一種汽車用金鹵燈的快速點亮電路

1前言

隨著人們生活及交往節奏的加快和一條條高速公路的建成，要求不斷地改善汽車夜間駕駛的安全性。為此就需要有良好的前照燈視覺構造，為改善空氣動力特性，就需要把前照燈的外形做成斜面流線型。現在歐、美、日等國，已用小功率金屬鹵化物燈代換常規的鹵鎢燈作為汽車前照燈的光源。因為鹵鎢燈的光效低，一般為15～35lm/W，顯色指數為60～65。而小功率金屬鹵化物燈，30W的光效為85lm/W，顯色指數大于70。35W的光效為67lm/W，顯色指數大于75。所以，金屬鹵化物燈比鹵鎢燈體積小，光效更高、顯色性更好。采用金屬鹵化物燈作汽車前照燈，可大大改善汽車夜間駕駛的安全性，并可顯著改善汽車前部的空氣動力特性，利于高速行駛。

金鹵燈的玻璃殼內填充著引燃氣體（氬氣等）、汞及金屬鹵化物。當把高壓電加到燈的放電極上時，在引燃氣體放電之后，緊接著就產生汞弧光，由此，也就產生熱量，使金屬碘化物氣化，在汞弧中分解為金屬原子和碘原子，金屬原子參與放電，并輻射出具有特殊金屬光譜的強光。

包括金鹵燈在內的普通高強度氣體放電燈的供電點亮電路，如圖1所示。

汽車中的直流電源UDC一般為12V蓄電池，經過直流電壓提升電路升壓，再經過DC／AC變換器變換成正弦交流電壓，然后由起動觸發電路產生高壓脈沖觸發燈管，燈點亮后，管壓降低，管流增大，由限流電感進行限流。為保證加到燈管上的電壓可調節，把DC電壓升壓器輸出的電壓，設計成可控制的。

雖然上述的供電點亮電路可使用DC電壓來點亮金鹵燈，但此種燈從起動點亮至達到規定的亮度，需要一定的時間（一般叫“起動時間”），或者在燈暫時熄滅后，再起動時（再起動時間）需較長的時間。這是因為，當該金鹵燈從冷態開始起動時（把這種起動叫“冷起動”），為使燈泡內的金屬鹵化物氣化，需要時間；當該放電燈從點亮狀態被暫時熄滅一會兒后再點亮時，燈泡內的氣壓依點亮狀態持續時間的長短，會有不同程度的升高。這就需要相應地增加觸發電壓的幅值；另外，當環境溫度高低變化時，也會影響所需起動電壓幅值的大小。這對用作汽車前照燈來說，是個致命的缺點。

圖1普通高強度氣體放電燈的供電點亮電路

圖2快速起動點亮供電電路總體框圖

本文介紹一種快速點亮汽車用金鹵燈的供電電路；它克服了上述一般點亮電路的缺點，可在0.3s內使燈的光輸出達到現用的鹵鎢燈的水平，在3s～5s內燈的光輸出達到其額定值。

2快速起動點亮供電電路

2．1快速起動點亮供電電路原理

快速起動點亮供電電路原理框圖可參見圖2，該點亮電路由12V蓄電池供電，電源電壓E經燈開關K及繼電器觸點Jɑ后，一路通過二極管D1到端子B，供電給后級控制電路；另一路供給DC電壓提升電路②，把輸入電池電壓E提升后，再經DC／AC高頻變換電路③，變成高頻正弦交流電壓供點亮金鹵燈。

電路③的輸出經過變壓器T1的次級繞組T1－2，接到金鹵燈H的電極。電容C1和變壓器T1次級繞組T1－2的漏感構成限流電路。電容C1還用來檢測金鹵燈電流，以判斷金鹵燈是否接通。當燈處于未點亮狀態時，燈點亮起動電路⑦發出信號給燈點亮電路④，使之產生點亮脈沖。

控制電路⑧產生控制脈沖PS，其占空比是根據電路②的輸出電壓和輸出電流檢測電阻R3上的電壓信號的變化進行調整的，然后，通過柵極驅動電路⑤把該脈沖信號PS加到電路②以控制其輸出電壓。

控制電路的工作過程如下：

在燈點亮后，即刻又關斷，此時，電路②的輸出電壓為零。再起動時，電路②的輸出電壓為高電平。從關斷到再起動之間的時間間隔長短可由電路②輸出端的“零電平”與“高電平”之間的時間間隔來檢測。這可通過定時電路⑥來完成。電路⑥檢測出此時間間隔信號，并把此信號傳送給電路⑧，電路⑧輸出相應的控制信號給電路②，使其輸出電平改變，最終達到燈的恒功率控制。如果在燈點亮后，立即進行恒功率控制，會大大縮短燈的起動時間。

當電源E的端電壓跌落到低于預定值時，就由電壓降落檢測電路⑨，輸出一個信號給電路⑧，改用比額定功率小的控制功率來驅動金鹵燈工作。

異常狀態檢測電路⑩從電路②的輸出電壓和輸出電流之間的關系，檢測出電路的異常狀態，并把異常狀態信號傳送到電路①，切斷電源。當電池電壓恢復到等于或大于預定的電平時，燈又起動點亮。

2．2快速起動點亮電路功能介紹

下面對圖2框圖中的主要部分功能進行說明（參見圖3）。

（1）DC電壓提升電路②

電路②是按斬波型DC／DC變換器構成的；電感L1接在電源E的正端，N溝道場效應晶體管S1接在電感L1之后，跨在電源正端和地線之間。S1是按照來自控制電路⑧與柵極驅動電路⑤所產生的驅動脈沖來進行開關工作的，當S1在控制脈沖作用下導通時，電感L1就儲能，當S1截止時，電感L1就釋放能量，從而提升了DC電壓。

（2）DC電壓提升電路②的輸出電壓檢測電路11

電路11通過分壓電阻R1和R2檢測出電路②的輸出電壓作為采樣信號送入誤差運算放大器N1的同相輸入端，而將預置參考電壓信號V1送入N1的反相輸入端進行比較，N1輸出的誤差信號用以控制PWM電路，調節電路②的輸出電壓。

（3）DC電壓提升電路②的輸出電流檢測電路15

電路15通過R3檢測出的輸出電流信號（電壓值），經運算放大器N2放大后，再經R11送入誤差運算放大器N3的同相輸入端；而將預置參考電流信號（電壓值）V2經緩沖運算放大器N4放大后，再經R16送入N3的反相輸入端進行比較，N3的輸出誤差放大信號用以控制PWM電路，以調節電壓提升電路②的輸出電流。

（4）電源電壓降落檢測電路⑨

電路⑨依據來自電源E的采樣電壓（端子B）的減少量作為采樣信號送入緩沖運算放大器N5的同相輸入端，經N5放大后再經D4、R19送入N4同相輸入端，經放大后再經R16送入N3的反向輸入端，其作用同前所述，只是N5的輸出使V2被箝位，其結果是用比額定功率小的控制來驅動金鹵燈的工作。

（5）定時電路⑥

電路⑥是按照點亮的燈被熄滅的時間長短來保證躍變到恒功率控制狀態。該定時電路是由晶體管V1和R?C時間常數電路構成的。其工作原理見3.1條所述。

（6）PWM電路14

電路14由比較器N6，緩沖放大器N7和振蕩器OSC構成。N6將其輸入電壓（N1及N3的輸出電壓信號）同來自振蕩器OSC的鋸齒電壓進行比較后送入N7，經N7產生控制脈沖PS，其占空比是由其輸入電壓決定的。PWM電路產生的控制脈沖PS經柵極驅動電路⑤去控制電路②的輸出電壓幅值。

（7）低壓關燈電路12

電路12具體可參見圖4。該電路由電阻R23穩壓管D7和比較器N8等組成。由圖4可知N8的反相輸入端通過電阻R26接在電阻R24和R25之間，N8的同相輸入端接在分壓電阻R27和R28之間。N8的輸出送到切斷電源繼電器電路①中，控制繼電器的合、分。其工作原理見3.3條所述。

（8）DC／AC高頻變換電路③

電路③具體線路見圖5（a）。它是用兩只場效應晶體管S2、S3組成的推挽電路，把輸入的DC電壓變換成高頻正弦電壓。

圖中R31、R32作為輸出電流檢測電阻，電容C4、C5、穩壓二極管D8和D9的作用是抑制浪涌電壓。恒流二極管D10和D11對S2和S3產生恒定的偏置電壓，控制開關晶體管的定時工作。以此來減小開關損耗。

圖3圖2中方框的進一步說明

圖4低壓關燈電路原理

圖5DC/AC高頻變換電路

（a)電路原理圖(b)電路工作波形

圖6金鹵燈點亮電路④和點亮起動電路⑦

S2、S3的控制電壓是由反饋繞組T2－3提供的。這樣，所產生的正弦電壓經次級繞組T2－2輸出。圖5（b）為該高頻變換電路工作時的部分電壓波形：上半部分為輸入電壓Vin和扼流圈L2的電壓VL2；下半部分有兩種電壓，一種是用虛線表示的，為S2或S3的偏置電位VB，另一種是S2或S3的柵極電壓VG。

加到S2及S3上的偏壓VB是取自扼流圈L2之后，S2、S3導通時VL2的波形是全波整流波形，因此，偏置電位VB波形的波谷就對應于電壓VL2的波谷。這樣該偏置電位VB的短暫降落，使S2或S3變成截止狀態，阻止了因輸入電壓Vin的變化導致S2、S3都處于導通狀態的情況，從而保證了DC／AC變換的穩定運行。

（9）燈的點亮起動電路⑦及點亮電路④

圖6上部分為點亮電路④，下部分為點亮起動電路⑦，其工作過程如下：

當開關K剛合上，金鹵燈尚未點亮前，電路⑦中的電容C1的端電壓是零，晶體管V2截止。因此，晶閘管SCR2處于導通狀態。于是，電路④中的電容C9就被電路③的輸出電壓逐漸充電。電容C9的端電壓由D12、R33、R34構成的電路來檢測。當電容C9上的端電壓上升到使穩壓管D12導通時，晶閘管SCR1被觸發導通，電容C9就通過升壓變壓器T1的初級繞組T1－1放電，并在次級繞組T1－2中感應出高壓脈沖疊加在電路③輸出的高頻正弦電壓上，這種合成的高壓加到金鹵燈H的電極H1及H2上，使金鹵燈點亮，接著燈電流給C1充電到預定電平，使晶體管V2導通，使SCR2關斷，C9充電中斷，從而就終止了點亮起動脈沖的產生。

（10）異常狀態檢測電路⑩

電路⑩對于諸如金鹵燈H正常老化，壽命到期，不能發光，或電路③輸出級開路等異常狀態均可檢測出。并將此異常狀態信號送到電路①，使繼電器觸點Ja斷開，并人為地把燈開關K暫時關斷，待故障排除后，把電源開關合上，再起動工作。

圖7系統在三種不同起動狀態下主要點的工作曲線

(a)DC電壓提升電路輸出電壓VO與時間的關系曲線

(b)DC電壓提升電路輸出電流IO與時間的關系曲線

(c)金鹵燈管電流IL與時間的關系曲線

(d)金鹵燈管管壓VL與時間的關系曲線

(e)金鹵燈輸出的光通量?與時間的關系曲線

3系統控制過程

金鹵燈快速點亮系統的控制過程分兩種情況：第一種情況是電路處于正常狀態，金鹵燈H在燈開關K一合上，就開始點亮（把此種情況叫“正常時間”）。第二種情況是電路狀態出現異常情況（把此種情況叫“異常時間”）。

圖7分別為電路②的輸出電壓VO和輸出電流IO，金鹵燈H的燈電流IL和燈電壓VL，以及燈的光通量?等參量隨時間變化的情況，時間軸的原點O，對應于燈開關K剛合上的時刻。

圖8為電路②的輸出電壓V0和輸出電流I0間的關系曲線。

3．1正常時間

當金鹵燈處于冷態時，在開關K剛合上的時刻，定時電路⑥中的電容C3未充電。V1的基極電位很低，V1截止，所以，在電路②的輸出電流檢測電路15（參見圖3）中的運放N3的同相輸入端上，只加有運放N2的輸出電壓。而在燈亮起來后，從圖7的曲線實線可看出，燈管電壓VL和電路②的輸出電流IO都很低。這說明運放N2的輸出（相應于電路②的輸出電流IO）比來自基準電壓產生器電路13的基準電壓V2小，這樣，N3的輸出就是低電平。因此，PWM電路14所產生的控制脈沖PS的占空比，就由電路②的輸出電壓檢測電路11中運放N1的輸出電壓來決定。控制脈沖PS通過柵極驅動電路⑤加到電路②中的S1的門柵極。電路②的輸出電壓檢測電路11中的基準電壓V1這樣來設定：使得電路②的輸出電壓VO變高（大約為正常狀態輸出電壓的2.5～3倍），圖8中曲線上的點a，就表示了金鹵燈剛點亮后，電路②的輸出電壓VO為最大值。圖8中的曲線a－b段（從點a到點b），電路②的輸出電流IO是逐漸增加的而輸出電壓VO近似為常數，這是電路②在輸出電壓檢測電路11的控制下工作的情況。隨著電容C3被逐漸充電，V1的基極電位增加使V1導通，運放N3的同相輸入端上的電位也增加。設這時的充電時間常數為τ1=·C1，當該電位達到的電平與基準電壓V2相當時，PWM電路輸出的控制脈沖PS的占空比就由運放N3的輸出來決定。即就是說，當控制脈沖PS的占空比隨著運放N3的輸出電壓的增加而下降時，一直保持在最大值的電路②的輸出電壓VO也逐漸下降。從圖8曲線上的點b經過電路②的輸出電流IO的峰值點c，而達到點d這段控制區域b－c－d段是受圖3中的輸出電流檢測電路15控制的。當電容C3充滿電后，晶體管V1就飽和導通，它的射極電位幾乎等于電路②的輸出電壓。此時，系統控制工作是按如下方式進行的：把電壓UO和將R3·IO經N2放大后的電壓之和與基準電壓V2經N4放大后的電壓相比較。這樣，就在VO及IO為恒定值的條件下，以近似線性的形式實現了恒功率控制。圖8曲線中，從點d到點e的d－e段是恒功率區域，近似直線（PO=IOVO，當IO上升時，VO線性下降），在此區域給金鹵燈提供額定的功率。這樣，在金鹵燈點亮初期，其光通量?急劇上升[見圖7（e）]，經歷一定的過沖之后，又回到正常狀態。

圖8DC電壓提升電路在控制系統作用下

其輸出電壓與電流的關系曲線

3．2燈暫時熄滅后再次點亮的控制過程

在燈熄滅期間，定時電路⑥中的電容C3上儲存的電荷就以放電時間常數τ2≈R22C3放電。τ2是根據燈熄滅后，燈溫度逐漸下漸的速率來決定的。因此，當燈開關斷開再合上后，點亮工作過程，就從圖8中控制曲線上相應于電容C3的端電壓處開始。這就是說，在燈一旦被熄滅之后，為再點亮它，正確的點亮控制過程，是按照從熄滅到燈開關再合上時所需經歷的時間來完成的。例如：在燈被熄滅經歷幾十秒之后，再點亮它時，燈的點亮過程是從圖8中曲線的控制區b－c－d段上的工作點開始，并把這種控制方式改變到恒功率控制，因此，電路②的輸出電壓VO和輸出電流IO就從燈點亮過程開始點逐漸下降。正如圖7（a)，圖7（b）中分別用一點劃線所示，而燈的光通量?如圖7（e）中一點劃線所示，在開始處急劇上升，經歷過沖量后，就變得穩定了。

對于燈熄滅幾秒鐘的情況，此時，燈的玻璃泡仍然很熱。如圖7（a），圖7（b）中的雙點劃線所示，燈再次點亮后燈電壓VO立即就升高，電路②的輸出電流IO也很高，因此，就立即變到恒功率控制，在額定功率下，光通量?變成穩定的。定時電路⑥是用來縮短起動時間的。即就是說，如果沒有該定時電路，則電路②的輸出電壓就直接經過電阻R20加到運放N3的同相輸入端，不管燈物理狀態如何，燈的發光過程就無經過a－b段或b－c－d段的起動過程以及光通量?上升時間的延長。

3．3異常時間

現在來說明車上蓄電池電壓下降時的情況。

如果電池電壓等于或大于預定值，例如10V，圖3中放大器N5的輸出電壓就變得高于基準電壓產生電路13中運放N4的輸入電壓V2，此時二極管D4是被關斷的，這樣基準電壓V2的數值就由電阻R13及R15和可變電阻R14來確定。

如果蓄電池電壓等于或小于10V，運放N5的輸出電壓就變得低于V2。此時二極管D4導通，這樣就使基準電壓V2降低。因此，依照電池電壓的下降情況，加到金鹵燈H上的功率比額定功率低（大約只有額定功率的50％～75％）。當電池電壓E再降低到等于或低于某一預定值，例如7V時，已不能再維持燈點亮，這時這個電壓被電阻R27和R28分壓檢測后輸入N8的同相輸入端（參見圖4），在比較器N8中同輸入反相輸入端的給定電壓進行比較后，輸出一低電平信號給電路①，切斷繼電器繞組激磁電源，于是，繼電器觸點Ja斷開，切斷了后級電路的電源使燈熄滅。當電池電壓回升到等于或高于7V時，比較器N8的輸出變成高電平，此時繼電器觸點Ja就又合上，燈又開始點亮工作。

4小結

定時電路⑥中的電容C3的端電壓，表示著燈在熄滅后的狀態，據此，可確定給燈供給多大的電壓，使之迅速再點亮。由此，就縮短了燈起動點亮的時間（再起動時間），并使之穩定點亮。具體地說，在冷態起動點亮時，給燈供給最大的功率使光通量?迅速上升，在燈起動點亮后,其控制作用分兩部分（圖8中曲線a－b段和b－c－d段）：一部分是受電路②的輸出電壓與檢測電路11控制的區域a－b；另一部分是受電路②輸出電流檢測電路15所控制的區域b－c－d段。然后，就立即躍變到恒功率控制區d－e段，進行正常工作。這種控制方式，能顯著改善金鹵燈的快速點亮特性。