基于MC9RS08KA2的高亮度LED應用及電路

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

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。

圖4 是基于MC9RS08KA2 的簡(jiǎn)單buck 變換器系統示意圖。在很多情況下，應用電源電壓VIN 與MCU 的電源電壓（VDD）不同。有時(shí)需要使用特定的電壓調節器（可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的接地齊納二極管）將VIN 降低到MCU 操作范圍VDD。此外還需要電平轉換器，使MCU 能夠撥動(dòng)電壓高于MCU VDD 的高端開(kāi)關(guān)SW1。

圖4：基于MC9RS08KA2 的buck變換器系統

HB-LED 的正向電流是通過(guò)電阻器RSENSE 測量的。KA2 收集電壓測量VSENSE 值，并與簡(jiǎn)易電位計創(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 正向電流高于目標值。這時(shí)KA2 會(huì )逐漸降低驅動(dòng)SW1 的占空比，直到VSENSE 降低到參考值以下。相反，當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 驅動(dòng)電流由參考電壓VREF 定義。如圖4 所示，VREF 由一個(gè)簡(jiǎn)易電位計定義。VREF 的變化是通過(guò)改變電位計電壓進(jìn)行的。圖4 顯示了實(shí)現這一目標的簡(jiǎn)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 連接到電位計上。當選擇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?，通過(guò)R3的附加電流會(huì )降低參考電壓。隨著(zhù)VREF 的降低，HB-LED 正向電流會(huì )相應地調節而改變亮度水平。利用相同的方法可定義出更多的參考點(diǎn)來(lái)輸入更多亮度水平。

電源電壓的補償

如果應用只需一個(gè)亮度水平，就無(wú)需將電位計連接到 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(zhuān)用控制位可用于啟動(dòng)此電壓參考。當該參考啟動(dòng)時(shí)，相應的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(wú)論VIN 的變化是否反應到MCU VDD 上，通過(guò)對比VSENSE 和固定參考點(diǎn)1.24V，MCU 可以調節PWM 的占空比，從相應地補償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(méi)有專(zhuān)用的PWM模塊。在軟件設計的主循環(huán)中，可以監控來(lái)自RSENSE 的反饋電壓，并產(chǎn)生PWM控制的波形作為SW1 的開(kāi)關(guān)操作。PWM打開(kāi)狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)的長(cháng)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(kāi)始初始化程序。PWM打開(kāi)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(kāi)時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間變量。這兩個(gè)變量按相反方向調節，以便將整體時(shí)間長(cháng)短保持在恒定水平。打開(kāi)時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間一同確定可調節的占空比，該值和軟件開(kāi)銷(xiāo)共同定義PWM周期的長(cháng)短。

圖5：MC9RS08KA2 的軟件控制流程

任何用以執行其它功能（如亮度調節）的人機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(kāi)銷(xiāo)，會(huì )影響整體PWM輸出周期的長(cháng)短。PWM輸出周期長(cháng)短應保持恒定，由要控制循環(huán)中執行的CPU 周期總數確定。所需的PWM頻率越高，主控制循環(huán)的編碼預算越低。例如，如果PWM頻率要求為50KHz，KA2 允許的最大總線(xiàn)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。該數字包括軟件開(kāi)銷(xiāo)及SW1 打開(kāi)時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間的總和（也就是可調節的占空比）。比如說(shuō)，如果打開(kāi)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(kāi)銷(xiāo)，該主循環(huán)的可控制占空比范圍則為72/200=36% 到100%。

結語(yǔ)

基于MCU 的解決方案可為應用提供全面靈活性。目前，即使最低端的8 位MCU都具有足夠的CPU 帶寬，不僅能執行DC-DC 操作，還可以在應用中增加更多功能而幾乎不需要增加成本。MCU 的設計目標是實(shí)現全面的解決方案。飛思卡爾提供的MCU 亦支援各種通信標準，如射頻（RF）連接領(lǐng)域的Zigbee 、有線(xiàn)連接領(lǐng)域的LIN、CAN 和DMX512 等，這為L(cháng)ED 照明提供了巨大的應用空間。