基于MC9RS08KA2的高亮度LED應用方案

如果不要讓設備上的電流被切斷，則必須使用能源存儲設備來(lái)確保當電源被切斷時(shí)，電流亦不會(huì )被立刻切斷。一個(gè)明智的選擇是在設備的電路路徑上添加電感。在PWM循環(huán)過(guò)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(lái)，繼續為設備供電。這種拓撲稱(chēng)為buck 變換器（buck converter）。圖2 是常見(jiàn)buck 變換器的示意圖。

圖2：Buck變換器拓撲

Buck變換器

Buck 變換器只能用于執行降壓操作，就是當電源電壓是高于所需要的設備電壓時(shí)。如圖2 所示，當電源開(kāi)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。當電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電感中保存的電能釋放出來(lái)，電流流經(jīng)二極管持續提供給設備。電感中存儲的電能逐漸減少，設備電流亦開(kāi)始下降。Buck 變換器的主要電能存儲設備是電感。電感的設計必須確保有足夠的電能存儲空間，滿(mǎn)足電源關(guān)閉期間（SW1 打開(kāi)）的設備電源要求。對于HB-LED 應用，HB-LED 需在恒定電流下工作，buck 變換器亦被認為只在連續導通狀態(tài)（continuous conduction mode ) 下運行。

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

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

其中tOFF 是SW1 打開(kāi)的時(shí)間。VD 表示二極管上的電壓。假設tON 與tOFF 之和是開(kāi)關(guān)時(shí)間的總長(cháng)短T，那么tON 亦可以計算為：

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(kāi)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(lái)，buck 變換器的輸出電壓增益等于占空比D 而且永遠小于1。

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

閉環(huán)控制

使用 buck 變換器驅動(dòng)HB-LED 時(shí)，系統必須能夠保持恒定的輸出電流。輸出電壓或輸出電流通過(guò)改變電源開(kāi)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）作為電流感應器來(lái)監控HB-LED 的正向電流。該電阻將正向電流轉換成電壓，并與恒定參考電壓VREF 進(jìn)行比較。VREF 是預先定義的，而對應于所需的目標負載電流。如果電流感應器電壓高于參考電壓，則表示負載電流高于目標電流。反饋環(huán)路會(huì )減少占空比D 來(lái)驅動(dòng)電源開(kāi)關(guān)。相反，如果電流感應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。

圖3：閉環(huán)控制buck變換器

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

MC9RS08KA2 系統

對于普通的 HB-LED 應用，MCU 控制系統的反饋回路。它測量HB-LED 正向電流并調節電源開(kāi)關(guān)的占空比，將HB-LED 亮度保持在目標水平。因此，MCU 必須至少具有PWM驅動(dòng)功能。通常情況下，30KHz -100KHz 的PWM輸出頻率就足夠了。此外，MCU 應當能夠執行電壓測量，這是閉環(huán)控制系統必需的。

許多飛思卡爾MCU 都能用于HB-LED 照明應用。對于一般的HB-LED 應用，可以使用MC68HC908Qxx 系列。它支持8 針腳封裝，并帶有專(zhuān)用的PWM 模塊和模擬數字轉換（ADC）模塊。對于成本敏感型應用，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 應用來(lái)說(shuō)也已經(jīng)足夠了。