車載電子鎮(zhèn)流器故障診斷電路的設(shè)計與研究

王世明，王 強,孫曉佳，李 勁

（常州星宇車燈股份有限公司 電子部，江蘇 常州 213022）

車載電子鎮(zhèn)流器故障診斷電路的設(shè)計與研究

王世明，王 強,孫曉佳，李 勁

（常州星宇車燈股份有限公司 電子部，江蘇 常州 213022）

市場上的車載前照燈HID燈電子鎮(zhèn)流器一般無故障診斷功能，給維修和整車故障診斷帶來麻煩。針對這一現(xiàn)象，提出了一種具有較高的可靠性和實用性，且成本低廉的故障診斷電路設(shè)計方案。該方案軟件部分用來診斷故障的類型，即無故障，輸入過壓或欠壓，輸入過流，HID燈過流或過壓，硬件部分根據(jù)故障的類型給出不同的輸出直流電壓電平。經(jīng)PSPICE仿真分析和樣燈測試表明，其電平最大誤差控制在2.5%范圍內(nèi)，方便了維修和整車故障診斷。

HID燈；車載前照燈；電子鎮(zhèn)流器；故障診斷電路

相比傳統(tǒng)的車載前照燈白熾燈和55W鹵素燈，車載氙氣放電燈（High Discharge Lamp,HID）具有節(jié)能、高效率、廣視角、高亮度和長壽命的優(yōu)點[1]，雖然相比發(fā)光二極管（Light Emitting Diode,LED）燈響應(yīng)時間長、發(fā)光效率低，但在成本較高和包括熱管理技術(shù)在內(nèi)的車載LED前照燈技術(shù)還不是非常成熟等背景下，未來幾年內(nèi)中高端車的車載前照燈仍將主要采用HID鎮(zhèn)流器燈[2-3]。隨著汽車電子技術(shù)的飛速發(fā)展，作為整車關(guān)鍵部件的汽車HID鎮(zhèn)流器前照燈，其電子部件受供電電壓和應(yīng)用環(huán)境的影響，會發(fā)生輸入過壓（input overvoltage,簡稱input OV）、輸入欠壓 （input under-voltage, input UV）、輸入電感過流 (input inductor over-current,input inductor OC)、輸出過壓、輸出過流等故障，嚴重時會損壞或干擾整車電子系統(tǒng)的正常工作。

而汽車的安全要求非常高，其中聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會（ECE NO.99）汽車標準法規(guī)中規(guī)定了以HID燈作為光源的車燈在發(fā)生故障的情況下，若還能滿足相應(yīng)功能的配光要求，則可以繼續(xù)使用；若不能滿足配光要求，最好讓燈具給車身主控制單元一個報警信號，提示使用者及時更換零件以保證行車安全[4]。目前，市場上主流的HID燈電子鎮(zhèn)流器都不帶故障檢測功能，為了實現(xiàn)快速診斷，在鎮(zhèn)流器的電路設(shè)計中增加了低成本的故障診斷檢測電路。在出現(xiàn)故障時，故障口輸出相應(yīng)的電平電壓，檢測人員可根據(jù)出現(xiàn)的電平大小來判斷發(fā)生故障的類型，縮短了檢測時間，增強系統(tǒng)的可靠性和完整性[5]。

1 總體設(shè)計

該HID燈電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)邏輯框圖如圖1所示。該鎮(zhèn)流器系統(tǒng)主拓撲主要由輸入濾波電路、DC/DC轉(zhuǎn)換電路、DC/AC轉(zhuǎn)換電路、輸出濾波電路、高壓包和氙氣燈泡等組成，控制回路采用單片機來檢測電路中的輸入電壓、電感電流、HID燈電流、HID燈電壓等，若單片機檢測到某種類型的故障發(fā)生，則通過故障診斷電路給出相應(yīng)的診斷電平給整車進行故障判斷。其中，在對鎮(zhèn)流器的故障診斷過程中，通過輸入電壓檢測電路將檢測到的電壓送給單片機 (Micro Controller Unit，MCU)進行判斷是否發(fā)生輸入過壓和欠壓現(xiàn)象；通過電感電流檢測電路對DC-DC轉(zhuǎn)換器中的電感電流進行檢測后送給MCU判斷是否發(fā)生輸入過流現(xiàn)象；通過燈電流檢測電路對HID燈兩端的電壓檢測后送給MCU進行判斷是否發(fā)生HID燈過流或過壓現(xiàn)象；最后讓MCU根據(jù)發(fā)生的故障類型送出不同的信號給故障診斷電路，經(jīng)其處理后產(chǎn)生不同的信號電平送給整車的故障DEFECTION SIGNAL診斷口進行故障判斷。

2 故障診斷電路工作原理

圖2為車載HID燈鎮(zhèn)流器從上電伊始至穩(wěn)態(tài)過程故障診斷電路的工作流程圖。在HID燈點火后的整個過程，故障診斷電路不斷檢測電路是否發(fā)生輸入過壓、輸入欠壓、輸入電感過流、輸出過壓、輸出過流等故障，若檢測出故障信號，則通過故障診斷電路進行處理，輸出不同的故障電平進行判斷。

圖2 車載HID燈電子鎮(zhèn)流器故障診斷電路流程圖Fig.2 Flow diagram in fault diagnosis circuit of automobile HID lamp electronic Ballast

圖3所示電路是具體的對車載HID燈電子鎮(zhèn)流器的輸入過壓、輸入欠壓、輸入電感過流、輸出過壓、輸出過流等進行故障診斷的電路[6-7]。根據(jù)故障口DEFECTION SIGNAL輸出信號電平的大小進行故障判別,圖中MCU采用5 V電源供電。

當鎮(zhèn)流器未發(fā)生任何故障時，MCU的RB0/INT口輸出低電平，此低電平經(jīng)R1、C1濾波和R2、R3、R4電阻分壓后仍為低電平，使三極管Q1、Q2的基極-發(fā)射極電壓不足以使其導(dǎo)通，故三極管Q1、Q2均工作于截止區(qū)，故障口DEFECTION SIGNAL經(jīng)上拉電阻R7、R8上拉至5 V，經(jīng)進一步濾波和防靜電處理后輸出5 V高電平。

當鎮(zhèn)流器發(fā)生輸入過壓、輸入欠壓或輸入電感過流故障時，MCU的RB0/INT口輸出占空比為0.5、開關(guān)頻率為400 Hz的方波信號。此信號經(jīng)R1、C1濾波和R2、R3、R4電阻分壓后，分別由基極驅(qū)動電阻R5和R6驅(qū)動三極管Q1和Q2工作，使其均工作于放大區(qū)，故障口DEFECTION SIGNAL輸出電平經(jīng)進一步濾波和防靜電處理后輸出3.07 V電平。

當鎮(zhèn)流器發(fā)生輸出過壓或輸出過流故障時，MCU的RB0/INT口輸出5 V的高電平，此高電平經(jīng)R1、C1濾波和電阻分壓后使三極管Q1工作于飽和區(qū)，Q2工作于放大區(qū)，此時電阻R8接近于斷路，故障口DEFECTION SIGNAL輸出電平經(jīng)進一步濾波和防靜電處理后輸出0.40 V電壓。表1為故障發(fā)生前后MCU的RB0/INT口以及故障口DEFECTION SIGNAL輸出信號的電平大小。在發(fā)生故障前后，根據(jù)故障口DEFECTION SIGNAL輸出信號電平的大小，可及時判斷出發(fā)生故障的位置及類型，迅速查找故障原因并解決問題。

圖3 車載HID燈電子鎮(zhèn)流器故障診斷電路圖Fig.3 Fault diagnosis circuit graph of automobile HID lamp electronic Ballast

表1 車載HID燈電子鎮(zhèn)流器故障診斷結(jié)果Tab.1 The fault diagnosis result of automobile HID lam p electronic Ballast

3 仿真和實驗結(jié)果

圖4 未發(fā)生故障時輸出仿真和實驗波形Fig.4 Output simulation and experiment waveform in not a event of failure

圖5 輸入過壓、欠壓、電感過流時輸出仿真和實驗波形Fig.5 Output simulation and experiment waveform in input OV，UV and inductor OC

圖6 輸出仿真和實驗波形HID燈過流、過壓時輸出仿真和實驗波形Fig.6 Output simulation and experiment waveform in HID lamp OC or OV

圖7 車載HID燈電子鎮(zhèn)流器樣機Fig.7 The prototype of automatic HID lamp electronic ballast

在鎮(zhèn)流器未發(fā)現(xiàn)故障、發(fā)現(xiàn)輸入過壓、欠壓、輸入電感過流，發(fā)現(xiàn)輸出過壓、過流情況下的故障診斷口DEFECTION SIGNAL的仿真和實驗波形分別如圖4、圖5、圖6所示。經(jīng)仿真和圖7中研制的車載HID燈電子鎮(zhèn)流器樣機實驗對比可知，其電平誤差控制在2.5%范圍內(nèi)，取得了較好的實驗效果，可完全滿足車載鎮(zhèn)流器和整車故障診斷的需求。

4 結(jié)論

上述設(shè)計的故障診斷電路，在發(fā)生輸入過壓、輸入欠壓、輸入電感過流、輸出過壓、輸出過流等故障以及未發(fā)生故障時根據(jù)DEFECTION SIGNAL口輸出電平的大小能很好的判別故障的類型，其電平誤差控制在2.5%范圍內(nèi)，精度高，效果好，便于整車進行故障判別，大大節(jié)省了維修人員的時間，具有很好的實用價值。

[1]張汀，楊鑫祎，吳濤，等．汽車頭燈電子鎮(zhèn)流器的難點研究[J]．照明工程學報，2007，18（1）：52-55．ZHANG Ting,YANG Xin-wei,WU Tao.Brief analysis on automotive lamp electronic ballast[J].China Illuminating Engineering Journal,2007,18(1):52-55.

[2]張馳，呂文婷，徐沛娟．大功率LED汽車前大燈散熱裝置研究[J]．新技術(shù)新工藝，2012（2）：84-87．ZHANG Chi,LV Wen-ting,XU Pei-juan.Research on radiation-structure of high-power LED car headlights[J].New Technology&New Process,2012(2):84-87.

[3]張菡．汽車前照氙燈電子鎮(zhèn)流器研究與設(shè)計[D]．成都：西南交通大學，2008．

[4]歐洲經(jīng)濟委員會,No.99．ECE-R99號法規(guī)-2001關(guān)于在動力驅(qū)動車輛上的氣體放電燈光源[S].歐洲：歐洲經(jīng)濟委員會(ECE)汽車標準法規(guī)中文譯本,1998．

[5]路秋生．電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計與調(diào)光控制[M]．北京：科學出版社，2005.

[6]鈴木雅臣．晶體管電路設(shè)計（上）[M]．北京：科學出版社，2004：68-80．

[7]Christophe P.Basso．開關(guān)電源SPICE仿真與實用技術(shù)[M]．呂章德，譯．北京：電子工業(yè)出版社，2009．

Design and research of fault diagnosis circuit for automotive electronic ballast

WANG Shi-ming,WANG Qiang,SUN Xiao-jia,LI Jin
（Electronics Department,Xingyu Lighting CO.,LTD,Changzhou 213022,China）

Nowadays,the automobile high intensity discharge lamp electronic ballast in markets is no fault diagnosis function, which makes it difficult for serviceman to repair and the vehicle fault diagnosis.in view of this phenomenon,one kind of high reliability,practicability and low costly fault diagnosis of circuit design proposal are put forward.The software system in the scheme is used to diagnose fault type,which means without fault,input overvoltage or under-voltage,input inductance overcurrent,HID lamps over-current or over-voltage.The hardware system product distinguish DC voltage levels according to the types of faults.The PSPICE simulation and prototype test indicated that the diagnose error is less than 2.5%,and it’s improved obviously to repair and vehicle fault diagnosis.

HID lamp;automobile head lamp;electronic ballast;fault diagnosis circuit

TN702

A

1674－6236（2015）07-0122-04

2014-07-25 稿件編號：201407194

王世明(1987—)，男，江蘇鹽城人，碩士。研究方向：汽車電子、LED照明，開關(guān)電源技術(shù)。