利用單芯片MCU提高照明系統能源交率

未來(lái)的20年中，亞洲發(fā)展中國家的用電量將位居全球前列，中國也將成為第一大電力消耗國。節約能源已經(jīng)成為全球范圍的一個(gè)熱門(mén)話(huà)題。國際社會(huì )對能源效率日益重視，推動(dòng)了《京都儀定書(shū)》和“能源之星”等新的能源法規和協(xié)定的誕生。目前，工業(yè)化國家紛紛承諾在未來(lái)十年內改善能源效率，減少溫室氣體排放。在某些情況下，這一承諾意味著(zhù)通過(guò)制訂法規強制性地提高傳統用電系統的效率，因此，新的創(chuàng )新方案的設計和實(shí)施已迫在眉睫。 在住宅用電中，照明用電占相當大的比重。以家庭用電為例，空調、冰箱、熱水器等耗電量高的電器一直是大家關(guān)注的焦點(diǎn)。而每天都在使用的照明電反倒被忽視。其實(shí)，每張電費帳單都要為照明用電支付1/6的費用。如何在中國推廣節能的照明產(chǎn)品，提高照明系統的能源效率、降低照明用電量已成為中國工程界面臨的最大挑戰，促使工程師們必須考慮采用節能器件來(lái)設計自己的產(chǎn)品。 1 數控電子鎮流器應運而生 在鱗次櫛比的建筑物中，照明系統最常見(jiàn)的形式是使用各種熒光燈管以及采用簡(jiǎn)單的感應器和啟輝器的鎮流器。據估算，這種傳統的方式可消耗建筑物用電量的40%，既低效又浪費，且成本高。新的歐洲和國際立法的引入要求從2005年開(kāi)始增加效率并停用二種最低效率的鎮流器。這種法規將對鎮流器設計得施加新的壓力，迫使他們改善已設計的能效，開(kāi)發(fā)有效的、成本低廉的電子照明鎮流器。隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，利用微控制器（MCU）設計電子鎮流器已經(jīng)不是稀罕的事情了。MCU為高能效鎮流器的開(kāi)發(fā)提供了理想的低成本解決方案。圖1是電子鎮流器的框圖。采用電子鎮流器的優(yōu)點(diǎn)：電子鎮流器比傳統的磁性鎮流器增加了系統效率，延長(cháng)了工業(yè)區光管的壽命；電子系統為可變亮度調整增加了控制級別；數字控制可實(shí)現大型照明網(wǎng)絡(luò )的遠程控制；數字可尋址照明接口（DALI）協(xié)議使智能建筑物自動(dòng)化和成本經(jīng)濟的大型照明網(wǎng)絡(luò )控制成為可能。圖12 提高能源效率的器件 使用傳統的鎮流器要消耗大量電能，且對單一燈管的亮度控制一直是熒光燈照明系統設計者的難題。傳統上，燈管要么全開(kāi)，要么全關(guān)。飛思卡爾（Freescale Semiconductor）新型單芯片MCU HC908LB*的問(wèn)世解決了該問(wèn)題，也使照明系統能源效率的提高又上了一個(gè)臺階。 飛思卡爾的MC68HC908LB8 8位快閃微控制器是一種高精度的半橋控制器，專(zhuān)門(mén)為所有需要功率因數校正（PFC）或高精度脈寬調制（PWM）發(fā)生器（HRP）設計。它具有高集成度的特點(diǎn)，能簡(jiǎn)化整體系統設計，是需要PFC和/或高精度PWM控制功能應用的優(yōu)選方案。它可應用于單片智能型熒光燈照明系統，也可用于車(chē)燈控制、高強度放大電照明系統以及電動(dòng)機控制。 HC908LB8內集成了高精度PWM HRP模塊，可以連續控制燈管的亮度變化，因而可實(shí)現熒光燈照明系統的暗光控制。它還支持了數字DALI協(xié)議，從而為大型照明系統提供了智能化功能。例如，設計者可對基于DALI的照明系統進(jìn)行編程，使靠近窗戶(hù)的照明光線(xiàn)關(guān)閉或調暗，從而充分利用自然光線(xiàn)。圖2是MC68HC908LB8的框圖。 MC68HC908LB8采用標準的5V電壓供電，內部總線(xiàn)工作頻率為8MHz，采用20引腳PDIP和SOIC封裝。其可微調的內部RC振蕩器在16MHz運行時(shí)，可用作CPU總線(xiàn)時(shí)鐘（4MHz）的基礎，節省了外部元件成本。設計者也能利用諸如外部RC或晶體振蕩器等的時(shí)鐘運行器件。其定時(shí)器接口模塊具有執行輸入捕獲的能力，輸出比較或脈寬調制具有低至125ns的定時(shí)精度。 另外，MC68HC908LB8還包括一個(gè)帶有理想驅動(dòng)半橋互補輸出對的HRP模塊?？删幊痰目蛰d時(shí)間插入和短路預防功能可保證最高的效率。當HRP執行定時(shí)頻率或工作周期抖動(dòng)時(shí)，定時(shí)精度可減少到3.9ns。如果發(fā)現了問(wèn)題，故障輸入安全特性可產(chǎn)生一個(gè)信號，進(jìn)行迅速關(guān)機。它可對大多數參數自動(dòng)計算，因而容易使用。 MC68HC908LB8有一個(gè)2通道PWM模塊，具有故障輸入檢測和中斷功能。當PWM與運算放大器/比較器模塊一起使用時(shí)，該單元可實(shí)現低成本的PFC，為主要的功率應用提供一種理想的集成解決方案。MC68HC908LB8具有良好的安全特性，包括完全計算機運行（COP）和低電壓抑制（LVI），-40℃～+125℃的溫度工作范圍，為惡劣的應用環(huán)境提供了一個(gè)強大的解決方案。 HC908LB8基于飛思卡爾HC08 CPU內核，內部總線(xiàn)頻率為8MHz，軟件精度為%26;#177;2%。其主要特點(diǎn)包括： （1）8KB閃存，128B RAM。 （2）高精度PWM HRP。帶有停滯時(shí)間（空載時(shí)間）插入的雙PWM輸出；關(guān)斷輸入；通過(guò)頻率抖動(dòng)技術(shù)，使輸出的精度達3.9ns；可變頻率和可變負載周期模式。 （3）功率因數校正。2通道PWM模塊，帶有故障輸入檢測和關(guān)斷功能；集成了運放/模擬比較器模塊，可實(shí)現片上PFC。 （4）7通道、8位ADC。 （5）1個(gè)帶有中斷功能的16位定時(shí)器。 （6）帶有抗噪的低電壓抑制技術(shù)和確保軟件安全的計算操作。 （7）時(shí)鐘模塊可選擇RC振蕩電路、內部晶振和外部晶振。 （8）最多可有18個(gè)I/O接口（多路復用外圍接口）。 （9）7個(gè)I/O可用于鍵盤(pán)中斷。 （10）大電流控制邏輯I/O（sink/osurce），典型值為10mA。 （11）多種電氣安全特性。 值得一提的是，在有效的主電源供電應用中，作為關(guān)鍵要求的PFC可將輸入電流轉化為與輸入電壓保持同相的正弦波，從而提高效率、降低信號失真、降低運行成本和噪音。HC908LB8帶有成本經(jīng)濟的PFC功能，為主電源供電應用提供了理想的集成方案。 3 節約成本 加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā) 在典型的鎮流器應用中使用HC908LB8，可將分立數字系統元件的數量減少50%。除了能節省空間，還可縮少PCB尺寸，降低生產(chǎn)成本，并有助于降低管理成本。為了演示該器件的各種特點(diǎn)，飛思卡爾將通過(guò)提供價(jià)格適當的開(kāi)發(fā)硬件（評估板和演示板）、免費的參考設計，以及應用指南和在線(xiàn)教程、配套軟件、系統框圖和材料清單，幫助設計者加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)程。系統仿真模塊FSICEKITLB8 Freescale Complete FSICE是一個(gè)高性能的仿真工具，包括仿真器、電纜、連接適配器（head adapter）和編程適配器。另外，設計者還能得到第三方的支持，如Metrowerks公司提供的Code Warrior TM IDE特別版。高度擬器和Processor Expert TM代碼生成工具。 該參考設計為2個(gè)并行連接的熒光燈提供了具有PFC功能的完整的數字減光型鎮流器設計，可以滿(mǎn)足能源保護及其相關(guān)立法對高效照明鎮流器設計的需求；同時(shí)也為控制照明網(wǎng)絡(luò )的DALI標準，尤其是熒光鎮流器的開(kāi)發(fā)奠定了基礎。目前，全球主要照明制造商都承諾支持DALI接口，以實(shí)現低成本控制的大型照明網(wǎng)絡(luò )。該參考設計為用戶(hù)示范了如何在主從配置中利用飛思卡爾的68HC908KX8與簡(jiǎn)單的協(xié)議進(jìn)行通信。圖3是演示板的照片。新的參考設計可以大幅度改善鎮流器的能效，減少系統復雜度，降低成本，并滿(mǎn)足日益苛刻的能效要求。與目前市場(chǎng)上的傳統技術(shù)相比，該解決方案可幫助設計者設計出具有更高能效和成本低廉的電子鎮流器。 總之，使用MC68HC908LB8的好處包括如下幾個(gè)方面：利用PFC減少功率損耗和失真；利用高精度PWM信號實(shí)現精確控制；高度的集成可減少系統尺寸和成本；滿(mǎn)足熒光照明系統鎮流器的能量效率要求。 飛思卡爾認為，未來(lái)驅動(dòng)工業(yè)市場(chǎng)發(fā)展的趨勢是對無(wú)處不在的連接和能量的有效管理。作為全球半導體工業(yè)的領(lǐng)導者，飛思卡爾是最大的汽車(chē)IC供應商，在8位和32位MCU市場(chǎng)也名列第一，在整個(gè)MCU市場(chǎng)位居第二。飛思卡爾可以為不同的應用提供完整的MCU產(chǎn)品線(xiàn)。今天，設計者終于可以通過(guò)使用飛思卡爾半導體先進(jìn)的具有汽車(chē)應用嵌入式能力的8位MCU，來(lái)設計性能優(yōu)越的電子鎮流器，同時(shí)降低產(chǎn)品的成本，縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間。

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