基于78K0/Ix2系列MCU的智能照明平臺

本文主要介紹了世強電訊基于瑞薩(Renesas)電子為照明應用貼身打造的的高性能78K0/Ix2系列MCU開發(fā)的智能照明平臺解決方案，該方案在硬件、軟件方面滿足中高端照明產(chǎn)品智能化調(diào)光控制和組網(wǎng)的需求，具有高性能、低成本的優(yōu)勢。

　　一、 照明技術現(xiàn)狀

　　隨著照明工業(yè)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的照明控制方案，電源的設計、燈的驅(qū)動電路、安全保護、管理接口等各方面都變得愈加靈活。目前，照明技術主要包括主流的熒光燈、LED燈和HID技術等，其廣泛應用使電源驅(qū)動的拓撲結(jié)構(gòu)差異非常大，從常見的Flyback、Buck、Boost以及延伸出來的其他結(jié)構(gòu)都在被大量使用，產(chǎn)品設計是否采用先進的數(shù)字節(jié)能控制設計，是否支持flyback、Buck、Boost等靈活的拓撲結(jié)構(gòu)應用，研發(fā)周期和投放市場時間的長短將決定產(chǎn)品的成敗，然而傳統(tǒng)的照明方案往往是采用專用器件來實現(xiàn)的，難以滿足快速發(fā)展的需求。

　　因此，一個優(yōu)秀的照明平臺解決方案無疑需要支持靈活的拓撲結(jié)構(gòu)應用，并滿足DALI、DMX512、0-10V、無線、紅外等當今主流照明控制方案的調(diào)光、組網(wǎng)需求，針對這種狀況，世強電訊開發(fā)了以瑞薩(Renesas)電子78K0/Ix2系列MCU為核心的智能照明平臺解決方案，外加豐富的參考設計，在硬件電路和軟件開發(fā)為照明廠商多樣化的照明設計方案提供有效的指導，幫助廠商更高效地開發(fā)擁有自己知識產(chǎn)權(quán)的照明系統(tǒng)。

　　二、 78K0/Ix2系列MCU介紹

　　78K0/Ix2系列MCU是瑞薩(Renesas)電子面向照明應用領域精心設計的高性能8位MCU，如圖1，該系列MCU定位于用于滿足目前照明市場高分辨率調(diào)光控制、異常檢出保護、智能化節(jié)能控制等熱門需求，依靠單MCU實現(xiàn)低成本、高性能的綠色節(jié)能照明系統(tǒng)。

　　圖1-78K0/Ix2系列MCU設計理念

　　78K0/Ix2系列MCU內(nèi)置豐富的硬件資源，為靈活的照明電源驅(qū)動設計和調(diào)光控制提供了優(yōu)秀的硬件支持。具體表現(xiàn)在：

　　1.16 bit PWM計時器最大計數(shù)時鐘頻率40MHz，輸出和比較器連動，進行PFC 控 制，帶2路死區(qū)時間控制的PWM輸出，適合驅(qū)動半橋/全橋電路，實現(xiàn)變頻控制;

　　2.內(nèi)置運放、多路高速10bit A/D和比較器等模擬電路，簡化了外圍電路;

　　3. 定時器能觸發(fā)A/D采樣，捕捉合適的信號有用點;

　　4.比較器/外部中斷能實現(xiàn)硬件的禁止輸出功能，反應快速，保證安全;

　　5. 定時器遙控接口和UART功能，面向紅外和無線遙控的應用，有DALI總線接 口的通訊模塊，適用于智能照明控制;

　　6. 多個保護模塊：窗口型看門狗、時鐘監(jiān)控、低壓報警等，工作可靠。

　　三、 世強智能照明平臺方案

　　世強電訊開發(fā)的智能照明平臺解決方案主要基于78K0/Ix2系列MCU上述豐富的硬件功能資源為核心，定位于照明產(chǎn)品高性能、低成本的設計目標，在LED照明、熒光燈、HID照明等領域為客戶提供多種靈活的參考設計。

　　圖2是LED驅(qū)動控制應用的參考方案，在該方案中，只需利用比較器、PWM輸出連動功能，就能夠獨立進行3路恒流控制;通過改變內(nèi)部參考電壓或PWM輸出設置即可實現(xiàn)調(diào)光;并且MCU支持各種傳感器和DALI、DMX512、模擬量輸入等多種通信接口，可根據(jù)外部環(huán)境選擇合適的通訊控制方案，實現(xiàn)最佳控制。

　　圖2-78K0/Ix2 LED驅(qū)動控制

　　下面就Flyback電路舉例說明通過比較器進行恒流控制的過程。

　　圖3-Flyback電路恒流控制[!--empirenews.page--]

　　對于開關電源，PWM占空比決定輸出電壓，如圖3，電路開始工作后，LED電流經(jīng)采樣后加到MCU內(nèi)置比較器端口，和參考值進行比較，產(chǎn)生中斷信號，來調(diào)整PWM的占空比，其變化過程見圖4，如當電流大于參考值時，降低占空比;反之，提高占空比，最終達到一個負載電流動態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)。

　　對于調(diào)光，78K0/Ix2系列MCU有多種方式來實現(xiàn)，通過改變比較器參考電壓或者利用定時器TMH1和PWM輸出連動功能，另外，世強電訊的方案也可以利用該款MCU強大的數(shù)據(jù)處理運算能力，通過ADC功能和嵌入的算法控制來實現(xiàn)恒流控制，同時為MCU功能擴展提供了充足資源。

　　圖4-恒流控制原理

　　圖5是世強電訊嵌入DALI協(xié)議的智能照明平臺方案，該方案利用MCU內(nèi)置DALI總線接口的通訊模塊，利用單個MCU完成燈具調(diào)光、組網(wǎng)，實現(xiàn)高性能的DALI綠色節(jié)能照明系統(tǒng)，目前已經(jīng)作為國內(nèi)某大型照明廠商的參考設計。DALI從機系統(tǒng)主要分為通訊模塊和LED驅(qū)動控制模塊兩部分，外圍電路設計簡單。

　　圖5-DALI從機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[!--empirenews.page--]

　　采用BOOST電源拓撲結(jié)構(gòu)，輸入電壓經(jīng)過升壓后直接驅(qū)動LED燈;負載電流采樣，通過嵌入算法實現(xiàn)恒流控制; MCU內(nèi)置DALI通訊接口，通過總線和DALI 主機連接，實現(xiàn)和主機的相互通訊，完成上位機發(fā)出的操作控制指令;燈具溫度、光照度傳感器信號加到MCU端口，實現(xiàn)異常檢測保護。

　　四、總結(jié)

　　以上，世強電訊基于78K0/Ix2系列MCU的智能照明平臺解決方案具有以下特點：

　　1、高性能：MCU內(nèi)置ADC、比較器、數(shù)字運算放大器等豐富的硬件資源可以支持BUCK、BOOST、FLYBACK等多種靈活的電源驅(qū)動設計方案，嵌入DALI、DMX512等照明控制協(xié)議，即可實現(xiàn)照明燈具調(diào)光、組網(wǎng)的目的。同時，該方案還具有過壓、過流、過溫等異常檢出保護功能，產(chǎn)品安全性、可靠性更高;

　　2、低成本：由圖3、圖5可以看出世強電訊智能照明平臺方案電路設計簡便快捷，單MCU附加簡單的外圍電路即可實現(xiàn)智能化控制，目前眾多的ASIC設計方案，除了需要一顆MCU實現(xiàn)智能調(diào)光和通訊外，還需專用LED驅(qū)動芯片，在較大功率應用中，往往還需要外置的MOSFET，所以在成本方面與目前眾多的ASIC方案對比如下：

　　對比可見，世強智能照明平臺方案具有很高的性價比，采用該方案將使產(chǎn)品更具市場競爭力;

　　3、78K0/Ix2 MCU自身的豐富資源有利于照明產(chǎn)品功能的拓展和多樣化，滿足不同廠商多領域的應用需求，實現(xiàn)高效靈活的功率級應用。