《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于MC9RS08KA2的高亮度LED應(yīng)用設(shè)計(jì)思路
摘要: 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。
關(guān)鍵詞: MC9RS08KA2 高亮度LED LED照明
Abstract:
Key words :

  發(fā)光二級管(LED)技術(shù)面世已有大約半個(gè)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(huì)引起IF 發(fā)生較大的改變。HB-LED 驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(chǔ)。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(dòng)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。

  發(fā)光二級管(LED)技術(shù)面世已有大約半個(gè)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(huì)引起IF 發(fā)生較大的改變。HB-LED 驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(chǔ)。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(dòng)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)?/strong>

  HB-LED 驅(qū)動(dòng)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(huì)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(dòng)電流。此外HB-LED 的正向電壓VF 會(huì)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(dòng)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(huì)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(gè)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(huì)產(chǎn)生較大的電流尖峰,而這可能會(huì)影響系統(tǒng)的電磁干擾(EMI)性能。

直接斬波拓?fù)? height=

圖1:直接斬波拓?fù)?/em>

  如果不要讓設(shè)備上的電流被切斷,則必須使用能源存儲(chǔ)設(shè)備來確保當(dāng)電源被切斷時(shí),電流亦不會(huì)被立刻切斷。一個(gè)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?!?/p>

Buck變換器拓?fù)? height=

圖2:Buck變換器拓?fù)?/em>

  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(gè)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(dòng)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(huì)減少占空比D 來驅(qū)動(dòng)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(huì)增加。圖3 為閉環(huán)控制buck 變換器的示意圖。

閉環(huán)控制buck變換器

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(gè)恒定水平,就必須使用獨(dú)立于電源電壓的一個(gè)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(dòng)。

     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(dòng)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(gè)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(dòng)電壓高于MCU VDD 的高端開關(guān)SW1?!?/p>

基于MC9RS08KA2 的buck變換器系統(tǒng)

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(huì)逐漸降低驅(qū)動(dòng)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(huì)逐漸增加,直到VSENSE 增加到VREF 以上。

  亮度控制

  HB-LED 驅(qū)動(dòng)電流由參考電壓VREF 定義。如圖4 所示,VREF 由一個(gè)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(gè)通用輸入輸出端(如PTA5)將一個(gè)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)榈臀惠敵觯ㄟ^R3的附加電流會(huì)降低參考電壓。隨著VREF 的降低,HB-LED 正向電流會(huì)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(gè)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(gè)專用控制位可用于啟動(dòng)此電壓參考。當(dāng)該參考啟動(dòng)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(gè)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(gè)變量:打開時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間變量。這兩個(gè)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。

MC9RS08KA2 的軟件控制流程

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(huì)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(gè)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(gè)CPU 周期,則200 個(gè)周期中的72 個(gè)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。

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