用于LED照明的新一代MCU

照明技術(shù)的發(fā)展及趨勢

照明發(fā)展歷程

首先，回顧照明技術(shù)的發(fā)展歷史，第一代以白熾燈為代表，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，低溫啟動(dòng)特性好，但是壽命短、發(fā)光效率低。第二代以熒光燈為代表，壽命較長(cháng)、發(fā)光效率較高、成本較低，缺點(diǎn)是含重金屬汞、鎮流器/啟輝器功耗大。第三代的代表是高壓氣體光源，優(yōu)點(diǎn)是穿透性強，反射率高，但是，含重金屬汞、顯色性低，并且需要安裝整流器。LED屬于第四代照明設備，是工作電壓低、安全節能、維護費用低、壽命長(cháng)，目前的主要問(wèn)題是價(jià)格較高，發(fā)熱量大，需要指出的是，目前對燈具中金屬汞的回收無(wú)廠(chǎng)商對應，但LED卻不含汞。

照明市場(chǎng)趨勢

照明在家用/商用電力消費中占有很大比重，大約17%，大量的消耗造成資源浪費、二氧化碳排放以及全球變暖等問(wèn)題。因此，在全球范圍內，對綠色、節能的照明系統的需求在逐漸加大，隨著(zhù)照明源的發(fā)展和改進(jìn)，照明功耗逐步降低，LED的功耗僅為白熾燈的1/8。同時(shí)，照明系統采用各類(lèi)通信、傳感器的智能照明控制系統，提高了應用效率。

日本在1998年就開(kāi)展了 “21世紀照明”計劃，旨在通過(guò)LED技術(shù)使照明的能量效率提高為傳統熒光燈的兩倍。韓國、歐盟、美國也相繼提出了自己的照明規劃。我國有多項半導體照明相關(guān)的國家標準、行業(yè)標準即將出臺，財政部正在醞釀半導體照明的相關(guān)扶持政策。政府采購半導體照明示范工程項目的步伐正在加快。

圖1 未來(lái)照明革新

現代LED照明對MCU的需求

通用LED照明市場(chǎng)分類(lèi)大致可分為以下幾種：室內照明、商用照明、車(chē)用照明、戶(hù)外照明、交通信號、娛樂(lè )照明、路燈和電子顯示牌，液晶背光等。

隨著(zhù)照明需求的發(fā)展和節能減排的深入，未來(lái)照明革新可以從分時(shí)段控制、環(huán)境亮度傳感器、動(dòng)作傳感器、熱量管理等角度進(jìn)行技術(shù)革新。

未來(lái)照明革新市場(chǎng)潛力巨大，如圖1所示。分時(shí)段控制是指在不同時(shí)間段有不同的亮度。環(huán)境亮度傳感器可以靈活應對燈具所處環(huán)境的亮度，比如天陰的時(shí)候天黑的比平常早，那么路燈就會(huì )提前打開(kāi)。動(dòng)作傳感檢測器是指夜晚的時(shí)候如果燈具周?chē)鸁o(wú)人活動(dòng)時(shí)，會(huì )調低亮度，當檢測到有人活動(dòng)時(shí)，就會(huì )調高亮度。另外，現代照明需要有多重通信方式，除了無(wú)線(xiàn)方式以外，DALI或DMX512等先進(jìn)的照明專(zhuān)用通信協(xié)議使得燈具的管理更加便捷，電力線(xiàn)載波通信（PLC）也是近年來(lái)備受關(guān)注的方向。

智能照明的發(fā)展方向

智能照明的發(fā)展方向呈現幾個(gè)發(fā)展方向：MCU的集成度提高，所需外設減少，更加環(huán)保性；LED滿(mǎn)足家庭情景調光的色彩心情，更加人性化；各種通信協(xié)議，方便調光系統擴展，擴展性增強；無(wú)線(xiàn)連接方式使照明通信融入智能家庭，實(shí)現集成化。智能家庭的普及，可以促進(jìn)綠色低碳生活、保護環(huán)境。智能混色調光，需要支持無(wú)線(xiàn)通信的場(chǎng)景照明。而APPLILET HCD工具，可以方便實(shí)現混色調光的開(kāi)發(fā)調試，非常實(shí)用。

圖2 通過(guò)比較器進(jìn)行反饋控制

圖3 通過(guò)A/D轉換器進(jìn)行反饋控制

圖4 LED恒流控制操作流程圖（LED=3通道）

現代LED照明的要求

LED照明的要求包括家用照明和非家用兩種。

家用照明：

（1）更長(cháng)的工作壽命

（2）成本低、體積小

（3）低功耗、，高效能

（4）兼容現有系統

非家用照明：

（1）低功耗、高效能

（2）多通道 (6條通道或更多)

（3）PFC控制

（4）PLC通信/無(wú)線(xiàn)通信

對MCU的需求則表現在如下幾個(gè)方面：

•精準控制電流，延長(cháng)燈具壽命

•多種保護功能，保證燈具安全

•高集成度，節省空間和成本

•靈活且精確的調光，同等亮度更少能耗。

•同時(shí)為多通道提供獨立的定時(shí)器門(mén)限輸出功能

•通信方式多樣化，支持 IR/無(wú)線(xiàn)/DALI/ DMX512/ PLC/

•較高工作溫度 (85℃~105℃)

•更實(shí)用的評估方案

照明市場(chǎng)的需求

綜合高調光精度、低成本、節能和必須帶有應急保護功能，總結為單芯片MCU實(shí)現低成本和高性能的綠色節能照明系統。

MCU在LED照明中的應用

針對整個(gè)照明市場(chǎng)的MCU需求，瑞薩電子推出了對應的MCU。

78K0/Ix2

針對照明市場(chǎng)的這些需求，瑞薩電子的78K0/Ix2 MCU產(chǎn)品，很好地解決了這些問(wèn)題。78K0/Ix2相應的特性有很多。78K0/Ix2的PWM輸出周期25ns，具有16位變頻定時(shí)器和內部40MHz操作時(shí)鐘特性，滿(mǎn)足高精度調光需求。78K0/Ix2無(wú)需外圍IC，可由PFC控制IC、變頻控制IC和LED驅動(dòng)IC（LED照明），有效降低成本。對應緊急狀態(tài)時(shí)的定時(shí)器高阻輸出，方法是和比較器/外部中斷聯(lián)動(dòng)。對應可在實(shí)現 “任何亮度”，實(shí)現降低能源消耗，方法是使用傳感器/通信，而通信又包括DALI、DMX、遙控器和I2C等。照明用ASSP單片機78K0/Ix2，具有多種內存容量和引腳數可選，對應簡(jiǎn)單到復雜的LED照明應用。

圖5 照明參考方案

圖6 智能DALI-DMX512 LED情景照明控制

照明用ASSP單片機78K0/Ix2的特點(diǎn)：

•內置高速晶振（CPU最高20MHz ）

•高速4通道16位PWM定時(shí)器 (40MHz)

•內置片上調試

•串行通信（UART，I2C，CSI），內置DALI（照明用通信）功能

•MCU工作溫度可達105℃

•可獨立控制最多4路LED

•可適應LED照明器具大量發(fā)熱的使用環(huán)境

•可方便實(shí)現DALI協(xié)議接收/發(fā)送

適用于照明控制的定時(shí)器的特性：

•計數時(shí)鐘最快達到40MHz

•帶死區時(shí)間PWM輸出

•可進(jìn)行全/半橋控制

• 4通道同步輸出

•可與比較器連動(dòng)進(jìn)行緊急停止的功能

•可配合A/D轉換器進(jìn)行LED恒流控制

•可用作LED恒流控制的開(kāi)關(guān)信號或用作調光亮度控制信號

增強的模擬功能：

•定時(shí)器同步A/D轉換器

•內置1.2V穩壓參考

•3通道比較器

•內置運算放大器，包括PGA 模式 (×4/×8/×16/×32)，獨立模式 (使用+/ -/輸出引腳)

•可用于LED恒流控制快速響應進(jìn)行反饋操作

•可用于檢測來(lái)自傳感器的微小信號控制LED燈具亮度

恒流控制

恒流控制有兩種恒流控制的方式。

第一種是通過(guò)比較器進(jìn)行反饋控制。使用比較器檢測LED電流，通過(guò)改變PWM輸出占空比實(shí)現恒流控制。通過(guò)改變比較器內置參考電壓可實(shí)現各通道的獨立調光（28級），如圖2所示。

第二種是通過(guò)A/D轉換器進(jìn)行反饋控制，使用A/D轉換器檢測LED電流，通過(guò)改變PWM輸出占空比實(shí)現恒流控制。通過(guò)改變A/D轉換的目標值實(shí)現各通道的獨立調光，如圖3所示。

LED恒流控制操作流程圖如圖4所示，如圖，有3通道的LED需要控制，是A/D轉換→PWM輸出的微調的重復操作。軟件操作過(guò)程是對CH1的反饋電阻電壓進(jìn)行A/D轉換，微調輸入到CH1的PWM波占空比，然后對通道2和通道3進(jìn)行同樣操作，重復上述流程即可。三個(gè)通道的A/D轉換和檢測調整的整個(gè)周期約為50μs。

圖7 78K0無(wú)驅智能調光LED燈泡參考板

圖8 78K0/IB2 LED路燈方案

綠色環(huán)保LED照明方案

瑞薩電子的照明參考方案由3部分組成，可通過(guò)PC端GUI進(jìn)行調光控制，PC和通信板通過(guò)USB線(xiàn)連接，情景照明板和通信板之間可以由紅外、DALI及DMX512三種方式實(shí)現，在瑞薩電子的照明參考方案中，可以使用AppliletEZ for HCD程序自動(dòng)生成工具，實(shí)現照明控制程序的涉及、編譯和燒寫(xiě)。照明參考方案如圖5所示。

78K0/IB2低成本高亮度LED調光（調色）控制的優(yōu)點(diǎn)：

• 3通道獨立恒流控制（高亮度LED）

•調光控制，調色控制

•通信模式 (DALI，DMX512，AD輸入)

智能DALI-DMX512 LED情景照明控制如圖6所示。通過(guò)比較器內部參考電壓/PWM占空比，可進(jìn)行3通道獨立LED調光（28級）；通過(guò)8位PWM TMH1的同步控制，可進(jìn)一步提高調光精度。

78K0無(wú)驅智能調光LED燈泡參考板如圖7所示。普通白熾燈功耗大、且調光的能效比很低，78K0無(wú)驅智能調光LED燈泡參考板可以實(shí)現AC220V，不帶 PFC調整功能；遙控器調光 (自定義315M RF)；小巧的PCB便于集成。

基于78K0/IB2 LED路燈方案如圖8所示?？蓪?shí)現AC220V，具有 PFC；驅動(dòng)總功率60W；調光通信接口可采用RS485/PLC接口。

開(kāi)發(fā)工具

第一步通過(guò)器件驅動(dòng)自動(dòng)生成工具(Applilet2)生成器件驅動(dòng)。第二步通過(guò)Project Manager(PM+)編輯程序（綜合開(kāi)發(fā)環(huán)境）(源程序管理、編輯、工具管理)。第三步調試(ID78K0)和仿真通過(guò)MINICUBE2(簡(jiǎn)易)，IECube等進(jìn)行操作確認。另外，對于量產(chǎn)型燒寫(xiě)工具，除了瑞薩電子自己提供的工具意外，另有第三方工具也可支持。瑞薩電子提供照明參考方案套件，使即使初次接觸MCU，也能迅速上手。

問(wèn)答選編

問(wèn)：請問(wèn)LED照明能否實(shí)現亮度的實(shí)時(shí)調控或是外部光線(xiàn)控制，如何實(shí)現？

答：可以實(shí)現亮度的實(shí)時(shí)調控，外部光線(xiàn)控制可通過(guò)增加亮度傳感器來(lái)實(shí)現。

問(wèn)：在實(shí)際操作中，照明設計應該遵循什么原則呢？

答：照明設計應以人為本,但必須首先考慮安全性和實(shí)用性，還有照度要求、安裝方式、維修方式，最后才再結合人性化的創(chuàng )意，一個(gè)好的照明設計，必定是具備以上的先決條件的。

問(wèn)：請介紹一下在MCU中如何實(shí)現PFC功能的？

答：目前方案中采用的是升壓型APFC，通過(guò)MCU內置的比較器和PWM功能實(shí)現PFC，無(wú)須外圍IC。

問(wèn)：關(guān)于LED照明的前景怎么樣？它的發(fā)展驅勢如何？

答： LED照明發(fā)光效率高、壽命長(cháng)、節能環(huán)保、易于實(shí)現智能化控制，是大勢所趨。一旦LED 芯片的價(jià)格有所松動(dòng)，將會(huì )被廣泛應用于裝飾及家用照明領(lǐng)域。

問(wèn)：決定LED路燈的工作環(huán)境溫度主要因素有那些?

答：路燈的環(huán)境溫度主要是由LED本身的發(fā)熱和LED等外殼大小以及散熱能力決定的。78K0/Ix2為耐溫為105℃的專(zhuān)用于照明的MCU，因此比通用產(chǎn)品更具耐溫能力更適用于照明行業(yè)。

問(wèn)：可否對DALI和DMX512兩者進(jìn)行一下比較？

答：DMX傳送速度為250kbps 可控制512個(gè)節點(diǎn)，因此在比較簡(jiǎn)單的單點(diǎn)調光情況下比較適合。DALI傳輸速度為1200bps 傳輸距離為300m，可控制64個(gè)單獨節點(diǎn)以及16個(gè)組，因此合適復雜的情景調光模式。

問(wèn)：78K0/Ix2系列MCU對于調光有哪些實(shí)現方法？

答：可以利用Timer控制PWM輸出或關(guān)閉實(shí)現調光，或者調整比較器或A/D的參考電壓降低LED上通過(guò)的電流實(shí)現調光。

問(wèn)：請問(wèn)MCU能否實(shí)現對大功率RGBLED的實(shí)時(shí)控制？硬件方面又是如何實(shí)現的？

答：可以實(shí)現RGB調光的實(shí)施控制，主要還是通過(guò)3通道LED的獨立控制進(jìn)行調光調色。硬件方面可以使用Ix3獨立控制3個(gè)通道的RGBLED燈。反饋不是用顏色反饋，而是各個(gè)通道RGB LED的電流反饋，通過(guò)控制電流來(lái)控制亮度，達到調色的目的。

問(wèn)：何種結構能有效的解決從LED到大氣的熱阻？風(fēng)冷水冷和油冷有無(wú)實(shí)用可能性？

答：燈具散熱目前主要是通過(guò)金屬散熱，也看到有LED采用風(fēng)冷散熱的。

問(wèn)：現有燈具散熱設計有什么簡(jiǎn)單可靠較好的方法？

答：燈具散熱確實(shí)是個(gè)重要問(wèn)題，主要是在燈具設計時(shí)考慮結構散熱，電路板上的功率器件加裝散熱片，另外選用溫度特性好的器件。瑞薩電子78k0/Ix2系列MCU充分考慮照明應用的環(huán)境，溫度范圍-40℃~105℃。

問(wèn)：78K0/Ix2是專(zhuān)門(mén)為照明電路設計的MCU嗎？可以用于其他的用途嗎？

答：該系列MCU是專(zhuān)為照明控制設計，側重于照明控制，但其他控制領(lǐng)域也可使用。

問(wèn)：78K0是否帶LED恒流驅動(dòng)器和光強度傳感器?

答：78K0的恒流控制主要通過(guò)定時(shí)器輸出和比較器反饋來(lái)實(shí)現，通過(guò)比較器的LED反饋電流檢測的反轉時(shí)間點(diǎn)來(lái)控制定時(shí)器占空比來(lái)實(shí)現恒流。此芯片不內置光強度傳感器，主要是通過(guò)恒流控制使LED達到穩定的發(fā)光。

問(wèn)：請問(wèn)混色調光是多通道控制嗎？有哪些參數需要檢測？

答：是多通道控制。除了必需的恒流控制和調光控制之外，在實(shí)際應用中還可以通過(guò)增加紅綠藍三色傳感器檢測混色效果，增加溫度傳感器檢測環(huán)境溫度。Ix2有多路10位A/D，可以連接多個(gè)傳感器。

問(wèn)：不通過(guò)PWM調光，用AD監控恒流控制時(shí)，怎么理解PWM基本恒定？

答：PWM根據比較器的反饋進(jìn)行占空比調節，因此不是恒定的。不同的LED的相同電壓下的電流并不同，由于LED的發(fā)光是由正向電流大小決定的，所以需要用恒流控制而不是恒壓控制來(lái)實(shí)現。然后，恒流控制除了比較器反饋之外還可以通過(guò)AD檢測來(lái)實(shí)現，AD檢測可以實(shí)施進(jìn)行檢測并調節電流，但是使用AD的話(huà)要需要更多的軟件處理，但是紋波更小。

問(wèn)：參考DEMO DALI-DMX512 LED的主MCU的工作電流是多少？工作電壓是多少？

答：MCU全速工作功耗大約1mA ~ 2mA，在5V電壓下，如果MCU進(jìn)入STOP模式，功耗可以顯著(zhù)下降，大約幾μA。