并且看不到灯光闪烁)_ _输入功率:50W。_ _输出功率:45W。_ _启动最大电流:< 6A_ _效率:13.2V时 > 90%。_ _输入防反接保护:有。_ _输出开路保护:有。_ _欠过压保护:有。_ _次级短路:有。_ _空载母线钳压:< 450V。_ _点火高压脉冲:<= 25KV。_ _快速频闪:要求0.5秒快速开关机,灯都可以正常点亮,安定器不会被损坏。_ _功率恒定:输入电压变化时,次级电压变化时,输出功率偏差< 1W。_ 补点灯功能:在灯泡突然熄灭后需要从新点亮。 芯片选择:UC2843 + STM8S003 +LM321。 方案选择:不常见的抽头电感BOOST + 低频全桥 + 25KV脉冲高压点火(前级 限流并恒流,后级恒功率)。 【竞赛阶段填写内容 ↓,*为必填项】 一、作品详情;(本人研究这些纯属个人爱好,软硬件均为网上自学,因学识有限,并且有5年多没碰电子产品了,很多东西还需要边学边设计)照明行业在半导体LED之前HID气体放电灯算是良好的光源,高光效,低光衰,较高的显色性。但是缺点也比较明显,灯泡在启动时出现负阻特性,高频点灯出现声共振(现象灯光严重抖动)并且还需要高压点灯,恒功率控制等,对安定器(镇流器)要求非常高。虽然目前大部分照明是LED光源,但是在一些特殊的场合还是在使用HID。例如:汽车高铁地铁头灯,大型无人机照明,植物成长灯,摄影用的镝灯等。本设计研制为氙气灯安定器,本方案可以稍微改动移植到其他气体放电灯使用。方案采用模拟+数字控制,前级采用UC2843(UC2843有更宽的工作温度)控制限流,恒流,电压电流采集以及恒功率计算和各个保护采用STM8S003单片机控制,次级电流采集放大采用LM321运算放大器,放大后送到单片机内部做恒功率运算。 简要方案框图: _![0.png](//image.lceda.cn/pullimage/5u71JU0d7l80RtnB2xgVlYJI8NGVzakY9LUdpzcq.png)_ 工作大致流程:输入经过电容滤波后,分压后进入单片机检测是否过欠压。电压正常后,次级一侧全桥自举充电,并开启一对角桥导通。UC2843开始工作,次级钳压环起作用限制空载电压在400V左右(防止空载电压过高引起后级损坏),高压点火电路开始工作,击穿灯泡,(如果检测5次没有击穿灯泡,识别短路或者开路并保护锁死)。前级限流起作用,限制最大启动13.2V(<6A)电流,检测是热灯还是冷灯,如果冷灯就最大功率快速启动,逐渐慢慢降到输出45W,后级计算电压_电流并开始恒功率并正常工作,检测(过欠压,开路短路保护)。如果热灯就从最大功率快速降到输出45W,并开始恒功率等。 二、描述作品所面临的挑战及所解决的问题; \>(一) 效率:传统方案低压反激\+全桥,50W的功率,效率想做到90%,非常困难。下面介绍几种方案的优缺点,选择能满足要求的方案。 1: ![1456.png](//image.lceda.cn/pullimage/4sGFWVLK7Jn672BjTkEgaaHR8RACHQq20RBdPKtQ.png) 常规方案:反激+全桥,全桥也不画了,分析前级效率。 优点: 1:可升降压,次级处于短路状态,电流也能被限制。 2:前级关闭后,后级处于完全关闭状态。 3:冷启动电流不受次级不同灯泡不同管压影响。 4:不同灯泡不同灯泡管压输出功率误差较小,可以简单补偿功率。 缺点: 1:效率低。 2:前级MOS管以及次级二极管尖峰很大。 3:前级MOS管、次级二极管、次级全桥MOS管需要更高耐压。 2: ![12345695.png](//image.lceda.cn/pullimage/c1rO62aEq9hlevO8Jbg2VlfPoOeVj0rcSTJdUrmL.png) 特殊方案:非隔离抽头电感BOOST+全桥,全桥也不画了,分析前级效率。 优点: 1:效率高,MOS管尖峰电压 + BOOST升压电压 = 输出电压。相当于BOOST只需要升到50V左右! 2:MOS管和次级二极管受变压器漏感影响较小,尖峰比较低,需要MOS管耐压相对低一些。 3:前级MOS管、次级二极管、次级全桥MOS管需要更低耐压。 缺点: 1:只能升压,次级短路时相当于输入经过电感短路,电流限制有限! 2:前级关闭后,后级处于不关闭状态。还需要关闭全桥。 3:冷启动电流受次级不同灯泡不同管压影响。 4:不同灯泡不同灯泡管压输出功率误差比较大,所以必须要输出恒功率。 3: ![12463.png](//image.lceda.cn/pullimage/cL3rEmg1Wlcsrc5cxcqM4XwUcZpvnCZulqi90moy.png) 超特殊方案:反激 + 半桥换向方案,常规反激,不画了,简要分析一下 特点: 1:比传统全桥换向少了2个MOS管和驱动。多了一个二极管和滤波电容。 2:比全桥母线电压高了一倍(AB点电压),2个MOS管需要提高一倍耐压。 3:次级工作电流电压采样是个问题,如果GND是C点,那么下MOS管可以直接驱动,上MOS管可以用自举方式驱动,比较简单,但是灯管电压DB不太好采集,并且DB是交流方波,当工作在下周期时,C点串电阻可以采集到工作电流,但工作在上周期时,电流就无法采集到,除非用互感器等,但过于复杂。如果B点是GND,那么下MOS管不好驱动。 4:以上三点还不是最困难的,次级采集不到电流,就不采集,采用前级电流*前级电压,进行恒功率,虽然说每个变压器效率有误差,但是并不大,但如果AB电压设置过高,那2个MOS管内阻和全桥4个没多大区别,如果把AB点电压钳到400V,那么电流接续就会出现问题。(电流接续作用,下面会有说明) 4: ![QQ截图20190910131828.png](//image.lceda.cn/pullimage/yGIMQJpz29Ikxqsk7LnmhmLoeShaMbwTxcTJUd2r.png) 超特殊方案:双反激高频链 难点: 1:Q2 Q3不好驱动 2:时序要求高 ,时序稍微出现错误Q2 Q3必坏 3:次级工作电流电压采样是个问题, 总结:综合考虑效率,最有可能达到90%的效率,是(非隔离抽头电感BOOST+全桥) \>(二) 电流接续,普通电流接续电路,有损耗,为了能达到90%效率,需要解决这部分损耗。 ![14687.png](//image.lceda.cn/pullimage/fYhm4abHtoLwkZrWDu3KMqMz8vrUR19w4fwAzjAV.png) 为什么需要电流接续电路? 原因:当灯被高压击穿后,因电路响应速度跟不上,导致在击穿后没有大电流跟上,造成点灯失败,所以需要电流接续电路,启动瞬间由R1往电容充电,电容储存能量主要和电压平方,电容容量成正比。电容容量增加后会导致充电速度变慢,R1损耗增大,所以比较好的方法是提高充电电压。灯在击穿后(相当于短路)电容能量由M7和100R提供大电流到灯泡。R2 100R作用,降低放电速率,如果第一次点灯失败,第二次点灯电容能量还是够的,如果不加100R放电太快,只能点一次!(此电流续接最大缺陷,正常工作后C2还会继续工作造成损耗) 解决普通电流接续电路的损耗,想了很多办法,比较可行的方法见下图。 ![18765.png](//image.lceda.cn/pullimage/ar3vNQgdZP4m3FIzqIJJQLSUFGtjIPpo6YZduG1K.png) 充电经R2,单向TVS D2给电容充电,放电经TVS D2内部二极管到R2流出。正常工作时电压低于130V,C2不工作,没有损耗。但是此电路也有缺陷,因C2电容并不是真正导体,只有在充电瞬间相当于短路,所以电压最高只能冲到250V,250V电压能量还是差一些,把C2换成4.7UF好一些,测试唯一解决方法提高母线电压到430V左右,充电电压能到290V就够用了。 \>(三) 前级电流采样(作用限制最大电流,以及可以恒流,此电阻损耗比较大,所以需要想办法降低采样电阻提高效率) ![19874.png](//image.lceda.cn/pullimage/cgwKh2PT9Hzzv9XeFPTwPVKezjoLCI9Zyk2WRooz.png) 电阻采样比较常用,并且此电阻温度变化影响略小,但是R1在工作时有比较大的损耗,尤其是电流增大后损耗会更严重,所以想办法去掉采样电阻损耗是提高总效率比较有效的办法。(1> R1减小,经过运放电流放大,但是电路有复杂一些,而且加入运放后响应速度会变慢。2> 互感器采样,互感器个头略大,成本也比较高,不太适合。3> 比较新颖的管压降电流采样) ![3487.png](//image.lceda.cn/pullimage/7nLdboh1OhZcBngVc0mCGSCJQ5QsHelmPCtVnleR.png) MOS管导通时,由于MOS管有内阻,AB两点会有压降,其实和普通采样电阻类似,只是用MOS管内阻当做采样电阻使用。可以当做无损电流采样,但是此检测方法是有缺陷的,MOS管本身就是一个发热源,内阻会随着温度而变化,如果前级用此方法恒流,那么温度的变化势必会引起功率的变化,解决方法,加入温度补偿,具体温度补偿会在原理图有备注,就不再说了。 (四)难点:(恒功率)常规方案一般用模拟方法,在输入9-18V时,每个阶段去补偿一些功率,近似形成恒功率,但是一般无法做到非常精细,并且在输出不同功率时,软件需要改动比较多。后级管压高低也会影响功率误差,因车灯是2个,如果功率发生偏差较多的话,2个灯亮度会不一样,为了解决这个问题,就需要恒功率控制,因需要实现输出功率。 常规恒功率方法: 1,PID电流值比较,用 给定值 / 次级电压 = 得到次级参考电流值,然后和次级电流采集值比较,PID运算差值控制PWM控制UC2843 1脚。此方法比较精准,并且正负差值都可以控制,但是能力有限PID总搞不好。 2,PID功率值比较,用次级电压 * 次级电流 = 得到当前实际功率,然后和给定功率值比较,PID运算差值输出PWM控制UC2843 1脚,此方法和上面方法类似,正负极差值都可以控制、 3,软硬件恒功率,用次级电压 * 次级电流 = 得到当前实际功率,然后后输出PWM后送到UC2843 2脚 和内部基准2.5V比较,超过2.5V就缩小功率,进而达到稳定,此方法比较容易实现,调试不复杂,所以本设计采用此方法,但是此方法也是有缺陷的,只有当功率值 > 2.5V 恒功率才起作用,< 2.5V 不起作用。 \>(五)最难点:脉冲式高压包设计 。 原理图 ![0.png](https://image.lceda.cn/pullimage/NQHTztVk59ZkXMpmPknpp0fsFcuDlLdKftfnpX2u.png) 原理非常简单,启动全桥对角导通,2个桥的中点是430V左右的直流电压,负极经D1 R1 给C1充电,当电压达到放电管击穿电压时,电容存储的电能瞬间放到高压包低压线圈,由次级产生25KV脉冲高压,进而击穿灯泡,因产生高压过高,只有选用串联式升压,对全桥影响比较小。灯点亮后,母线电压下跌,不足以击穿放电管,高压包不起作用,看似非常简单的原理,但是想做好没有那么容易。 难点1,产生电压比较高(25KV) 难点2 ,如果次级增加过多的圈数,意味着高压包内阻就大,因为正常工作时电流需要经过高压包次级,所以内阻不能过大,否则损耗比较大。 难点3,点灯不仅对高压的高度有要求,比较重要的一个参数,高压维持时间(脉冲宽度), 难点4,因为高压比较高,普通导磁率比较高的锰锌材质就不行,因为锰锌电阻率小,会被高压击穿,只能选择磁导率低的镍锌材质。 难点5,又想高压够,脉冲够,内阻足够小,高压不对磁芯放电,难度极大,目前市面上的,做到25KV 500NS 内阻都是在3Ω以上,本设计要控制在1.2Ω左右,难度很大。 综合上面问题,本人也是研究很长时间的磁性材质,最后得出结论; 1. 相同直径的镍锌磁棒,磁导率高的,高压较高,脉宽相同。 2. 相同磁导率的镍锌材质,直径越大的,高压较高,脉宽较大。 因没能力做磁性研究,所以根据市面上能购买的磁棒最后确定参数,直径10*40磁棒,线径0.45 5槽骨架(每槽耐压5000V,漆包线必须耐压到3000V才行) 磁导率250,匝比,3:250. 绕制方法见下图; ![0.png](//image.lceda.cn/pullimage/jnY6qDGH8WjfScycW203u0Jljfsb0NOYmjM5JvLK.png) 中心开槽尽可能贴着磁棒,不能过厚,间隙不能过大,尽可能平绕,最后成品需要灌环氧树脂。 最后成品内阻1.2Ω 25KV 520NS脉宽。 ![qproBJnEzcWtlUuwhWB2UsouxxsIrw92RHvZEty1.png](//image.lceda.cn/pullimage/ea7yVddUER7qE8dXbFvja27kzmhPnMKUMX2vn5wX.png) 高压包内阻测量: ![IMG_20190910_180049.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/IY8Bo99Azvk4xlPk6GO6BF08wJgWB5XGUZGshlFv.jpeg) 原理图: ![gxDdv4Ax9rg8i110U672Hodzxkog3SGYf2wAn1ke.png](//image.lceda.cn/pullimage/Bg6CVfyg7hrZ5ilzRM9lYvNLz7EGV58FBkZmbk6v.png) PCB板子: ![4PyV4LlKAmkAW5zqSZKUAPQBA9mUn75LEeqAr2rM.png](//image.lceda.cn/pullimage/0CJWkNZ3NArJZpXOs2NhzYcp5v3rR3MbS0hDbUxu.png) ![sRgE1qfa24HSMc4sLx4hwVAcKZMAa1G5vzi3lm0o.png](//image.lceda.cn/pullimage/ufz11BrW8DjSipDE624SKZ5B6hL7hKxbvxRAIl1t.png) 第一次尝试弧形走线, 三、描述作品硬件、软件部分涉及到的关键点; 软件: ![000.png](//image.lceda.cn/pullimage/pUgWP9cCZIDUTb3lRUPtKAYgV29gaepxHv9G0LAt.png) ![image.png](//image.lceda.cn/pullimage/hw2l2zEwelVs49nA0ncHdl2wN0GK20s8FgqIAtsW.png) ![image.png](//image.lceda.cn/pullimage/ceooFwIZir35ocvG90KM7vO9RCwgKpGBx1vCr8YD.png) ![image.png](//image.lceda.cn/pullimage/qm0MaQkizVi2e2a2D7rx5m1A9Wi33peKOwkXGSJJ.png) ![image.png](//image.lceda.cn/pullimage/dUR0rOojZCIpMHAbstTVCvSpBSAhPw1xq1XA6WzR.png) ![image.png](//image.lceda.cn/pullimage/vpvsT6TH6VFhfKMfFJHojkpSjVxUk0z1HI2yeT2f.png) 硬件: ![FjnjwI4c0dfV9ZC3BG1nTyg8rrW3lbY7Z35OujPz.png](//image.lceda.cn/pullimage/MNEDruLhuyWdoeTnRWvfboS4tFzPdqhnCCdwFfeL.png) ![DWVhjmUSJiz9UZimu4HHowuMQx8aWiaq6TvRkz9t.png](//image.lceda.cn/pullimage/AyKBHon0Ke0vb8RdwNHjbjp0gVO51PjK4WXV7H19.png) ![PNRb5VNg8tHucryuADssS7IuCt1Up4pu6Iv666xu.png](//image.lceda.cn/pullimage/ERYd7kPERQQypybt0HTtJvQlVbGrRDSMJs4FF3fm.png) ![2Gw5U3JyTdSe6Xcihgi1laRJonnmz0JKwdTiVUI4.png](//image.lceda.cn/pullimage/oze0A4MnmUIfRtbhHxrzojJYKhPm9IwlRO24t23v.png) 四、作品材料清单;附件比赛BOM 五、作品图片上传;(PCB上须有大赛logo标识并拍照上传,若无视为放弃参赛) 效率计算图片: ![IMG_20190910_175103.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/UD8TYOh7yEyhWY97MfMFT7ljoBicsSkYwkBWqnaM.jpeg) 波形测试: ![IMG_20190910_174305.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/764K2uaGgn2G31INjlO50YG3mOHlR3BSKMXytf2h.jpeg) ![IMG_20190910_174008.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/rcRCBLnwE3sLEl1jxu4r3S7AwPju2uR3cpxsslA5.jpeg) ![IMG_20190910_173819.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/doJbtWlrN15hQvjlQcaDz53nU8UxWtFl5PaBDf2s.jpeg) ![IMG_20190910_173721.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/kpoqlOTugkyOzmbIGwpAT57h4n0V7mCtezfknyHj.jpeg) PCB图片: ![QQ截图20190822093200.png](//image.lceda.cn/pullimage/D2QOxUeZgxoG52KgCkqqmuV6HyVTPuT1AkfUCOsS.png) ![QQ截图20190822093214.png](//image.lceda.cn/pullimage/3sw6dj4nwOCeboq1agI2b5YtT83QFdHHECTt7mSL.png) 实物图片: ![40OiIq12ZvKRSdFBpDSA7LX6Ymavntbwzt7gRZKy.png](//image.lceda.cn/pullimage/01EP3NTEC3NhFj5KtnQ0KvDwes1qZjhnCG9CWDAS.png) ![EnZ1OApozwy6SNZtwUbHQ5cuAp10hnN7WHBs2mdt.png](//image.lceda.cn/pullimage/v4B1bya1RFqFj1GfCrGsVKKKlgrtQu1BJTYGdY8u.png) ![HsMNfMx0QXrNjacjP1Cy1SEsZW2CON4GWJJpcyTB.png](//image.lceda.cn/pullimage/2CxwGG5KQy5LxeUOqUydLVAu7j56bviYmjvE1bXU.png) ![5s7KVDvwjjD9fqACWXlpFXdL4EnPBwaorsWtroRb.png](//image.lceda.cn/pullimage/fte87DnBkw7jm6Tf1e5h76SGW7bTxltPFkSEzamq.png) ![wfYtaZ4dC19wKFV1IDvnC3jRq5v50WFk6ITCtoMv.png](//image.lceda.cn/pullimage/uB3mby1G9sHtaGrTCqg2HJcs8OMDNgGrEXdxifnR.png) ![IMG_20190909_225616.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/a0QyvuMRKE5w2pjVjqBvFxyR7tLANcOMqUvmmIMm.jpeg) ![IMG_20190909_225642.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/OFj3N28YUs1Oii7y6l3H8MkMRLANhEjGqd31tfcY.jpeg) 散热结构,板子 + 导热硅脂 + 导热硅胶片 + 导热铝板 + 螺丝固定 ![EUyiWr4fgg6YY5G8kuwjtG3DeVQeubptRFkWzGx3.png](//image.lceda.cn/pullimage/R5YKCO2jSg4AyUiD5cv6m6u1xHZufnpGS5F5u9DJ.png) 尺寸大小:67 X 58 X 15  单位:mm 装车照片: ![IMG_20190827_200653.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/P2htO5DbxIbM922tBYJJDhT3444GTsKKHMyueg2J.jpeg) ![IMG_20190827_200713.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/hJpaGR6YOQhaoHSHlJJ4Byf2n17aAuT3Zqfl0Vop.jpeg) ![IMG_20190827_200743.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/rkgxfxo7qKz0AjYWygc1tbhHLAThFXmHeRz4oPa6.jpeg) ![IMG_20190827_200820.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/b0y1MHY6jo9X1vD9e2T9Qy81AYZc30vCAisH9pqn.jpeg) ![IMG_20190827_201803.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/K1JRiJnRQkQ0WE9ZJ88DA3YDJHH8V6DSvwDYah5O.jpeg) 六、演示您的作品并录制成视频上传;(视频内容须包含:作品介绍;功能演示;性能测试;PCB上大赛logo标识特写镜头,若无视为放弃参赛) 演示视频:[https://v\.youku\.com/v\_show/id\_XNDM1NTQzOTUxNg==\.html?spm=a2hzp\.8244740\.0\.0](https://v.youku.com/v_show/id_XNDM1NTQzOTUxNg==.html?spm=a2hzp.8244740.0.0) 装车视频:[https://v\.youku\.com/v\_show/id\_XNDM1NTM0OTU0OA==\.html?spm=a2hzp\.8244740\.0\.0](https://v.youku.com/v_show/id_XNDM1NTM0OTU0OA==.html?spm=a2hzp.8244740.0.0) 七、开源文档。见附件,包含原理图 PCB文件 源代码,PCB和原理图均为[Protel _99SE_](https://www.baidu.com/link?url=Rjm8wZOVjcTjHTeyMvfiI5iDccWgG-58H7xbGtuDVbfLSekpr62U5pUjXiE4uT6KkkEW52ULISL-aCGN5YLWGVdYc1Huqb709ryJDVOjQWm&wd=&eqid=b0b13f1d0000c8f7000000045d7666c9)绘制
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