基于MC9RS08KA2的高亮度LED應用方案

發(fā)光二級管（LED）技術(shù)面世已有大約半個(gè)世紀。發(fā)光二級管是一種能在電壓出現偏差時(shí)發(fā)光的半導體設備。由于具有低功率和低電壓運行的特點(diǎn)，該技術(shù)很快應用于各種電子設備的狀態(tài)指示。LED 技術(shù)的使用壽命通常非常長(cháng)，一般可達10 年，遠遠長(cháng)于其它傳統照明技術(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)應用到更廣泛的照明應用中。
最近面世的新技術(shù)使LED 能夠達到更高的功率水平。LED 能夠達到一瓦特的水平，有些甚至高達5 瓦特，每瓦特能發(fā)出18-44 流明（lumen）的光亮。這種LED設備稱(chēng)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用。

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

HB-LED 具有非線(xiàn)性I-V 特征，非常類(lèi)似于二極管，HB-LED 只能在直流電單向輸送到設備時(shí)才能點(diǎn)亮，一般稱(chēng)之為正向電流IF 。通過(guò)HB-LED 的壓降則稱(chēng)為正向電壓VF。要讓HB-LED 實(shí)現最高亮度，通過(guò)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，而相應的正向電壓則大約為3.4V，HB-LED 便能達到其最大亮度。

正向電流IF 和正向電壓VF 有著(zhù)非常緊密的關(guān)系，VF 出現小的變化亦會(huì )引起IF 發(fā)生較大的改變。HB-LED 驅動(dòng)的理想電源是恒定電源。實(shí)際上，恒定電流通常通過(guò)閉合回路電流控制直流-直流轉換器（DC-DC converter）來(lái)實(shí)現。市場(chǎng)上有很多基于獨立模擬組件、成本相對較低的DC-DC 轉換器解決方案。然而，基于微控制器（MCU）的解決方案可為系統設計帶來(lái)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 的設計的部分優(yōu)點(diǎn)如下：
（1） 燈光亮度調節和閃爍可以通過(guò)MCU 軟件輕松實(shí)現，而無(wú)需向系統中增裝其它組件。
（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(guò)軟件編程以滿(mǎn)足不同的驅動(dòng)要求。在這種情況下，照明設備制造商可以減少庫存的類(lèi)型，進(jìn)而簡(jiǎn)化物流處理工作。
（3） 許多MCU 具有芯片閃存，可以用于應用中的數據存儲。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(kāi)燈光時(shí)可以自動(dòng)恢復上一次的亮度級別。
（4） 除照明外，MCU 還可以處理幾種功能，如不同類(lèi)型的連接標準（如Zigbee、RS232 和LIN 等）亦可以通過(guò)MCU 芯片模塊輕松實(shí)施。

拓撲

HB-LED 驅動(dòng)需要恒定電源。它通常需要閉環(huán)控制。有時(shí)系統采用電池供電，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(lái)保持恒定的驅動(dòng)電流。此外HB-LED 的正向電壓VF 會(huì )隨周?chē)h(huán)境溫度的變化而變化，因此需要閉環(huán)控制來(lái)補償VF 的變化，以便保持正向電流IF 以及HB-LED 亮度的穩定。

人們一般采用轉換模式調節方法而不是直線(xiàn)調節方法來(lái)驅動(dòng)HB-LED。開(kāi)關(guān)調節器有著(zhù)更高的功能轉換效率及較適合用于數字設計上。

假設電源電壓是高于所需的HB-LED 正向電壓，開(kāi)關(guān)調節器會(huì )通過(guò)電源電壓斬波來(lái)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。斬波機制的執行很簡(jiǎn)單，只需使用一個(gè)功率場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）充當開(kāi)關(guān)來(lái)斷開(kāi)電源和用電設備之間的電流。MOSFET 由脈寬調制（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(kāi)關(guān)調節器可以通過(guò)調節斬波頻率或其占空比來(lái)控制設備的平均電流。然而有些情況這種拓撲并不適用。如所需設備電流比較大時(shí)，切斷電流會(huì )產(chǎn)生較大的電流尖峰，而這可能會(huì )影響系統的電磁干擾（EMI）性能。

圖1：直接斬波拓撲