基于MC9RS08KA2的高亮度LED應(yīng)用方案

  發(fā)光二級管（LED）技術(shù)面世已有大約半個世紀(jì)。發(fā)光二級管是一種能在電壓出現(xiàn)偏差時(shí)發(fā)光的半導(dǎo)體設(shè)備。由于具有低功率和低電壓運(yùn)行的特點(diǎn)，該技術(shù)很快應(yīng)用于各種電子設(shè)備的狀態(tài)指示。LED 技術(shù)的使用壽命通常非常長，一般可達(dá)10 年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于其它傳統(tǒng)照明技術(shù)（例如白熾燈管和熒光燈管）。這就使人們非常希望將LED 技術(shù)應(yīng)用到更廣泛的照明應(yīng)用中。
    最近面世的新技術(shù)使LED 能夠達(dá)到更高的功率水平。LED 能夠達(dá)到一瓦特的水平，有些甚至高達(dá)5 瓦特，每瓦特能發(fā)出18-44 流明（lumen）的光亮。這種LED設(shè)備稱為高亮LED（HB-LED）。由于效率方面的明顯改進(jìn)，HB-LED 正被迅速用于多種照明應(yīng)用。

      下面是這些應(yīng)用的一些例子：
      交通信號燈
     平面顯示設(shè)備的背景照明裝置
      閃光燈
     家庭照明

    HB-LED 具有非線性I-V 特征，非常類似于二極管，HB-LED 只能在直流電單向輸送到設(shè)備時(shí)才能點(diǎn)亮，一般稱之為正向電流IF 。通過HB-LED 的壓降則稱為正向電壓VF。要讓HB-LED 實(shí)現(xiàn)最高亮度，通過HB-LED 的正向電流必須保持恒定水平。在一般的1W HB-LED 而言，正向電流需保持在大約350mA 的水平，而相應(yīng)的正向電壓則大約為3.4V，HB-LED 便能達(dá)到其最大亮度。

    正向電流IF 和正向電壓VF 有著非常緊密的關(guān)系，VF 出現(xiàn)小的變化亦會引起IF 發(fā)生較大的改變。HB-LED 驅(qū)動的理想電源是恒定電源。實(shí)際上，恒定電流通常通過閉合回路電流控制直流-直流轉(zhuǎn)換器（DC-DC converter）來實(shí)現(xiàn)。市場上有很多基于獨(dú)立模擬組件、成本相對較低的DC-DC 轉(zhuǎn)換器解決方案。然而，基于微控制器（MCU）的解決方案可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來更大的靈活性。除了普通照明以外，這種控制器還能為最終應(yīng)用提供足夠的處理功能以支持額外的特性。因此它仍然具有較大的吸引力。

    基于MCU 的設(shè)計(jì)的部分優(yōu)點(diǎn)如下：
（1） 燈光亮度調(diào)節(jié)和閃爍可以通過MCU 軟件輕松實(shí)現(xiàn)，而無需向系統(tǒng)中增裝其它組件。
（2） 不同功率或不同品牌的HB-LED 具有不同的特征，MCU 可以通過軟件編程以滿足不同的驅(qū)動要求。在這種情況下，照明設(shè)備制造商可以減少庫存的類型，進(jìn)而簡化物流處理工作。
（3） 許多MCU 具有芯片閃存，可以用于應(yīng)用中的數(shù)據(jù)存儲。例如，在實(shí)施燈光亮度控制功能時(shí)，芯片閃存可用于保存亮度級別。每次打開燈光時(shí)可以自動恢復(fù)上一次的亮度級別。
（4） 除照明外，MCU 還可以處理幾種功能，如不同類型的連接標(biāo)準(zhǔn)（如Zigbee、RS232 和LIN 等）亦可以通過MCU 芯片模塊輕松實(shí)施。

    拓?fù)?/p>

    HB-LED 驅(qū)動需要恒定電源。它通常需要閉環(huán)控制。有時(shí)系統(tǒng)采用電池供電，電池電壓會隨時(shí)間而不斷下降。在電池電量全部用完之前，需要反饋控制回路來保持恒定的驅(qū)動電流。此外HB-LED 的正向電壓VF 會隨周圍環(huán)境溫度的變化而變化，因此需要閉環(huán)控制來補(bǔ)償VF 的變化，以便保持正向電流IF 以及HB-LED 亮度的穩(wěn)定。

    人們一般采用轉(zhuǎn)換模式調(diào)節(jié)方法而不是直線調(diào)節(jié)方法來驅(qū)動HB-LED。開關(guān)調(diào)節(jié)器有著更高的功能轉(zhuǎn)換效率及較適合用于數(shù)字設(shè)計(jì)上。

    假設(shè)電源電壓是高于所需的HB-LED 正向電壓，開關(guān)調(diào)節(jié)器會通過電源電壓斬波來進(jìn)行整流，控制斬波時(shí)的占空比可以控制輸出的平均電流。斬波機(jī)制的執(zhí)行很簡單，只需使用一個功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）充當(dāng)開關(guān)來斷開電源和用電設(shè)備之間的電流。MOSFET 由脈寬調(diào)制（PWM）輸出控制，其中的斬波頻率亦相等于PWM輸出的頻率。

    通常情況下，如果電源電壓和所需的負(fù)載電流都是恒定的，則不需要任何反饋控制環(huán)路（如圖1 所示）。開關(guān)調(diào)節(jié)器可以通過調(diào)節(jié)斬波頻率或其占空比來控制設(shè)備的平均電流。然而有些情況這種拓?fù)洳⒉贿m用。如所需設(shè)備電流比較大時(shí)，切斷電流會產(chǎn)生較大的電流尖峰，而這可能會影響系統(tǒng)的電磁干擾（EMI）性能。

圖1：直接斬波拓?fù)?/p>

    如果不要讓設(shè)備上的電流被切斷，則必須使用能源存儲設(shè)備來確保當(dāng)電源被切斷時(shí)，電流亦不會被立刻切斷。一個明智的選擇是在設(shè)備的電路路徑上添加電感。在PWM循環(huán)過程中，能量保存在電感中。電源被切斷時(shí)，保存的能源釋放出來，繼續(xù)為設(shè)備供電。這種拓?fù)浞Q為buck 變換器（buck converter）。圖2 是常見buck 變換器的示意圖。

圖2：Buck變換器拓?fù)?/p>

    Buck變換器

    Buck 變換器只能用于執(zhí)行降壓操作，就是當(dāng)電源電壓是高于所需要的設(shè)備電壓時(shí)。如圖2 所示，當(dāng)電源開關(guān)SW1 閉合時(shí)，輸入電壓VIN 連接到電感L 的輸入端。逆向偏壓二極管能確保設(shè)備電流在一個方向上傳輸。與此同時(shí)，電感中保存的能源不斷增加。當(dāng)電源開關(guān)斷開時(shí)，電感中保存的電能釋放出來，電流流經(jīng)二極管持續(xù)提供給設(shè)備。電感中存儲的電能逐漸減少，設(shè)備電流亦開始下降。Buck 變換器的主要電能存儲設(shè)備是電感。電感的設(shè)計(jì)必須確保有足夠的電能存儲空間，滿足電源關(guān)閉期間（SW1 打開）的設(shè)備電源要求。對于HB-LED 應(yīng)用，HB-LED 需在恒定電流下工作，buck 變換器亦被認(rèn)為只在連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)（continuous conduction mode ) 下運(yùn)行。

    感應(yīng)器電流有兩種狀態(tài)：通流狀態(tài)（SW1 閉合）和斷流狀態(tài)（SW1 打開）。處于通流狀態(tài)時(shí)，電感的電流開始直線上升，電流的最大變化可以使用下列公式計(jì)算：

    其中tON 是SW1 閉合的時(shí)間。VOUT 是設(shè)備RL上的電壓。同樣，處于斷流狀態(tài)時(shí)，電感電流在SW1 打開期間下降，電流的最大變化可以使用以下公式計(jì)算：

    其中tOFF 是SW1 打開的時(shí)間。VD 表示二極管上的電壓。假設(shè)tON 與tOFF 之和是開關(guān)時(shí)間的總長短T，那么tON 亦可以計(jì)算為：

    其中D 是閉合時(shí)間的占空比。在理想情況下，逆向二極管的壓降VD 為零，打開和關(guān)閉狀態(tài)之間的電感電流之和是恒定的。如公式（4）所示，我們可以很容易地推斷出來，buck 變換器的輸出電壓增益等于占空比D 而且永遠(yuǎn)小于1。

公式（1）和（2）定義了輸出負(fù)載上的最大紋波電流。如果定義了可接受的紋波電流IL、開關(guān)頻率SW1（1/T）、電源電壓VIN 和目標(biāo)輸出電壓VOUT，則可以通過公式（1）和（3）計(jì)算出所需的電感值。

    閉環(huán)控制

    使用 buck 變換器驅(qū)動HB-LED 時(shí)，系統(tǒng)必須能夠保持恒定的輸出電流。輸出電壓或輸出電流通過改變電源開關(guān)SW1 的占空比直接進(jìn)行控制。非常普遍的做法是采用低歐姆電阻（通常1Ω - 5Ω）作為電流感應(yīng)器來監(jiān)控HB-LED 的正向電流。該電阻將正向電流轉(zhuǎn)換成電壓，并與恒定參考電壓VREF 進(jìn)行比較。VREF 是預(yù)先定義的，而對應(yīng)于所需的目標(biāo)負(fù)載電流。如果電流感應(yīng)器電壓高于參考電壓，則表示負(fù)載電流高于目標(biāo)電流。反饋環(huán)路會減少占空比D 來驅(qū)動電源開關(guān)。相反，如果電流感應(yīng)器電壓低于參考電壓，占空比D 則會增加。圖3 為閉環(huán)控制buck 變換器的示意圖。

圖3：閉環(huán)控制buck變換器

    在某些情況下，電源電壓VIN 并不穩(wěn)定，比如在利用電池為系統(tǒng)供電時(shí)。無論采用什么電源，要讓輸出電流保持一個恒定水平，就必須使用獨(dú)立于電源電壓的一個參考電壓VREF。在所有備有模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）或模擬比較器（ACMP）的飛思卡爾S08 和RS08 MCU 芯片系列，內(nèi)部都帶有隙電壓參考。該參考電壓獨(dú)立于MCU 的電源電壓VDD，通過MCU 中的專用控制寄存器啟動。

    MC9RS08KA2 系統(tǒng)

    對于普通的 HB-LED 應(yīng)用，MCU 控制系統(tǒng)的反饋回路。它測量HB-LED 正向電流并調(diào)節(jié)電源開關(guān)的占空比，將HB-LED 亮度保持在目標(biāo)水平。因此，MCU 必須至少具有PWM驅(qū)動功能。通常情況下，30KHz -100KHz 的PWM輸出頻率就足夠了。此外，MCU 應(yīng)當(dāng)能夠執(zhí)行電壓測量，這是閉環(huán)控制系統(tǒng)必需的。

    許多飛思卡爾MCU 都能用于HB-LED 照明應(yīng)用。對于一般的HB-LED 應(yīng)用，可以使用MC68HC908Qxx 系列。它支持8 針腳封裝，并帶有專用的PWM 模塊和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）模塊。對于成本敏感型應(yīng)用，可以使用MC9RS08KA2。它也支持8 針腳封裝，不帶芯片ADC，但包括模擬比較器 (ACMP)，這對HB-LED 應(yīng)用來說也已經(jīng)足夠了。

    圖4 是基于MC9RS08KA2 的簡單buck 變換器系統(tǒng)示意圖。在很多情況下，應(yīng)用電源電壓VIN 與MCU 的電源電壓（VDD）不同。有時(shí)需要使用特定的電壓調(diào)節(jié)器（可以是一個簡單的接地齊納二極管）將VIN 降低到MCU 操作范圍VDD。此外還需要電平轉(zhuǎn)換器，使MCU 能夠撥動電壓高于MCU VDD 的高端開關(guān)SW1。

圖4：基于MC9RS08KA2 的buck變換器系統(tǒng)

    HB-LED 的正向電流是通過電阻器RSENSE 測量的。KA2 收集電壓測量VSENSE 值，并與簡易電位計(jì)創(chuàng)建的固定參考電壓VREF 進(jìn)行比較。如果VSENSE 高于VREF，表示HB-LED 正向電流高于目標(biāo)值。這時(shí)KA2 會逐漸降低驅(qū)動SW1 的占空比，直到VSENSE 降低到參考值以下。相反，當(dāng)VSENSE 低于VREF 時(shí)，占空比會逐漸增加，直到VSENSE 增加到VREF 以上。

    亮度控制

    HB-LED 驅(qū)動電流由參考電壓VREF 定義。如圖4 所示，VREF 由一個簡易電位計(jì)定義。VREF 的變化是通過改變電位計(jì)電壓進(jìn)行的。圖4 顯示了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的簡易方法。KA2 的一個通用輸入輸出端（如PTA5）將一個附加電阻器R3 連接到電位計(jì)上。當(dāng)選擇PTA5 作為輸入端時(shí)，它便成為高阻抗，R3 漂浮不定，電位計(jì)輸出只由R1 和R2 定義。如果需要更低的參考電壓，PTA5 就變?yōu)榈臀惠敵?，通過R3的附加電流會降低參考電壓。隨著VREF 的降低，HB-LED 正向電流會相應(yīng)地調(diào)節(jié)而改變亮度水平。利用相同的方法可定義出更多的參考點(diǎn)來輸入更多亮度水平。

    電源電壓的補(bǔ)償

    如果應(yīng)用只需一個亮度水平，就無需將電位計(jì)連接到 KA2 模擬比較器的端子上。KA2 比較器的正極端子已備有內(nèi)部帶隙電源，VSENSE 可以利用此電源電壓參考進(jìn)行比較。KA2 上有一個專用控制位可用于啟動此電壓參考。當(dāng)該參考啟動時(shí)，相應(yīng)的MCU 針腳變成通用輸入輸出端。帶隙電源電壓水平固定在1.24V 而不受MCU 電源電壓VDD 的影響。

    無論VIN 的變化是否反應(yīng)到MCU VDD 上，通過對比VSENSE 和固定參考點(diǎn)1.24V，MCU 可以調(diào)節(jié)PWM 的占空比，從相應(yīng)地補(bǔ)償VIN a 的變化，而令輸出電流保持一個恒定水平。

    軟件控制回路

    KA2 沒有專用的PWM模塊。在軟件設(shè)計(jì)的主循環(huán)中，可以監(jiān)控來自RSENSE 的反饋電壓，并產(chǎn)生PWM控制的波形作為SW1 的開關(guān)操作。PWM打開狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)的長短由芯片定時(shí)器溢出的時(shí)間確定。

    圖5 顯示了一般的軟件控制流程。重啟后，MCU 開始初始化程序。PWM打開時(shí)間初始化為它的最小值。主控制回路保存兩個變量：打開時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間變量。這兩個變量按相反方向調(diào)節(jié)，以便將整體時(shí)間長短保持在恒定水平。打開時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間一同確定可調(diào)節(jié)的占空比，該值和軟件開銷共同定義PWM周期的長短。

圖5：MC9RS08KA2 的軟件控制流程

    任何用以執(zhí)行其它功能（如亮度調(diào)節(jié)）的人機(jī)界面都可以添加到軟件的主控制循環(huán)上。添加的軟件編碼被視為軟件開銷，會影響整體PWM輸出周期的長短。PWM輸出周期長短應(yīng)保持恒定，由要控制循環(huán)中執(zhí)行的CPU 周期總數(shù)確定。所需的PWM頻率越高，主控制循環(huán)的編碼預(yù)算越低。例如，如果PWM頻率要求為50KHz，KA2 允許的最大總線頻率為10MHz，在這種情況下主控制循環(huán)必須保持
在200 個CPU 周期。該數(shù)字包括軟件開銷及SW1 打開時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間的總和（也就是可調(diào)節(jié)的占空比）。比如說，如果打開時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間總和為128 個CPU 周期，則200 個周期中的72 個就成了軟件開銷，該主循環(huán)的可控制占空比范圍則為72/200=36% 到100%。

    結(jié)語

    基于MCU 的解決方案可為應(yīng)用提供全面靈活性。目前，即使最低端的8 位MCU都具有足夠的CPU 帶寬，不僅能執(zhí)行DC-DC 操作，還可以在應(yīng)用中增加更多功能而幾乎不需要增加成本。MCU 的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全面的解決方案。飛思卡爾提供的MCU 亦支援各種通信標(biāo)準(zhǔn)，如射頻（RF）連接領(lǐng)域的Zigbee 、有線連接領(lǐng)域的LIN、CAN 和DMX512 等，這為LED 照明提供了巨大的應(yīng)用空間。