中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目：車用高強度氣體放電燈驅動器之研製 Study and Implementation of Automobile

HID Lamp Drivers

系 所 別：電機工程學系碩士班 學號姓名：M09201034 姚竣仁 指導教授：宋 朝 宗 博士

中華民國 九 十 四 年 七 月

摘要

光線在我們日常生活中扮演相當重要的角色。在家庭中照明的好 坏，對於視力健康以及心情都有一定程度的影響；而於行車時的照明品 質，更是與生命息息相關。近幾年來，車輛所使用的照明設備有相當突 破性的發展。不僅亮度大為提高，以提升行車的安全性，同時兼具節省 電力之優點。

本篇論文主要是以OSRAM D2S 35W 氙氣 HID 燈的驅動電子安定 器設計為主，以符合 HID 燈暫態及穩態所需的設計規格，進而量測電路 及燈泡所產生的電磁干擾與改善。電子安定器的電路架構是由返馳式轉 換器、全橋換流器及高壓點燈器組成。返馳式轉換器是使用 TI 所生產 的 UCC2305 設計返馳式轉換器來提供暫態與穩態所需要的功率。全橋 換流器則用 Philips 所生產的 UBA2030T 產生低頻方波。至於高壓點燈 器之設計則以單級倍壓電路來產生點燈所需的瞬間高壓。整合上述電路 之功能以配合氙氣 HID 燈本身的物理特性，使 HID 燈正常工作。最後 進行電路的電磁干擾中輻射與傳導測試，以找尋影響電路主要的雜訊源 並加以抑制，以提高系統電路的穩定性及效率，進而降低電磁波對人體 的危害，以符合產品市場化所需要的規範。本論文可提供車用HID 燈電 子安定器系統設計與整合的實作經驗與測試參考。

Abstract

The light plays the quite important role in our daily lives. In the family, the illumination quality has the significant influence on vision health and human mood. As regards the car driving, the lightness is closely linked with the traffic safety. In the last few years, the lighting devices of mobile vehicles have the great breakthrough which not only increases the lamp brightness to promote the driving safety, but also decreases the consumption of electric power to save the energy.

The main effort of this thesis is devoted to design the electron ballasts for the OSRAM D2S 35W xenon gas lamp to meet the transient and steady-state design specifications of HID lamps. Furthermore, the electromagnetic interference of the implemented circuits and the lamp is measured and improved. The circuit structure of electronic ballast consists of a flyback converter, a full-bridge inverter and an high-voltage igniter. The flyback converter is based on the TI UCC2305 IC to provide the transient and steady-state power. The full-bridge inverter is implemented by using Philips UBA2030T IC to generate the low frequency square wave to drive the HID lamp. As for the design of the high-voltage igniter, the single-stage double-voltage circuit is used to generate the momentarily high voltage for lighting up the HID lamp. The performance of integrated circuit must meet the physical characteristics of the Xenon HID lamp to keep the normal operation of the HID lamp. Finally, the testing and measurements of the radiation and conduction for the electromagnetic interference are performed to search and improve the main noise source of the system circuit. The

improvement of EMI may increase the stability and efficiency of the system circuit and reduce the electromagnetic wave's injury to meet the related standards of commercial products. In conclusion, the main results of this thesis will give the practical experience and testing reference of system design and integration for the electron ballasts of automobile HID lamps.

誌謝

經過這兩年的訓練，可說讓我受益良多。從碩一開始對電力電子的 懵懵懂懂，到現在可以了解如何設計安定器。不過能有這個機會讓我學 習這麼多知識，這個功勞莫過於我的指導教授宋朝宗老師，他讓我能夠 選擇自己想研究的領域，提供我到交大廖德誠教授研究團隊學習電力電 子的機會。在這期間認識了許多交大的博士班的學長及碩士班的同學、

學弟，他們也提供了我很多課內課外的幫助。在論文口試中很榮幸的邀 請到交大電控的廖德誠教與梁耀文博士、中科院的陳俊宏博士和黃正自 博士，給予我論文上的指較。我也要特別感謝林潮棟先生提供我電磁干 擾的測試平台及相關知識。及交大碩士專班的怡宏學長及工園院宋明俊 大哥、鍾大哥、changze 大哥提供技術上的指導，還要感謝桃園晶勇顏 大哥、銘成電子、舜全電子趙小姐、工園院及豪華汽車廠提供我相關的 材料。

當然我也要感謝我實驗室的各位同伴，明錕、大雄同學，還有阿嵐、

浩然、培鈞、名譚、小阿福學弟及已畢業的阿福學長。有他們陪伴我這 兩年在研究室裡的生活，讓我在實驗之餘，還有聊天的對象。

最後我要感謝我的父母親及家人的支持，提供精神上、物質上的很 大幫助。還有舅舅及舅媽一家人讓我可以很快的適應新竹這陌生的環 境。能有他們的幫助，才可以讓我可以專注於課業上面。有了這麼多人 的幫助，我的論文才得以如此順利的完成。

目錄

摘要... i

Abstract ... ii

誌謝... iv

目錄... v

圖目錄... viii

表目錄... xi

第1 章 緒論... 1

1.1 研究背景與動機... 1

1.2 論文大鋼... 4

第2 章 車用氙氣HID燈物理特性 ... 5

2.1 氣體放電燈發光原理... 5

2.2 氙氣HID燈發光特性 ... 7

2.3 啟動電壓... 9

2.4 電氣特性... 9

2.5 音頻共振... 11

2.6 氙氣HID燈發展與構造 ... 13

第3 章 電子安定器之基本電路架構... 15

3.1 電子安定器架構... 15

3.2 升壓電路... 16

3.2.2 返馳式轉換器的操作模式... 19

3.3 換流器... 21

3.4 高壓電路... 22

第4 章 電子安定器之實現... 25

4.1 電子安定器設計... 25

4.2 升壓電路實現... 29

4.2.1 啟動電源... 30

4.2.2 振盪器... 31

4.2.3 預測燈溫與補償... 31

4.2.4 控制模式... 32

4.2.5 保護電路... 34

4.3 換流器實現... 37

4.3.1 啟動電源... 37

4.3.2 振盪器... 38

4.3.3 Dead Time ... 39

4.3.4 保護功能... 40

4.4 高壓電路實現... 40

4.5 磁性元件的製作... 42

4.5.1 返馳式變壓器的設計... 42

4.5.2 高壓變壓器的設計... 48

4.6 波形量測... 49

第5 章 電路板佈局與產品干擾測試... 55

5.1 電路板佈局與機殼設計... 55

5.2 輻射性電磁干擾... 58

5.2.1 輻射干擾實際量測... 59

5.3 傳導性電磁干擾... 66

5.3.1 傳導干擾實際量測... 67

5.4 結論... 69

第6 章 結論與未來展望... 70

6.1 結論... 70

6.2 未來展望... 71

Reference ... 72

圖目錄

圖2-1：HID燈管架構圖[2] ... 7

圖2-2：光源光譜（資料來源：[3]） ... 8

圖2-3：HID燈啟動暫態至穩態燈管電壓電流變化過程（資料來源：[5]） ... 10

圖2-4：燈管之暫態到穩態的阻抗曲線（資料來源：[4]） ... 11

圖2-5：OSRAM 35W氙氣HID燈音頻共振頻率分佈圖（資料來源：[6]） ... 12

圖2-6：方波電流時的功率狀態（資料來源：[23]） ... 12

圖2-7：OSRAM D2S 35W 氙氣HID燈結構圖（資料來源：[11]） ... 13

圖3-1：車用電子安定器架構圖 ... 16

圖3-2：返馳式轉換器 ... 17

圖3-3：升/降壓轉換器 ... 17

圖3-4：返馳式轉換器波形（資料來源：[9]） ... 19

圖3-5：(a) CCM mode (b) DCM mode (c) CCM/DCM mode（資料來源： [6]） ... 20

圖3-6：全橋換流器 ... 21

圖3-7：點燈串聯結構[10][5]... 22

圖3-8：點燈並聯結構[6] ... 22

圖3-9：單級倍壓點火電路的架構[13][14]... 23

圖3-10：倍壓電路基本架構圖 ... 23

圖4-1：電子安定器的開迴路電路圖 ... 26

圖4-2：SLA2403M在HID燈電子安定器的架構圖（資料來源：[19]）27 圖4-3：UBA2030T在HID燈電子安定器的架構圖（資料來源：[20]）27 圖4-5：UCC2305 內部架構圖（資料來源：[16]） ... 30

圖4-6：固定頻率電流模式（資料來源：[9]） ... 32

圖4-7：功率調整圖（資料來源：[17]） ... 33

圖4-8：穩態燈功率與燈電壓（資料來源：[17]） ... 34

圖4-9：限電流控制圖（資料來源：[17]） ... 35

圖4-10：UBA2030T內部架構圖（資料來源：[20]） ... 37

圖4-11：EFD Core尺寸圖（資料來源：[28]） ... 46

圖4-12：返馳式轉換器Q1 操作頻率（fs=100K；D=0.5）... 49

圖4-13：返馳式開路電壓 300V（scale：1/200V）... 50

圖4-14：全僑換流器開路電壓 300V/133Hz（scale：1/200V） ... 50

圖4-15：空載下點火電壓 42KV（ch-3：1/100V）... 51

圖4-16：冷點燈點火電壓（ch-3：1/100V；ch-4：1/100V）（未抑制EMI） ... 51

圖4-17：冷點燈點火電壓（ch-3：1/100V；ch-4：1/100V）（抑制EMI） ... 52

圖4-18：熱點燈點火電壓 18.8KV（ch-3：1/100V）（未抑制燈泡EMI） ... 52

圖4-19：熱點燈點火電壓 23.2KV（ch-3：1/100V）（抑制了燈泡EMI） ... 53 圖4-20：穩態時燈管電壓電流波形（ch-1：1/500mA ；ch-2：1/50V）

圖4-21：電池、電子安定器、HID燈點亮實圖... 54

圖5-1：PCB版... 57

圖5-2：輻射性干擾測試架構圖（資料來源：[30]） ... 58

圖5-3：輻射性干擾測試實際圖 ... 59

圖5-4（a）：未加上燈罩時，垂直方向，頻率範圍 31～303 MHz... 60

圖5-4（b）：未加上燈罩時，垂直方向，頻率範圍 297～1005 MHz ... 60

圖5-4（c）：未加上燈罩時，水平方向，頻率範圍 31～303 MHz... 61

圖5-4（d）：未加上燈罩時，水平方向，頻率範圍 297～1005 MHz ... 61

圖5-5（a）：錫箔紙做燈罩，水平方向，頻率範圍 31～303 MHz... 62

圖5-5（b）：錫箔紙做燈罩，水平方向，頻率範圍 297～1005 MHz ... 62

圖5-5（c）：錫箔紙做燈罩，水平方向，頻率範圍 31～303 MHz... 63

圖5-5（d）：錫箔紙做燈罩，水平方向，頻率範圍 297～1005 MHz ... 63

圖5-6（a）：鐵殼做燈罩，垂直方向，頻率範圍 31～303 MHz... 64

圖5-6（b）：鐵殼做燈罩，垂直方向，頻率範圍 297～1005 MHz ... 64

圖5-6（c）：鐵殼做燈罩，水平方向，頻率範圍 31～303 MHz... 65

圖5-6（d）：鐵殼做燈罩，水平方向，頻率範圍 297～1005 MHz ... 65

圖5-7：傳導性干擾測試架構圖（資料來源：[30]） ... 66

圖5-8：傳導性干擾測試實際圖 ... 67

圖5-9：未加抑制元件前的傳導性干擾圖形... 68

圖5-10：加上抑制元件後的傳導性干擾圖形... 68

表目錄

表1-1：色溫對照表[1] ... 3

表2-1：OSRAM D2S 35W 氙氣HID燈參數（資料來源：[11]） ... 14

表4-1：單極高壓點火電路所需要的元件參數... 41

表4-2：返馳式變壓器參數 ... 42

表4-3：絕緣導線規格（資料來源：[27]） ... 45

表4-4：EFD Core 提供參數（資料來源：[28]）... 47

表4-5：高壓點火器參數 ... 48

第1章 緒論

汽機車可說是目前國人主要的交通工具，雖然目前大部份的路段都 設置有路燈，但是一般在高速進行下，路燈所能提供的亮度明顯是不夠 的；而且因為間隔上的距離與路況的關係，也會造成照明的死角，這樣 將無法完全提供行車時所需的安全。另一方面，如果行駛在較黑暗的路 段，汽機車所使用的照明設備，相形之下就顯得更為重要。車頭燈就必 須要使駕駛者更能看清前方路況，這麼一來就必須提供足夠的亮度與投 射距離，才能在短時間內可以做出更快的反應。

1.1 研究背景與動機

市面上所謂的車用大燈，目前九成以上都還是使用鹵素燈泡，傳統 的鹵素車燈也可以說是白熾燈的一種，其就是利用電流通過鎢絲後，使 其產生高溫後輻射出肉眼可看到的可見光，有時為了延長燈絲的蒸發，

在燈泡內部封入碘的石英發光管。但是這些都不足以改善鹵素燈照度 低、效率低的問題。

目 前 市 場 上 正 流 行 一 種 高 強 度 放 電 燈 (High Intensity Discharge Lamp)，一般簡稱 HID 燈。氣體放電式的照明設備很早就應用於水銀燈、

複金屬水銀燈、高壓鈉氣燈等，日常生活常見的路燈、體育館的照明、

隧道的照明，都有其應用。它與傳統燈泡最重要的區別是鹵素燈與普通

燈泡一樣有燈絲，而HID 燈則是沒有燈絲，利用兩電極之間放電產生的 電弧來發光的，氙氣燈則為HID 燈的一種。雖然 HID 燈的成本比較高，

但卻有下列比較優越的性能。

a.高亮度輸出：

通常在計算亮度的單位稱之為「流明度（Lumen）」。HID 燈高出 傳統鹵素燈三倍的亮度效率，對於提升夜間及霧中駕駛視線清晰度 有著明顯的功效。HID 燈可以輸出高達 3200Lumen 的亮度， 而一 般鹵素燈泡最多也只能產生1000Lumen 上下的亮度。

b.高色溫度：

所謂的色溫只是在解釋何種溫度下所產生的光色，溫度越低，色溫 會偏紅，反之則偏藍。一般60W 鹵素燈也頂多產 3000~3200K 的色 溫度；藉由提高鎢絲電阻及瓦數所改裝 100W 的燈泡也最多提升到 3400~3800K 的色溫度。氙氣燈可以產生出 4000K 左右的色溫，但 是 K 值越高不一定就比較亮；而是在 4000K 左右的光色正好是最白 略微偏藍的色溫，也最接近正午日光的顏色，人眼的接受度最高，

有效減少駕駛人的視覺疲勞及增加舒適度，如表1-1。

色溫 呈現顏色 備註

12,000k 藍色 藍色

8,000k 偏藍色 藍白色

6,000k 偏白色 目前 HID 車燈主流色溫

5,000k 白色 正午的陽光色

3,000k 黃色 一般白熾燈泡

2,000k 紅色 晚霞的紅色

表1-1：色溫對照表[1]

c.較長壽命：

鹵素燈的發光原理是用鎢絲發熱，但是在長時間的高溫下，會造成 燒斷損壞，就算是品質再高的鹵素燈，最多也只能連續使用400 小 時；HID 燈是利用氣體發光，基本上不會產生過高溫度而損壞，最 少使用壽命都有 2500 小時的。

d .省電：

一般原廠的鹵素燈大約需要耗費 60W 上下的電力，而 HID 燈，平 均只需要 35W 的電力來供應 HID 燈發光。省電大約 50%，減輕了 電力系統的負擔。

e.安全性：

鹵素燈會因泡水或有水氣因素而產生爆裂，也會因鎢絲燒斷而瞬間 熄滅。HID燈一旦發生故障不會瞬間熄滅，而是透過逐漸變暗的模

式熄滅，提供夜間駕駛者能有足夠的反應時間。HID燈還有一個好 處，在安裝正確的情況下不會產生多餘的眩光，不會對迎面來車的 駕駛者造成干擾。

1.2 論文大鋼

本篇論文主要架構可分為6 個章節：主要探討如何設計氙氣 HID 燈 的電子安定器及後續所產生的干擾防治，每一章節的大綱如下：

第1 章：主要介紹照明設備對生活的影響，及目前 HID 燈在市場上的需 求，並與鹵素燈的做比較。

第2 章：針對 HID 燈管的發光原理，及物理特性進行分析，因為所謂的 電子安定器就是為 HID 燈能夠穩定的操作，所以了解 HID 燈 各個階段的狀態變化是很重要，這樣才能讓電子安定器準確的 提供HID 燈所需的能量。

第3 章：了解 HID 燈的變化曲線後，設計出對應電路，理論分析每一級 的功能，架構電子安定器所需要的電路。

第4 章：實現本論文所提出的電子安定器之電路架構，設計出效能更好 的電子安定器。

第5 章：產品化的設計與干擾防治，解析電子安定器與 HID 燈所產生的 干擾對電路所產生的影響及抑制。

第6 章：論文總結，敘述本論文所設計的電子安定器可再改善的部份，

及未來可以研究的方向。

第2章 車用氙氣 HID 燈物理特性

一般來說氙氣燈是利用氣體放電燈的模式；所以了解氣體放電燈的

原理與組成架構，及它所表現出來的電氣特性，是設計電子安定器的第 一要件。而所謂的電子安定器其實就是為了搭配HID 燈所設計出來的，

如果能完全明白氣體放電燈的特性，就可以準確設計符合 HID 燈參數的 電子安定器。

2.1 氣體放電燈發光原理

氣體放電燈的基本原理就是：氣體原子是原子核與周圍的電子所組 成，而周圍電子處在不一樣的能階上面，所以價電子的變化將是原子電 離、激發及發光的物理過程。當價電子處於基本能階上面時，能量最低，

也比較穩定；相對的價電子處於基本能階以上稱為激發能階，要離原子 核越遠所需要能量越大，但是卻越不穩定。原子從基本能階電離，躍升 至激發能階，再從激發能階降至較低能階時，所放出的能量，就將以光 子的形式而輻射出來。如果電離所產生的電子再一次的電離，自由電子 將會成倍數增加，造成湯生雪崩效應(Thomson Avalanche Effect)，倘若 外加能量持續的提供，那原子能階的產生與消失過程，將會不斷的在進 行。

由於電流的主要成份為電子，為了使放電電流持續進行，陰極必須

不斷的提供自由電子，提供自由電子的主要方式分別敘述如下：

a.電子轟擊發射:

若撞擊電極的電子具有足夠的能量，可將電極中的電子打出，此種 電子發射稱為電子轟擊發射。

b.場致發射:

若外加電場足夠大，使得陰極獲得足夠的能量而直接發射電子，此 現象稱為場致發射。在氣體放電燈中，有時燈管上的電壓並不高，

但如果在電極附近很小的範圍內形成很強的空間電荷層，則可能在 此區域造成很強的電場，而引發場致發射。

c.正離子轟擊發射：

當電極之間的電位差足夠大時，使得正離子的速度足夠快，此時正 離子撞擊陰極而擊出自由電子。因此，電極的材料必須能承受正離 子的轟擊，否則會使得電極的材料大量飛濺，減短電極的壽命並造 成燈管黑化之現象，而冷陰極管即是屬於輝光放電燈。

d.熱電子發射：

當陰極的溫度越高，則越多的電子得到足夠的能量，而從陰極中發 射出來，此種發射方式是弧光放電燈主要的發射形式，而論文中所 用的氙氣HID燈即是屬於弧光放電燈。

2.2 氙氣 HID 燈發光特性

氙氣燈屬於氣體放電燈的一種，目前統稱HID燈。在完全密閉的微 型石英燈管，如圖2-1，加入氙氣、少量的水銀蒸氣、金屬鹵化物。使用 氙氣最大的主因是因為演色性相當好，演色性的好壞影響到受照物的失 真與否，而且所產生的光譜最接近太陽光，如圖2-2，這種光亮的色溫與 太陽光相似，但含較多的綠色與藍色成份，因此呈現藍白色光。這種藍 白色光大幅提升了道路標誌和指示牌的亮度。另外一點是氙氣的電弧溫 度較高，有利於電離的發生，所以在氙氣放電時，可以獲得較多的自由 電子，點量瞬間就可達到大約80%的額定光輸出，大大的降低暫態所需 的時間。

加入了少許水銀蒸氣及金屬鹵化物是為了提升發光效率，這是因為 氙氣本身的發光效率低。自於加入的金屬鹵化物種類與比例則也會影響 光譜。

圖 2-1：HID 燈管架構圖[2]

圖2-2：光源光譜（資料來源：[3]）

基本上它的發光原理也是由電磁波輻射出可見光，而人的眼睛可看 見的波長範圍大約在 380nm 到 780nm 之間，在這區間內的各種波長，

都可憑眼睛的顏色感覺來加以區別。

2.3 啟動電壓

一般的HID燈所需要的啟動電壓大約幾KV，但是氙氣是屬於惰性氣 體，在一般常溫下是屬於絕緣氣體。惟有提供高壓形成電離狀態下，產 生正負離子才會導通。但是不論在冷啟動或熱啟動下皆需要很高的電 壓，大約需至少要15KV，甚至在熱啟動時因為原子濃度及原子能階遠 比冷啟動時高，所需的點火電壓更高，至少需要23KV。啟動電壓可說 是整個電路的第一步驟，要使能啟動電子安定器最好能在空載下提供 23KV以上的電壓，才足以供應冷、熱啟動所需要的電壓。

2.4 電氣特性

當HID燈施加高壓後開始崩潰，會先產生負電阻特性，直到電壓下 降至最低點，電阻會隨電壓開始上升。一直到穩態才會呈現固定阻抗，

在暫態時並非是線性阻抗。HID燈從啟動暫態至穩態操作的過程如圖2-3 所示，大致上可分為四個階段，分別為電壓崩潰、輝光放電、輝光轉弧 光與弧光放電等階段。圖2-4，為阻抗變化圖。

1.電壓崩潰：燈管電壓尚未達到崩潰時，可視為開路；當電極兩端 的電壓大於HID燈的崩潰電壓時，將使HID燈管電壓崩潰，此時燈 管電壓迅速下降，但燈管電壓仍大於額定工作電壓，燈管內開始有 放不規則電流產生而產生輝光。

2.輝光放電：進入輝光放電後燈管電壓快速下降至20～40V，而瞬 間HID燈管電流快速上升，燈管端如同短路，此時電阻大約幾十歐 姆。隨即進入輝光轉弧光階段。

3.輝光轉弧光：此階段可分為預熱(Warm-up stage)與爬升階段 (Run-up stage)。此階段是燈管主要的溫度預熱階段，此時燈管電壓 小於額定工作電壓，燈管電流大於額定工作電流，隨著燈管工作溫 度的上升，燈管電壓將逐漸增加，而燈管電流卻逐漸減少，相對的 等效電阻慢慢變大，稱為爬升階段，燈管電壓與電流將會慢慢進入 穩定，如圖2-3。

4.弧光放電：燈管變化到此階段時，燈管電壓、電流及等效電阻不 再變化，燈管電極間的弧光穩定，可以確定燈管已經進入穩態。

圖2-3：HID 燈啟動暫態至穩態燈管電壓電流變化過程（資料來源：[5]）

圖2-4：燈管之暫態到穩態的阻抗曲線（資料來源：[4]）

2.5 音頻共振

提到交流HID燈，就必須注意音頻共振（Acoustic Resonance）的問 題，這是因為一個固定週期性的功率提供到燈管時，而此時燈管的操作 頻率剛好與此頻率相等或是接近時，導致管內氣體壓力波與管壁反射回 來的壓力波同相位時，產生共振現象，造成更大的振幅。至於共振頻率 會因燈管的幾何形狀、填充氣體、壓力、溫度和氣體密度等參數的影響 而產生；而電路所產生的諧波也有可能會是共振的原因。如果因為上列 各種原因產生音頻共振，都將會影響燈管工作電壓、電流，使得弧光輸 出不穩定；嚴重的話也可能會使得管壁無法承受氣體得震盪，發生破裂 的情況。OSRAM D2S 35W 氙氣HID燈，音頻共振範圍為數大約從 10kHz~1MHz，如圖2-5。不過雖然這只能提供參考，可以大約的找出音 頻共振所會發生的頻率，但是由於燈管得規格不同、長時間使用造成燈 管老化，等不定因素的存在，使得我們所預測的音頻共振範圍發生改

變，這樣將會使燈管不穩定。惟有遠遠避開音頻共振的範圍才能確保以 上問題不會發生。

圖2-5：OSRAM 35W 氙氣 HID 燈音頻共振頻率分佈圖（資料來源：[6]）

目前這個問題已經有幾個解決方案[10][21][22][23]，來避免音頻共 振。例如：低頻操作；定頻操作；超高頻操作；頻率調諧；頻率穿梭；

方波電流輸出。目前大都以低頻結合方波電流來驅動。雖然需要在外加 一級電路產生方波，但所得到的好處是遠遠避開了音頻共振的範圍，而 且使得在每ㄧ週期中，沒有瞬時的功率變化，不會激發音頻共振，如圖 2-6。

2.6 氙氣 HID 燈發展與構造

目前HID 的發展已趨於成熟，不論在燈泡或是電子安定器上都有很 大的進步。其實OSRAM 公司所提供的氙氣燈 HID 有很多種類，但是不 論D1、D2 光源、D1S、D2S 及 D1R、D2R 彼此之間的差別只是在於燈 泡及燈座上的不同；基本的發光原理及電氣特性還是大同小異。本論文 主要是以OSRAM D2S 35W 的氙氣 HID 燈為對象，而它的架構如圖 2-7 及所提供的參數如表2-1 所示：

圖2-7：OSRAM D2S 35W 氙氣 HID 燈結構圖（資料來源：[11]）

表2-1：OSRAM D2S 35W 氙氣 HID 燈參數（資料來源：[11]）

第3章 電子安定器之基本電路架構

本章節主要說明HID 燈的發光原理、啟動所需的高壓、電氣特性所 表現出的狀態變化及音頻共振的問題，所要設計的驅動電子安定器就必 須符合這些參數。不論是HID 燈本身條件，或是一些限制條件都必須準 確考慮進去。

3.1 電子安定器架構

一般而言目前市場上的車用電子安定器的的架構大致上相同，大致 上可分為四個部分，其中包括：升壓電路、換流器電路、高壓點燈電路、

控制電路及保護電路，如圖 3-1。這四大部分都相當重要，搭配的好壞 都會影響到電子安定器的操作。

High voltage ignitor

DC to DC converter

DC to AC inverter

Xenon HID Lamp 9V～16V

DC SOURCE Battery

Control and protective circuit

圖 3-1：車用電子安定器架構圖

3.2 升壓電路

因為車用的電力來源是12V電瓶，並不能提供足夠的電壓來供給 HID燈。升壓電路的設計就要包含兩個目的，第一個目的是輔助暫態時 所需要的電壓，300V～600V；第二個目的是要提供穩態時燈管穩定的 電壓，大約85V。目前國內大部分的研究學者所發表的文章大都採用返 馳式轉換器[5][6][7][8]，本實驗電子安定器也選擇返馳式轉換器作為升 壓電路，如圖3-2，它是由昇/降壓轉換器（Buck-Boost Converter），變 化而來的；如圖 3-3。

BATTERY Vin

T1

Q1

D1

C1 RL

Vo

圖 3-2：返馳式轉換器

BATTERY Vin

Q1

D1

C1 RL

L1 Vo

圖 3-3：升/降壓轉換器

3.2.1 返馳式轉換器的原理

電路操作原理如下說明，當電晶體Q1導通時，變壓器的一次側繞組 漸漸的會有一次側電流流過，同時將能量儲存於其中，由於返馳式變壓 器的輸入與輸出繞組，其極性是相反，因此二極體將被逆向偏壓，此時 沒有能量轉移至負載，如圖3-4所以在Q1導通時是做儲能動作，此時一 次測電感的磁通量由起始值φ(0)，線性上升：

Φ

( )

( )

t V

p

in （3.1）

磁通在ton結束時達到峰值：

( ) ( )

p in

on t

N t =Φ + V Φ

=

Φ 0 （3.2）

當電晶體Q1截止時，由於磁場的消失，導致繞組的極性反向，此時二極 體D1會被導通，輸出電容器C1會被充電，負載R_L上有I_L電流流通。且二 次側線圈跨壓，因此磁鐵心磁通V_P=-V_O在t_off時線性下降：

Φ

( )

(

)

s

o t t

N

t V （3.3）

將（3.2）式代入（3.3）式可得

( ) ( ) ( )

(

in on

s s

o T t

Ns t Vo N t V

N T

Ts =Φ−V − =Φ + − −

Φ 0

)

在穩態後，磁鐵心一週期內磁通變化量淨值為0，所以

^{Φ Ts}

( )

( )

由（3.4）式及（3.5）式可得

D D Ns Np Vin

Vo

= −

1 （3.6）

s on T t

D= 是指導通週期（資料來源：[9]）。

圖3-4：返馳式轉換器波形（資料來源：[9]）

返馳式轉換器所具有的優點就是電路簡單、元件成本低、又可達到 多重輸出的目的、同時又具有電氣隔離的效果，相當適合於升高壓的電 路。此種隔離元件的動作就像是變壓器與扼流圈（Chuck），因此在返 馳式轉換器的輸出部分就不需要額外的電感元件了，但是有時在實際應 用電路上，會在二次側整流器與輸出電容器之間加裝上小型的電感，可 以抑制高頻的突波雜訊。

3.2.2 返馳式轉換器的操作模式

返馳式轉換器有三種操作模式選擇，當變壓器器氣隙中儲存的能量 沒有完全轉移，而在功率晶體下一次導通期間，還會有能量儲存在變壓 器的氣隙中，所以此時返馳式轉換器操作在連續導通模式（Continuous Conduction Mode），簡稱CCM，圖3-5（a）；相反的，若是變壓器氣隙 中的能量能完全轉移，在下一次導通之前已經沒有能量在氣隙中，此時

稱為不連續導通模式（Discontinuous Conduction Mode）簡稱DCM，圖 3-5（b）；另外一種模式結合CCM與DCM，稱為邊界模式（CCM/DCM Mode），圖3-5（c）。

圖3-5：(a) CCM mode (b) DCM mode (c) CCM/DCM mode（資料來源：[6]）

3.3 換流器

電子安定器另一簡單但重要的電路就是換流器，它也能提供安定器 在暫態與穩態兩種目的。暫態時，將返馳式300V～600V 直流開路電壓 轉換為的交流電壓，提供高壓點火中倍壓電路的電源，來幫助產生高 壓。穩態時，因為氙氣HID 燈是交流燈，所以必須有一組 DC/AC 的換 流電路產生交流訊號來使燈管能穩定工作。下面將以圖3-6 來分析它的 在穩態時的工作模式。

Q2 Q3

Q4 Q5

RL

DC(+)

DC(-)

Io

圖3-6：全橋換流器

此電路的導通模式必須是Q2 與Q5 同時導通；Q3 與Q4 同時導通。而且 必須有一段死域時間（Dead Time），來避免Q2、Q3、Q4、Q5 同時導通。

當Q2、Q5 導通而Q3、Q4 截止時，電流流向順序是Q2→氙氣燈（V_O＝ Vdc）→Q5→地；當Q3、Q4 導通而Q2、Q5 截止時，電流流向順序為Q3→

氙氣燈（VO＝-Vdc）→Q4→地。因此在燈管兩端就可以產生交流訊號，

之後只要控制Q2、Q3、Q4、Q5 的開關頻率在低頻下，就可以產生低頻 方波。

3.4 高壓電路

因為氙氣HID 燈的崩潰電壓相當高，大約 15～23 KV，光靠返馳式 開路電壓300V～600V 是不夠的，必須額外在加上一組點燈電路來產生 高壓。目前發表的論文或是文章中有提到兩種：一種是串聯架構，如圖 3-7，二次側線圈與燈管串聯；另外一種是並聯架構，如圖 3-8，二次側 線圈與燈管並聯。

T2

Xenon Lamp DC SOURSE

高壓二次側

低壓一次側

Ignitor

圖3-7：點燈串聯結構[10][5]

T2

Xenon Lamp

DC SOURSE 高壓二次側 低壓一次側

Ignitor

而本篇論文所設計的單極倍壓點燈電路衍生自串聯架構，目前有另 外一種也是衍生串聯架構的兩極高壓點燈器[12]，兩者最大差別是在於 進入點燈電路的電壓源形式不同，兩極升壓點燈電路電壓源取自返馳式 開路電壓，所以是直流；單級倍壓點燈電壓源來自於全橋換流器產生的 交流方波，如圖3-9。

D1

D2

T2

Xenon Lamp

C2 Full

Bridge

Output

C1 ^S.G.

圖3-9：單級倍壓點火電路的架構[13][14]

其中使用倍壓電路，圖3-10 所示。可以取代兩級升壓電路中第一級的變 壓器，可以減少變壓器的使用。

D1

D2 C2 C1

RL

Vs

圖3-10：倍壓電路基本架構圖

動作原理為，當正半週期方波產生時，D1 導通，D2 截止，電壓經有D1 對C1 充電，V_C1=V_S，當負半週期方波產生時，對電容C2 充電，V_C2=V_S； V_C1加V_C2再R_L產生2V_S電壓，再使火花間隙（Spark Gap；簡稱S.G.）做 穩態時候的電壓阻隔，很像並聯式架構中的二極體，阻擋高壓回灌回 來，作為保護的功能。

第4章 電子安定器之實現

本章節將明白地介紹如何採用市面上的 IC 實際設計 HID 燈的驅動 電子安定器。升壓電路將使用 UCC2305 作返馳式轉換器，全僑換流器 則使用UBA2030T，高壓點燈器就以倍壓電路加上用磁棒所作成的變壓 器組成。利用這三種線路就可成功的實現HID 燈的電子安定器。

4.1 電子安定器設計

圖 4-1 為電子安定器的開迴路電路圖。設計電路首先必須架構整個 開迴路電路圖所需要參數，然後再設定控制及回授的部分。在返馳式轉 換器的部份 Q1 操作頻率設定在 100K，開路電壓設定在 300V。而全橋 換流器的Q2、Q3、Q4 及 Q5 頻率設定在 133Hz 的低頻；這樣可以避開 音頻共振的問題。高壓點燈器空載下可以產生46KV 的高壓；來擊穿崩 潰電壓15～24 KV 的 OSRAM D2S 35W 氙氣 HID 燈。

VCC F

T1

Q1

R

R22 C

D

C

R24 R23

C19 + C

R

Q2 C20

C21 Q3

Q4

Q5 C23

C24

R + C

C?

1uF

C?

1uF D?

DIODE

D?

DIODE R?

R?

T?TRANS1

600V S.G.

white line1

white line2 black line

C?

DS?LAMP NEON

300V～600V 12V

Text

FLYBACK

FULL BRIDGE INVERTER OSRAM D2S 35W 擊穿電壓 24000V

Fs=100K Hz

圖 4-1：電子安定器的開迴路電路圖

有了這些參數，就可以尋找適合的 IC，來搭配我們的電路。在返馳 式轉換器部份市面上可使用的IC 有 UC384x[8]或 UC3802，但是需要再 加上控制及保護線路的外圍電路。市面上也有一些專用IC，例如：BCD chip[15]；UCC2305/3305[16]系列。而論文中所選用 UCC2305 [17]這款 IC 是幾乎包含所有電路，只要了解各個腳位的功能就可以。而目前 DC/AC inverter 就蠻多的，而專門用在 HID 上面的有兩種：一款是日本 三肯公司所生產的SLA2403M[18]，這一款 IC 是包含 4 顆全橋 MOSFET 在內部，再由外面輸入低頻方波頻率，就可以產生方波訊號。目前這一 款 IC 雖然可以簡化元件使用及電路複雜，但由於單價較高並未獲得廣

圖 4-2：SLA2403M 在 HID 燈電子安定器的架構圖（資料來源：[19]）

另一款是由 Philips 所生產 UBA203X(T)系列。本電路使用型號為 UBA2030T 這款 IC 包含全橋所有控制部份，包括 dead time、方波頻率 產生及保護電路，如圖4-3。

圖4-3：UBA2030T 在 HID 燈電子安定器的架構圖（資料來源：[20]）

以上提到的這兩款IC，都可以承受將近 600V 的電壓，但是有ㄧ點 不同的是SLA2403M 還需要外部提供 VCC 電源，而 UBA2030T 則利用 高壓電壓來產生內部電源，所以不需要在外加一組電源；相對的增加電 路的簡單性。

利用上面兩款 IC 就可以來組成電子安定器，再加上一組暫態所需 要的高壓點火電路。就能提供暫態時給高壓點火器及HID 燈能量，及穩 態HID 燈所需要的能量。圖 4-4 為整個電子安定器的電路圖。

VCC BATTERY F1 FUSE

T1

TRANS1

Q1 IRF540

R30.01

R22 0.75 R1

4.7K

C3 1000pF

D1 HFA15TB60

C36

44uF/400V R24

10K R23 1.2M

C19 0.1uF

R10 11K

R12 15K

R14 1K C7 0.047uF

C6 1000pF C5

0.01uF R2 1K

R8 3.3K

C4 1000pF

C12 1uF

C13 1uF

C14 150pF

C15 560nF

C16 47uF C11

10uF C10 1uF R16 1K D3 1N6819 L2 820uH

R18 100K

R19260K R20 27K

R21 27K C9

10uF R7 180 1/2W

R15 100k C8 10uF

R6270K

R9 5.1K + C2

1uF/35V R5

18RO/3W

R17 10K

R25

R26 Q2

MOSFET N

D4 DIODE

C2068nF/630V

C2168nF/630V Q3

MOSFET N

Q4

MOSFET N

Q5

MOSFET N

D6 DIODE1

C2368nF/630V

C2468nF/630V D11 DIODE1

D7 DIODE1

GLR 1

PGND2

3 GLL FSR 15 10 FSL

SHR 13 GHR 14 DTC 22 EXO 20

BE 7

SD 21

12 SHL 11 GHL 18 HV 8 BER 5 RC 23 VDD

SGND24

UBA2030T_IC

UBA2030T_IC

MMBT3904

D9 DIODE1 D8

DIODE C25

220nF/100V

C26 220nF/100V

C28 30nF/100V R29 4703

R28 1K R27 1K

R33 3903 R34

1003 C29

250pF C30

68nF R35 270K C31 10nF

C27 150pF

R32 3903 R31 3903

R30 3903 R40.01

1.5KR11 R13

1.1K

Q7

2N3904 Q8

2N3904 + C1 100uF/25V

D2

1N5235

VBOOST 18

PUMPOUT17 WARM-UPC3 SLOPEC2 ISET10 OSC21 FLTC12 GND20 BYPASS1 ADJ8 WARM-UPV6

ISENSEIN23

BAT24 PWMOUT19 LOADSENSE5 LOADPOWER7 FB27 COMP26 VSENSE11

NOTON 14 DIVPAUSE 22 QOUT-1QOUT 915 16 VCC

UCC3305

C?

450V/1uF

C?

450V/1uF D?

DIODE

D?

DIODE R?

103

R?

105 T2 TRANS1

600V

S.G.

white line2

C?

474K/630V DS?

LAMP NEON

Flyback converter Full bridge invereter

High voltage ignitorr and lamp

4.2 升壓電路實現

在返馳式轉換器將使用 UCC2305，而 UCC2305 是首款的 HID 燈專 用 IC，有完善的啟動、控制及保護的功能。UCC2305 可以利用範圍很 廣包括︰升壓、降壓、順向式或返馳式；驅動半橋或全橋轉換器。

UCC2305 許多參數可調，可以適用於各種 HID，其主要特性如下：

a.採用固定頻率電流型 PWM b.參數可調：

I. 輸出恆定功率 II.啟動/預熱電流可調 III.啟動電壓可調 c.保護電路：

I.過電壓、過電流、短路及開路 II.故障保護

d.可以驅動直流、交流 HID 燈

UCC3305 採用 28 腳 SOIC 封裝，內部架構如圖 4-5 所示。雖然該 IC 是 TI（UNITRODE）公司在 90 年代中期推出的產品，但當時只給用 戶提供了簡單的應用拓撲，而真正的應用，是近兩年發生的事情[16][17]。

圖4-5：UCC2305 內部架構圖（資料來源：[16]）

4.2.1 啟動電源

UCC2305 的使用必需提供兩組電源，一組供電來自於 6.8V的齊納 二極體D8，它可以防止供電過電壓及有可能出現的反向供電，6.8V電壓 連接到VCC腳（pin16），但UCC2305 另一組電源須來自於連接到BOOST 腳（pin18）大約於 10V的電壓；是藉由PUMPOUT腳（pin17）輸出頻率 為振盪器頻率1/2 的方波，振幅在VCC與地之間。交流方波脈波驅動Q7、

Q8 開關，透過L2 和二極體 1N5819 升壓至 10V，在BOOST腳（pin18）

就可得到 10V供電，滿足包括MOSFET驅動等在內的其它所有功能 [16][17]。

4.2.2 振盪器

UCC2305 的PWM振盪器由ISET腳（pin10）接地電阻和OSC腳

（pin21）接地電容來決定振盪頻率。例如： f_osc=100kHz時，R18 應為 100kΩ、C14 應為 200pF，（4.1）式為設定方程式。

KHz

pF K

C fosc R

OSC ISET

200 100 100

2

2 =

×

= Ω

= × （4.1）

UCC2305 中所有電路均工作在 R18 所設置的偏壓電流下，最佳工作狀 態時接地電組應取在75～150KΩ 之間[16][17]。

4.2.3 預測燈溫與補償

UCC2305 內部含有複雜的電路來預測燈溫、補償燈溫，當燈處於冷 態時，給燈較高的功率，當燈溫升高時減少功率到一般的水準。這樣可 以滿足像HID 燈開啟時必須就很快達到滿亮度的要求。這個功能是在開 燈時，透過感測連接於SLOPEC 腳（pin2）和 WARMUPC 腳（pin3）上 的電容C13 和 C12 上的充電電壓，預測燈溫，關燈時，這兩個電容以一 個可控制的速度放電，放電電流透過 UCC2305 內的電流源所設定。控 制這些電容放電的能量來自於連接到 BYPASS 腳（pin1）的一個電容 C16 存儲的能量。所需電容的值可以假定一個最大 5µA 的 BYPASS 電 流、60s 的放電時間以及 5V 最大可允許的下降電壓，由下面式子估算，

uF V

uA s dv I dt

C 60

5

5 ×60 =

=

= （4.2）

C13 及 C12 的選擇最好能夠與燈的“時間－溫度”關係相互匹配[16][17]。

4.2.4 控制模式

UCC2305 的固定頻率電流模式 PWM 類似於 TI 的 UC3842 和 UCC3802 電路，如圖 4-6，使用 Power regulating amp，LOADISENSE 腳（pin5）訊號直接送入該放大器，放大器放大了預期燈電流和實際燈 電壓之差，並在反饋誤差放大器 LPOWER 腳（pin7）產生一個大略地 比例於燈功率的輸出訊號。反饋誤差放大器驅動一個高速 PWM 比較 器，這個PWM 比較器將控制單元的輸入電流，即 ISENSE 腳（pin 23）

的訊號跟誤差放大器的輸出訊號比較，用這個訊號設置占空比；如圖4-7 所示。因此，將控制單元的輸出調節在恆定的功率，以使燈光的強度相 對恆定[16][17]。

圖4-7：功率調整圖（資料來源：[17]）

功率調整迴路的方程式可由I₁和I₂來決定

2

1 R

K K I V^REF − ^V × ^O

= （4.3）

1

2 R

I K K

I K^V × ^O + ^I × ^O

= （4.4）

KV及KI為電壓、電流的比例常數。當I₁ =I₂時，

1

2 R

I K K K R

K K

V_{REF V O V} × _O+ _I × _O

× =

− （4.5）

整理方程式可得I_O為

( )

I O V O

V

ERF K V K

R K R K V

I 1

2 1

0 ⎥×

⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ − × × − ×

= （4.6）

因為P_O =V_O×I_O

_⎥

⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ ⎟⎟

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ +

×

×

−

×

×

=

2 1 2

1 1

R K R

R K V R

K

P V _{REF V O}

I O

O （4.7）

其中R1＝5.1K、R2＝16K、KV＝0.0032、KI＝0.75、VREF＝2.5V、Vo=60V

～105V可得燈功率與燈電壓的圖形，如圖 4-8 所示[17]。

圖4-8：穩態燈功率與燈電壓（資料來源：[17]）

4.2.5 保護電路

ㄧ次側電壓保護是用 270KΩ 及 100KΩ 兩個電組作分壓器連接到 BAT 腳（pin24），電壓範圍在0V～5V 的電壓，對 IC 具有輸入電壓（9V

～16V）限制與負電壓的保護。二次側電壓保護是由 UCC2305 使用 1KΩ 及1.2MΩ 兩電組分壓來檢測 VOUTSENSE 腳（pin11）的電壓，分壓出 來的電壓值與內部 83mV 的低門檻電壓和 2V 的高門檻電壓進行比較，

如果電壓不在這個範圍，判斷燈還未點火、開路或者短路，IC 將用 250nA 的電流源輸入接在FLTC 腳和地之間的電容 C15 的電壓。如果錯誤的時 間足夠長，使 C15 的電壓超過 5V，IC 將判斷有問題性故障，然後從 BOOST 腳(pin18)移除電源，並關斷 IC。如果故障在 C15 到達 5V 之前 修正，電容即被50nA 放電電流放電直至 0V，而進入正常工作狀態。放 電時間比充電時間長 5 倍。正常工作的燈電壓大約在 60～110V 之間，

短路時則在10V，啟動時最高限制在 600V[16][17]。

過電流保護由 ADJ 腳（pin8）到地連接一個電阻來設置。從冷燈峰 值電流到熱燈峰值電流的額定值，透過ADJ 腳（pin8）的電壓控制。冷 燈的短路電流到熱燈的短路電流的值，也可以被這個電阻設置。圖 4-9 為控制方塊圖。

圖 4-9：限電流控制圖（資料來源：[17]）

在啟動瞬間，WARMUPC腳（pin3）尚未充電，限制器的輸出電壓為零，

因為如此A1 反相輸入端輸入電壓為零；而非反相輸入電壓由 20uA×R_ADJ 決定。如果R_ADJ=157KΩ，輸入電壓為 3.14V。A1 的輸出電壓為：

_{( ) ( )} ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

×⎛

⎟−

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ +

×

= _{+ −}

K V K

K V K

V_O

83 1 10

83

10 （4.8）

啟動時，V(^－)=0 代入，

_{( )} V

K K K

V K

V_O 1 3.5

83 13 10 . 3 83 1

10 ⎟=

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ +

×

⎟=

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ +

×

= ₊ （4.9）

Q1 射極電流感測電壓為：

V_S 0.35V 10

5 3 =.

= （4.10）

Q1 剛啟動峰值電流為：

I_p 17.5A 02

. 0

35 .

0 =

= （4.11）

當 WARMUPC 電容充電到 10V，電流門檻將逐漸減少。而限制器將會 限制A1 非反相輸入電壓為 5V，此時電流限制為：

V_O =3.5−0.6=2.9V （4.12）

I_p 14.5A 02

. 0

29 .

0 =

= （4.13）

輸出電流的限制是在剛啟動時，由 WARMUPC 腳未充電到 10V 後經過 一個限制器到WARMUPV 腳（pin6），WARMUPCV 上電壓為零。因此 兩個 27KΩ 電阻為並聯，等效電阻為 13.5KΩ。所以 FB 腳（pin27）上 電流為：

uA K

I V 185

5 . 13

5 . 2

1 =

= Ω （4.14）

在Load sense amplifier 上的輸出電壓為：

V_LS =185µA×16K +2.5V =5.46V （4.15）

流經Load sense amplifier 回授電阻的電流為

A

I_LS K 430µ 12

3 . 0 46 .

5 − =

= （4.16）

那Load sense amplifier 反相輸入端電壓也就是輸出感測電阻上的電壓為 V_CS =0.3+

(

)

所以流經負載電流為 A

K

I_L V 2.6 1

6 .

2 =

= Ω （4.18）

之後為隨著時間慢慢減少至450mA 而趨於穩定[17]。

4.3 換流器實現

UBA2030T 是一種高壓 IC，電路的設計只需使用少量的外部元件，

就可以驅動全橋的 MOSFET。UBA2030T 採用 24 腳 SOIC 封裝，如圖 4-10，自舉二極體、振盪器、高壓和低壓電平移相位。振盪器在輸出之 前會先透過一個除法器，可以保證50％的精確占空比。

圖 4-10：UBA2030T 內部架構圖（資料來源：[20]）

4.3.1 啟動電源

UBA2030T 啟動電源電壓由 HV 腳（pin18）來輸入，再經由自己內 部會產生低壓提供內部電壓VDD 腳（pin23）來使用，所以不需再附加 低壓電路來供電。VDD 腳要外加一個電容來做濾波。如果電路直接在 VDD 腳輸入低電壓來供電，此時在這種情況下，HV 腳就必須連到 VDD

腳或SGND 腳。

電源電壓開始逐漸上升時，此時 UBA2030T 進入了一個啟動的暫 態，高端的MOSFET 還是關閉，低端 MOSFET 的打開。在啟動狀態下，

電容充電（C30），全橋輸出電流是零。在這裡所謂的啟動狀態的定義是 在VDD 腳=13.5V 電壓值之前。在啟動狀態時，SD（pin21）功能無效。

4.3.2 振盪器

在 VDD 腳或 HV 腳上的供電電壓高到可釋放驅動功率的時候，橋 的輸出電壓倚賴於EXO 腳（pin 20）的控制信號。如 SD 腳（＜4.5V）

為低電位，除法器開始動作，全橋將開始工作，GLR 腳（pin1）和 GHL

（pin11）為高電位，GLL（pin3）和 GHR（pin14）為低電位。如果 SD 腳（＞4.5V）為高電位，除法器無效，全橋的位置將倚賴於 EXO 腳（pin 20）的狀態。如果 VDD 腳和 HV 腳上的電源電壓下降到 13.5V 電壓值 以下時，IC 將又進入啟動狀態。

只要振盪在 HV 腳上的電源電壓經過釋放功率驅動點時，橋在兩個 定義的狀態之間互換。

a.左上和右下 MOSFET 開；右上和左下 MOSFET 關 b.左上和右下 MOSFET 關；右上和左下 MOSFET 開 振盪方式由三個不同的模式下產生

a.內部振盪模式

在這種模式下，全橋頻率由外部電阻R35（R_osc）和電容C31（C_osc） 的數值決定，這時EXO腳必須連到BE腳（pin7），為了實現精確的

（pin 21）到SGND腳來實現。由於除法器的存在，全橋的操作頻率 是振盪頻率的一半，全橋的轉換在RC信號的下降時發生。為使電流 的損耗最小，BE腳、BER腳（pin8）和EXO腳一起連到SGND腳（pin 2）或VDD腳（pin23）。

b.內部除法器停止的外部振盪器模式

在外部振盪器的模式下，外部控制器連到 EXO 腳,RC 腳對 SGND 短路，讓內部振盪器停止工作。如果內部除法器停止（SD 腳連到 VDD 腳），全橋輸出信號的占空比由外部振盪器信號決定，全橋頻 率等於外部振盪器的頻率。

c.帶內部除法器的外部振盪器模式

外部振盪器的模式也適用於使用內部除法器，（RC 腳和 SD 腳連到 SGND 腳）。由於存在除法器，全橋頻率是外部振盪頻率的一半，

橋的轉換由EXO 腳對 BE 腳信號的下降緣來觸發。

全橋振盪頻率的設計方程是

osc osc bridge

C f R

×

= × 8 . 2

1 （4.20）

為了避開音頻共振的問題，需要取100Hz～400Hz的低頻範圍，所以本 實驗設定R_osc=270 KΩ；C_osc=10 ns，可以產生大約 133Hz的開關頻率。

4.3.3 Dead Time

Dead time是截止一對功率MOSFET和打開下一對功率MOSFET之 間的時間。Dead time由合適的電阻R_DT=470KΩ連接到DTC腳（pin 22）

來實現。

（4.21）

us t

t t R

dead

dead dead DT

2

70 270

470

70 270

=

⇒

−

×

=

−

×

=

R_DT單位為KΩ；t_dead單位為µs

在實際電路中一定要使用dead time，可以防止 MOSFET 發生短路的現 象。Dead time 是由一組半橋電壓的下降緣的延緩時間來決定的，由內 部電路將會檢測到斜線的存在，IC 有最小的 dead time（1µs）已在內部 固定了。

4.3.4 保護功能

如果 SD 腳連到了 SGND 腳，那麼就存在有除法器的功能。如果除 法器的功能存在，那麼在橋輸出狀態和EXO 腳之間就沒有直接的關聯。

只要 SD 腳上的電壓升到 4.5V，Shunt down 功能用於關閉所有的 MOSFET，shunt down 功能在其他狀態下無效。

4.4 高壓電路實現

因為氙氣 HID 燈的冷啟動電壓大約只需要 15KV，但是考慮到熱啟 動需要更高的電壓大約 24KV。其實這是為了方便控制，把空載電壓設 定在大於熱點燈時的電壓，此時就不需要考慮到是冷啟動還是熱啟動，

一旦達到冷啟動或是熱啟動的崩潰電壓，電壓立刻就會下降。所以不用 擔心電壓過高來擊穿HID 燈，造成燈泡的傷害。

利用倍壓電路來取代兩級升壓電路中第一級升壓部份，可以減少變

壓器數量使用，增加電路的簡單性。表 4-1 為單極高壓點火電路所需要 的元件參數。

元件名稱 元件參數 元件數量

電容器 450V/1µH 2

電容器 630V/0.47µH 1

二極體 1N4007 2

電阻 10KΩ/2W 1

電阻 1MΩ/2W 1

Spark Gap 火花放電電壓600V 1

變壓器 匝數比10:500 1

表 4-1：單極高壓點火電路所需要的元件參數

動作原理相當簡單，因為倍壓電路的電源端需要交流訊號，所以我 們取自全橋電路中直流脈動也就是方波訊號來當作倍壓電路的電源 端，但是由於考慮到ㄧ次測電容器耐壓值 630V，只倍壓到 600V。首先 將返馳式轉換器的電壓控制在大約 300V。經由全橋換流器轉換成 300V/133Hz 的低頻方波。利用倍壓電路產生大約 600V 的電壓，使崩潰 電壓600V 的 S.G.導通，注入 T2 一次側，此時二次側可以產生 15～24 KV 的高壓（有負載情況下），來達到燈泡燈崩潰電壓。此時電壓會先降後 生，但是都不超過110V，就算經過倍壓電路也不會使 S.G.擊穿而再一次 驅動點火電路，S.G.變成穩態時的保護裝置；此時將只有前兩極動作。

4.5 磁性元件的製作

在電子安定器中將利用到兩個變壓器，而它在整個電路中是相當關 鍵；所以設計的好壞將關係到整個電路的功能與穩定性。以下將實際設 計用於返馳式轉換器及高壓點火器中所利用到的變壓器做分析。

4.5.1 返馳式變壓器的設計

返馳式變壓器實際上可說是一個耦合電感，它要承擔著儲能、變 壓、傳遞能量等工作。下面對工作於不連續模式返馳式轉換器的變壓器 設計進行了總結[25][26]。

a.預先所需參數：

名稱 電路參數

輸入電壓Vin 9Ｖ～16V

穩態輸出電壓Vout_t 60V～110V 最大輸出電流Iout,max 2.6A

最大輸出功率Pout,max 45W

最大效能η 0.88

開關頻率fs 100K

開關MOSFET最大耐壓VDS 100V 最大開路電壓Vov,max 600V

電流密度 400c.m./A

表 4-2：返馳式變壓器參數

b.決定匝數比：

6 . 91 6 600

9 600 100

=

=

⇒

+

=

⇒

+

=

n

n n V V V_{DS in} ^o

（4-22）

c.計算最大導通週期：

65 . 0

6 1 . 6 9 110

1

max

max max

max max min

, max ,

=

⇒

× −

×

=

⇒

× −

×

=

D

D D

D n D V

V_{o in}

（4-23）

d.計算輸入功率：

P W

P_in ^out 50

88 . 0

max 45

, max

, = = =

η （4-24）

e.計算一次測電流峰值：

maxη min ,

, 2 max

1 _out

pp

Vin P D

I × × =

× （4-25）

V A I P

in D out

pp 17.5

65 . 0 9 88 . 0

45 2 2

min max

, max

, =

×

×

= ×

×

= × η ×

f.計算一次側電感值：

us H di

dt L V

dt L di V

p p

µ 34 . 5 3 . 17

5 . 6

9× =

× =

=

⇒

=

（4-26）

g.一次側最大平均電流值：

V A I P

in in avg

p 5.6

9 50

min .

max ,

, = = = （4-27）

. . 2240 400

6 .

, d 5 cm

I

A_pcm = _prms× = × = （4-28）