<h6>注：*为必填项。</h6> <h6>项目要求：</h6> <p>【报名阶段填写内容 ↓，<em>为必填项】</em> <em>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）。</em> <em>参数要求：</em> <em>输入：9 - 18V 。</em> <em>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）</em> <em>输入功率：50W。</em> <em>输出功率：45W。</em> <em>启动最大电流：＜ 6A</em> <em>效率：13.2V时 > 90%。</em> <em>输入防反接保护：有。</em> <em>输出开路保护：有。</em> <em>欠过压保护：有。</em> <em>次级短路：有。</em> <em>空载母线钳压：＜ 450V。</em> <em>点火高压脉冲：＜= 25KV。</em> <em>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。</em> <em>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。</em> 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）。</p> <p>【竞赛阶段填写内容 ↓，*为必填项】</p> <p>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： <em><img src="//image.lceda.cn/pullimage/5u71JU0d7l80RtnB2xgVlYJI8NGVzakY9LUdpzcq.png" alt="0.png"></em> 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。</p> <p>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: <img src="//image.lceda.cn/pullimage/4sGFWVLK7Jn672BjTkEgaaHR8RACHQq20RBdPKtQ.png" alt="1456.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。</p> <p>2: <img src="//image.lceda.cn/pullimage/c1rO62aEq9hlevO8Jbg2VlfPoOeVj0rcSTJdUrmL.png" alt="12345695.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。</p> <p>3: <img src="//image.lceda.cn/pullimage/cL3rEmg1Wlcsrc5cxcqM4XwUcZpvnCZulqi90moy.png" alt="12463.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： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/yGIMQJpz29Ikxqsk7LnmhmLoeShaMbwTxcTJUd2r.png" alt="QQ截图20190910131828.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）</p> <p>>（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。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/fYhm4abHtoLwkZrWDu3KMqMz8vrUR19w4fwAzjAV.png" alt="14687.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)</p> <p>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。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ar3vNQgdZP4m3FIzqIJJQLSUFGtjIPpo6YZduG1K.png" alt="18765.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。</p> <p>>（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） <img src="//image.lceda.cn/pullimage/cgwKh2PT9Hzzv9XeFPTwPVKezjoLCI9Zyk2WRooz.png" alt="19874.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）</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/7nLdboh1OhZcBngVc0mCGSCJQ5QsHelmPCtVnleR.png" alt="3487.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。</p> <p>（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 <em> 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 </em> 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。</p> <p>>（五）最难点：脉冲式高压包设计 。 原理图 <img src="https://image.lceda.cn/pullimage/NQHTztVk59ZkXMpmPknpp0fsFcuDlLdKftfnpX2u.png" alt="0.png"></p> <p>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；</p> <ol> <li>相同直径的镍锌磁棒，磁导率高的，高压较高，脉宽相同。</li> <li>相同磁导率的镍锌材质，直径越大的，高压较高，脉宽较大。</li> </ol> <p>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；</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/jnY6qDGH8WjfScycW203u0Jljfsb0NOYmjM5JvLK.png" alt="0.png"></p> <p>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。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ea7yVddUER7qE8dXbFvja27kzmhPnMKUMX2vn5wX.png" alt="qproBJnEzcWtlUuwhWB2UsouxxsIrw92RHvZEty1.png"> 高压包内阻测量： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/IY8Bo99Azvk4xlPk6GO6BF08wJgWB5XGUZGshlFv.jpeg" alt="IMG_20190910_180049.jpg"> 原理图： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/Bg6CVfyg7hrZ5ilzRM9lYvNLz7EGV58FBkZmbk6v.png" alt="gxDdv4Ax9rg8i110U672Hodzxkog3SGYf2wAn1ke.png"> PCB板子： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/0CJWkNZ3NArJZpXOs2NhzYcp5v3rR3MbS0hDbUxu.png" alt="4PyV4LlKAmkAW5zqSZKUAPQBA9mUn75LEeqAr2rM.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ufz11BrW8DjSipDE624SKZ5B6hL7hKxbvxRAIl1t.png" alt="sRgE1qfa24HSMc4sLx4hwVAcKZMAa1G5vzi3lm0o.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：</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/pUgWP9cCZIDUTb3lRUPtKAYgV29gaepxHv9G0LAt.png" alt="000.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/hw2l2zEwelVs49nA0ncHdl2wN0GK20s8FgqIAtsW.png" alt="image.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ceooFwIZir35ocvG90KM7vO9RCwgKpGBx1vCr8YD.png" alt="image.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/qm0MaQkizVi2e2a2D7rx5m1A9Wi33peKOwkXGSJJ.png" alt="image.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/dUR0rOojZCIpMHAbstTVCvSpBSAhPw1xq1XA6WzR.png" alt="image.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/vpvsT6TH6VFhfKMfFJHojkpSjVxUk0z1HI2yeT2f.png" alt="image.png"> 硬件： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/MNEDruLhuyWdoeTnRWvfboS4tFzPdqhnCCdwFfeL.png" alt="FjnjwI4c0dfV9ZC3BG1nTyg8rrW3lbY7Z35OujPz.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/AyKBHon0Ke0vb8RdwNHjbjp0gVO51PjK4WXV7H19.png" alt="DWVhjmUSJiz9UZimu4HHowuMQx8aWiaq6TvRkz9t.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ERYd7kPERQQypybt0HTtJvQlVbGrRDSMJs4FF3fm.png" alt="PNRb5VNg8tHucryuADssS7IuCt1Up4pu6Iv666xu.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/oze0A4MnmUIfRtbhHxrzojJYKhPm9IwlRO24t23v.png" alt="2Gw5U3JyTdSe6Xcihgi1laRJonnmz0JKwdTiVUI4.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 src="//image.lceda.cn/pullimage/UD8TYOh7yEyhWY97MfMFT7ljoBicsSkYwkBWqnaM.jpeg" alt="IMG_20190910_175103.jpg"> 波形测试： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/764K2uaGgn2G31INjlO50YG3mOHlR3BSKMXytf2h.jpeg" alt="IMG_20190910_174305.jpg"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/rcRCBLnwE3sLEl1jxu4r3S7AwPju2uR3cpxsslA5.jpeg" alt="IMG_20190910_174008.jpg"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/doJbtWlrN15hQvjlQcaDz53nU8UxWtFl5PaBDf2s.jpeg" alt="IMG_20190910_173819.jpg"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/kpoqlOTugkyOzmbIGwpAT57h4n0V7mCtezfknyHj.jpeg" alt="IMG_20190910_173721.jpg"> PCB图片： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/D2QOxUeZgxoG52KgCkqqmuV6HyVTPuT1AkfUCOsS.png" alt="QQ截图20190822093200.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/3sw6dj4nwOCeboq1agI2b5YtT83QFdHHECTt7mSL.png" alt="QQ截图20190822093214.png"> 实物图片： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/01EP3NTEC3NhFj5KtnQ0KvDwes1qZjhnCG9CWDAS.png" alt="40OiIq12ZvKRSdFBpDSA7LX6Ymavntbwzt7gRZKy.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/v4B1bya1RFqFj1GfCrGsVKKKlgrtQu1BJTYGdY8u.png" alt="EnZ1OApozwy6SNZtwUbHQ5cuAp10hnN7WHBs2mdt.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/2CxwGG5KQy5LxeUOqUydLVAu7j56bviYmjvE1bXU.png" alt="HsMNfMx0QXrNjacjP1Cy1SEsZW2CON4GWJJpcyTB.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/fte87DnBkw7jm6Tf1e5h76SGW7bTxltPFkSEzamq.png" alt="5s7KVDvwjjD9fqACWXlpFXdL4EnPBwaorsWtroRb.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/uB3mby1G9sHtaGrTCqg2HJcs8OMDNgGrEXdxifnR.png" alt="wfYtaZ4dC19wKFV1IDvnC3jRq5v50WFk6ITCtoMv.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/a0QyvuMRKE5w2pjVjqBvFxyR7tLANcOMqUvmmIMm.jpeg" alt="IMG_20190909_225616.jpg"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/OFj3N28YUs1Oii7y6l3H8MkMRLANhEjGqd31tfcY.jpeg" alt="IMG_20190909_225642.jpg"> 散热结构，板子 + 导热硅脂 + 导热硅胶片 + 导热铝板 + 螺丝固定 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/R5YKCO2jSg4AyUiD5cv6m6u1xHZufnpGS5F5u9DJ.png" alt="EUyiWr4fgg6YY5G8kuwjtG3DeVQeubptRFkWzGx3.png"> 尺寸大小：67 X 58 X 15  单位：mm 装车照片： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/P2htO5DbxIbM922tBYJJDhT3444GTsKKHMyueg2J.jpeg" alt="IMG_20190827_200653.jpg"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/hJpaGR6YOQhaoHSHlJJ4Byf2n17aAuT3Zqfl0Vop.jpeg" alt="IMG_20190827_200713.jpg"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/rkgxfxo7qKz0AjYWygc1tbhHLAThFXmHeRz4oPa6.jpeg" alt="IMG_20190827_200743.jpg"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/b0y1MHY6jo9X1vD9e2T9Qy81AYZc30vCAisH9pqn.jpeg" alt="IMG_20190827_200820.jpg"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/K1JRiJnRQkQ0WE9ZJ88DA3YDJHH8V6DSvwDYah5O.jpeg" alt="IMG_20190827_201803.jpg"></p> <p>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：<a href="https://v.youku.com/v_show/id_XNDM1NTQzOTUxNg==.html?spm=a2hzp.8244740.0.0" target="_blank">https://v.youku.com/v_show/id_XNDM1NTQzOTUxNg==.html?spm=a2hzp.8244740.0.0</a> 装车视频：<a href="https://v.youku.com/v_show/id_XNDM1NTM0OTU0OA==.html?spm=a2hzp.8244740.0.0" target="_blank">https://v.youku.com/v_show/id_XNDM1NTM0OTU0OA==.html?spm=a2hzp.8244740.0.0</a> 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<a href="https://www.baidu.com/link?url=Rjm8wZOVjcTjHTeyMvfiI5iDccWgG-58H7xbGtuDVbfLSekpr62U5pUjXiE4uT6KkkEW52ULISL-aCGN5YLWGVdYc1Huqb709ryJDVOjQWm&amp;wd=&amp;eqid=b0b13f1d0000c8f7000000045d7666c9" target="_blank">Protel <em>99SE</em></a>绘制</p>