發(fā)光二級管（LED）技術(shù)面世已有大約半個世紀。發(fā)光二級管是一種能在電壓出現(xiàn)偏差時發(fā)光的半導(dǎo)體器件。由于具有低功率和低電壓運行的特點，該技術(shù)很快應(yīng)用于各種電子設(shè)備的狀態(tài)指示。LED技術(shù)的使用壽命通常非常長，一般可達10年，遠遠長于其它傳統(tǒng)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(yīng)用到更廣泛的照明應(yīng)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能夠達到一瓦的水平，有些甚至高達5瓦，每瓦能發(fā)出18-44流明的光亮。這種LED設(shè)備稱為高亮LED（HB-LED）。由于效率方面的明顯改進，HB-LED正被迅速用于多種照明應(yīng)用： 　　·交通信號燈 　　·平面顯示設(shè)備的背景照明裝置 　　·閃光燈 　　·家庭照明 HB-LED具有非線性I-V特征，非常類似于二極管，HB-LED只能在直流電單向輸送到設(shè)備時才能點亮，一般稱之為正向電流IF 。通過HB-LED的壓降則稱為正向電壓VF。要讓HB-LED實現(xiàn)最高亮度，通過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(yīng)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有著非常緊密的關(guān)系，VF出現(xiàn)小的變化亦會引起IF發(fā)生較大的改變。HB-LED驅(qū)動的理想電源是恒定電源。實際上，恒定電流通常通過閉合回路電流控制DC-DC轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。 市場上有很多基于獨立模擬組件、成本相對較低的DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案。然而，基于微控制器（MCU）的解決方案可為系統(tǒng)設(shè)計帶來更大的靈活性。除了普通照明以外，這種控制器還能為最終應(yīng)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(shè)計的優(yōu)點如下： 燈光亮度調(diào)節(jié)和閃爍可以通過MCU軟件輕松實現(xiàn)，而無需向系統(tǒng)中增裝其它組件。 不同功率或不同品牌的HB-LED具有不同的特征，MCU可以通過軟件編程以滿足不同的驅(qū)動要求。在這種情況下，照明設(shè)備制造商可以減少庫存的類型，進而簡化物流處理工作。 許多MCU具有芯片閃存，可以用于應(yīng)用中的數(shù)據(jù)存儲。例如，在實施燈光亮度控制功能時，芯片閃存可用于保存亮度級別。每次打開燈光時可以自動恢復(fù)上一次的亮度級別。 除照明外，MCU還可以處理幾種功能，如不同類型的連接標準（如Zigbee、RS-232和LIN等）亦可以通過MCU芯片模塊輕松實施。 拓撲 HB-LED驅(qū)動需要恒定電源。它通常需要閉環(huán)控制。有時系統(tǒng)采用電池供電，電池電壓會隨時間而不斷下降。在電池電量全部用完之前，需要反饋控制回路來保持恒定的驅(qū)動電流。此外HB-LED的正向電壓VF會隨周圍環(huán)境溫度的變化而變化，因此需要閉環(huán)控制來補償VF的變化，以便保持正向電流IF以及HB-LED亮度的穩(wěn)定。 人們一般采用轉(zhuǎn)換模式調(diào)節(jié)方法而不是直線調(diào)節(jié)方法來驅(qū)動HB-LED。開關(guān)調(diào)節(jié)器有著更高的功能轉(zhuǎn)換效率及較適合用于數(shù)字設(shè)計上。 假設(shè)電源電壓是高于所需的HB-LED正向電壓，開關(guān)調(diào)節(jié)器會通過電源電壓斬波來進行整流，控制斬波時的占空比可以控制輸出的平均電流。斬波機制的執(zhí)行很簡單，只需使用一個功率MOSFET充當(dāng)開關(guān)來斷開電源和用電設(shè)備之間的電流。MOSFET由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）。開關(guān)調(diào)節(jié)器可以通過調(diào)節(jié)斬波頻率或其占空比來控制設(shè)備的平均電流。然而有些情況這種拓撲并不適用。如所需設(shè)備電流比較大時，切斷電流會產(chǎn)生較大的電流尖峰，而這可能會影響系統(tǒng)的電磁干擾（EMI）性能。 如果不要讓設(shè)備上的電流被切斷，則必須使用能源存儲設(shè)備來確保當(dāng)電源被切斷時，電流亦不會被立刻切斷。一個明智的選擇是在設(shè)備的電路路徑上添加電感。在PWM循環(huán)過程中，能量保存在電感中。電源被切斷時，保存的能源釋放出來，繼續(xù)為設(shè)備供電。這種拓撲稱為降壓變換器。圖2是常見降壓變換器的示意圖。 降壓變換器 降壓變換器只能用于執(zhí)行降壓操作，就是當(dāng)電源電壓是高于所需要的設(shè)備電壓時。如圖2所示，當(dāng)電源開關(guān)SW1閉合時，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(shè)備電流在一個方向上傳輸。與此同時，電感中保存的能源不斷增加。當(dāng)電源開關(guān)斷開時，電感中保存的電能釋放出來，電流流經(jīng)二極管持續(xù)提供給設(shè)備。電感中存儲的電能逐漸減少，設(shè)備電流亦開始下降。 降壓變換器的主要電能存儲設(shè)備是電感。電感的設(shè)計必須確保有足夠的電能存儲空間，滿足電源關(guān)閉期間（SW1打開）的設(shè)備電源要求。對于HB-LED應(yīng)用，HB-LED需在恒定電流下工作，降壓變換器亦被認為只在連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)下運行。 電感器電流有兩種狀態(tài)：通流狀態(tài)（SW1閉合）和斷流狀態(tài)（SW1打開）。 處于通流狀態(tài)時，電感的電流開始直線上升，電流的最大變化可以使用下列公式計算： 其中tON是SW1閉合的時間。VOUT是設(shè)備RL上的電壓。同樣，處于斷流狀態(tài)時，電感電流在SW1打開期間下降，電流的最大變化可以使用以下公式計算： 其中tOFF是SW1打開的時間。VD表示二極管上的電壓。假設(shè)tON與tOFF之和是開關(guān)時間的總長短T，那么tON亦可以計算為： 其中D是閉合時間的占空比。在理想情況下，逆向二極管的壓降VD為零，打開和關(guān)閉狀態(tài)之間的電感電流之和是恒定的。如下式所示，我們可以很容易地推斷出來，降壓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，則可以通過公式（1）和（3）計算出所需的電感值。 閉環(huán)控制 使用降壓變換器驅(qū)動HB-LED時，系統(tǒng)必須能夠保持恒定的輸出電流。輸出電壓或輸出電流通過改變電源開關(guān)SW1的占空比直接進行控制。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(yīng)器來監(jiān)控HB-LED的正向電流。該電阻將正向電流轉(zhuǎn)換成電壓，并與恒定參考電壓VREF進行比較。VREF是預(yù)先定義的，而對應(yīng)于所需的目標負載電流。如果電流感應(yīng)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)路會減少占空比D來驅(qū)動電源開關(guān)。相反，如果電流感應(yīng)器電壓低于參考電壓，占空比D則會增加。圖3為閉環(huán)控制降壓變換器的示意圖。 在某些情況下，電源電壓VIN并不穩(wěn)定，比如在利用電池為系統(tǒng)供電時。無論采用什么電源，要讓輸出電流保持一個恒定水平，就必須使用獨立于電源電壓的一個參考電壓VREF。在所有備有ADC或模擬比較器（ACMP）的飛思卡爾S08和RS08 MCU芯片系列，內(nèi)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MCU中的專用控制寄存器啟動。 MC9RS08KA2 系統(tǒng) 對于普通的HB-LED應(yīng)用，MCU控制系統(tǒng)的反饋回路。它測量HB-LED正向電流并調(diào)節(jié)電源開關(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(qū)動功能。通常情況下，30KHz -100KHz的PWM輸出頻率就足夠了。此外，MCU應(yīng)當(dāng)能夠執(zhí)行電壓測量，這是閉環(huán)控制系統(tǒng)必需的。 許多飛思卡爾MCU都能用于HB-LED照明應(yīng)用。對于一般的HB-LED應(yīng)用，可以使用MC68HC908Qxx系列。它支持8引腳封裝，并帶有專用的PWM模塊和ADC模塊。對于成本敏感型應(yīng)用，可以使用MC9RS08KA2。它也支持8引腳封裝，不帶芯片ADC，但包括ACMP，這對HB-LED應(yīng)用來說也已經(jīng)足夠了。 圖4是基于MC9RS08KA2的簡單降壓變換器系統(tǒng)示意圖。在很多情況下，應(yīng)用電源電壓VIN與MCU的電源電壓（VDD）不同。有時需要使用特定的電壓調(diào)節(jié)器（可以是一個簡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(zhuǎn)換器，使MCU能夠撥動電壓高于MCU VDD的高端開關(guān)SW1。 HB-LED的正向電流是通過電阻器RSENSE測量的。KA2收集電壓測量VSENSE值，并與簡易電位計創(chuàng)建的固定參考電壓VREF進行比較。如果VSENSE高于VREF，表示HB-LED正向電流高于目標值。這時KA2會逐漸降低驅(qū)動SW1的占空比，直到VSENSE降低到參考值以下。相反，當(dāng)VSENSE低于VREF時，占空比會逐漸增加，直到VSENSE增加到VREF以上。 亮度控制 HB-LED驅(qū)動電流由參考電壓VREF定義。如圖4所示，VREF由一個簡易電位計定義。VREF的變化是通過改變電位計電壓進行的。圖4顯示了實現(xiàn)這一目標的簡易方法。KA2的一個通用輸入輸出端（如PTA5）將一個附加電阻器R3連接到電位計上。當(dāng)選擇PTA5作為輸入端時，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R3的附加電流會降低參考電壓。隨著VREF的降低，HB-LED正向電流會相應(yīng)地調(diào)節(jié)而改變亮度水平。利用相同的方法可定義出更多的參考點來輸入更多亮度水平。 電源電壓的補償 如果應(yīng)用只需一個亮度水平，就無需將電位計連接到KA2模擬比較器的端子上。KA2比較器的正極端子已備有內(nèi)部帶隙電源，VSENSE可以利用此電源電壓參考進行比較。KA2上有一個專用控制位可用于啟動此電壓參考。當(dāng)該參考啟動時，相應(yīng)的MCU引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。 無論VIN的變化是否反應(yīng)到MCU VDD上，通過對比VSENSE和固定參考點1.24V，MCU可以調(diào)節(jié)PWM 的占空比，從相應(yīng)地補償VIN a的變化，而令輸出電流保持一個恒定水平。 軟件控制回路 KA2沒有專用的PWM模塊。在軟件設(shè)計的主循環(huán)中，可以監(jiān)控來自RSENSE的反饋電壓，并產(chǎn)生PWM控制的波形作為SW1的開關(guān)操作。PWM打開狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)的長短由芯片定時器溢出的時間確定。 圖5顯示了一般的軟件控制流程。重啟后，MCU開始初始化程序。PWM打開時間初始化為它的最小值。主控制回路保存兩個變量：打開時間和關(guān)閉時間變量。這兩個變量按相反方向調(diào)節(jié)，以便將整體時間長短保持在恒定水平。打開時間和關(guān)閉時間一同確定可調(diào)節(jié)的占空比，該值和軟件開銷共同定義PWM周期的長短。 任何用以執(zhí)行其它功能（如亮度調(diào)節(jié)）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銷，會影響整體PWM輸出周期的長短。 PWM輸出周期長短應(yīng)保持恒定，由要控制循環(huán)中執(zhí)行的CPU周期總數(shù)確定。所需的PWM頻率越高，主控制循環(huán)的編碼預(yù)算越低。例如，如果PWM頻率要求為50KHz，KA2允許的最大總線頻率為10MHz，在這種情況下主控制循環(huán)必須保持在200個CPU周期。該數(shù)字包括軟件開銷及SW1打開時間和關(guān)閉時間的總和（也就是可調(diào)節(jié)的占空比）。比如說，如果打開時間和關(guān)閉時間總和為128個CPU周期，則200個周期中的72個就成了軟件開銷，該主循環(huán)的可控制占空比范圍則為72/200=36% 到100%。 結(jié)語 基于MCU的解決方案可為應(yīng)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(zhí)行DC-DC操作，還可以在應(yīng)用中增加更多功能而幾乎不需要增加成本。MCU的設(shè)計目標是實現(xiàn)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、有線連接領(lǐng)域的LIN、CAN和DMX512等，這為LED照明提供了巨大的應(yīng)用空間。