飞思卡尔半导体公司系统工程师 高德钧(Vincent Ko)
发光二级管（LED）技巧面世已有大约半个世纪。发光二级管是一种能在电压呈现偏差时发光的半导体设备。由于具有低功率和低电压运行的特点，该技巧很快利用于各种电子设备的状态唆使。LED 技巧的应用寿命通常非常长，一般可达10 年，远远擅长其它传统照明技巧（例如白炽灯管和荧光灯管）。这就使人们非常盼看将LED 技巧利用到更广泛的照明利用中。
最近面世的新技巧使LED 能够达到更高的功率程度。LED 能够达到一瓦特的程度，有些甚至高达5 瓦特，每瓦特能发出18-44 流明（lumen）的光明。这种LED设备称为高亮LED（HB-LED）。由于效率方面的明显改良，HB-LED 正被敏捷用于多种照明利用。
下面是这些利用的一些例子：
&#8226； 交通信号灯
&#8226； 平面显示设备的背景照明装置
&#8226； 闪光灯
&#8226； 家庭照明
HB-LED 具有非线性I-V 特点，非常类似于二极管，HB-LED 只能在直流电单向输送到设备时才干点亮，一般称之为正向电流IF 。通过HB-LED 的压降则称为正向电压VF。要让HB-LED 实现最高亮度，通过HB-LED 的正向电流必需保持恒定程度。在一般的1W HB-LED 而言，正向电流需保持在大约350mA 的程度，而相应的正向电压则大约为3.4V，HB-LED 便能达到其最大亮度。
正向电流IF 和正向电压VF 有着非常紧密的关系，VF 呈现小的变更亦会引起IF 产生较大的转变。HB-LED 驱动的幻想电源是恒定电源。实际上，恒定电流通常通过闭合回路电流把持直流-直流转换器（DC-DC converter）来实现。市场上有很多基于独立模仿组件、本钱相对较低的DC-DC 转换器解决计划。然而，基于微把持器（MCU）的解决计划可为系统设计带来更大的机动性。除了普通照明以外，这种把持器还能为终极利用供给足够的处理功效以支撑额外的特征。因此它仍然具有较大的吸引力。
基于MCU 的设计的部分长处如下：
（1） 灯光明度调节和闪耀可以通过MCU 软件轻松实现，而无需向系统中增装其它组件。
（2） 不同功率或不同品牌的HB-LED 具有不同的特点，MCU 可以通过软件编程以满足不同的驱动请求。在这种情况下，照明设备制作商可以减少库存的类型，进而简化物流处理工作。
（3） 很多MCU 具有芯片闪存，可以用于利用中的数据存储。例如，在实行灯光明度把持功效时，芯片闪存可用于保留亮度级别。每次打开灯光时可以主动恢复上一次的亮度级别。
（4） 除照明外，MCU 还可以处理几种功效，如不同类型的连接尺度（如Zigbee、RS232 和LIN 等）亦可以通过MCU 芯片模块轻松实行。
拓扑
HB-LED 驱动需要恒定电源。它通常需要闭环把持。有时系统采用电池供电，电池电压会随时间而不断降落。在电池电量全部用完之前，需要反馈把持回路来保持恒定的驱动电流。此外HB-LED 的正向电压VF 会随四周环境温度的变更而变更，因此需要闭环把持来补偿VF 的变更，以便保持正向电流IF 以及HB-LED 亮度的稳固。
人们一般采用转换模式调节方法而不是直线调节方法来驱动HB-LED。开关调节器有着更高的功效转换效率及较适实用于数字设计上。
假设电源电压是高于所需的HB-LED 正向电压，开关调节器会通过电源电压斩波来进行整流，把持斩波时的占空比可以把持输出的均匀电流。斩波机制的履行很简略，只需应用一个功率场效应晶体管（MOSFET）充当开关来断开电源和用电设备之间的电流。MOSFET 由脉宽调制（PWM）输出把持，其中的斩波频率亦相即是PWM输出的频率。
通常情况下，假如电源电压和所需的负载电流都是恒定的，则不需要任何反馈把持环路（如图1 所示）。开关调节器可以通过调节斩波频率或其占空比来把持设备的均匀电流。然而有些情况这种拓扑并不实用。如所需设备电流比拟大时，切断电流会产生较大的电流尖峰，而这可能会影响系统的电磁干扰（EMI）性能。
图1：直接斩波拓扑
假如不要让设备上的电流被切断，则必需应用能源存储设备来确保当电源被切断时，电流亦不会被立即切断。一个明智的选择是在设备的电路路径上添加电感。在PWM循环过程中，能量保留在电感中。电源被切断时，保留的能源开释出来，持续为设备供电。这种拓扑称为buck 变换器（buck converter）。图2 是常见buck 变换器的示意图。
图2：Buck变换器拓扑
Buck变换器
Buck 变换器只能用于履行降压把持，就是当电源电压是高于所需要的设备电压时。如图2 所示，当电源开关SW1 闭合时，输进电压VIN 连接到电感L 的输进端。逆向偏压二极管能确保设备电流在一个方向上传输。与此同时，电感中保留的能源不断增加。当电源开关断开时，电感中保留的电能开释出来，电流流经二极管持续供给应设备。电感中存储的电能逐渐减少，设备电流亦开端降落。Buck 变换器的重要电能存储设备是电感。电感的设计必需确保有足够的电能存储空间，满足电源封闭期间（SW1 打开）的设备电源请求。对于HB-LED 利用，HB-LED 需在恒定电流下工作，buck 变换器亦被认为只在持续导通状态（continuous conduction mode ) 下运行。
感应器电流有两种状态：通流状态（SW1 闭合）和断流状态（SW1 打开）。处于通流状态时，电感的电流开端直线上升，电流的最大变更可以应用下列公式盘算：
其中tON 是SW1 闭合的时间。VOUT 是设备RL上的电压。同样，处于断流状态时，电感电流在SW1 打开期间降落，电流的最大变更可以应用以下公式盘算：
其中tOFF 是SW1 打开的时间。VD 表现二极管上的电压。假设tON 与tOFF 之和是开关时间的总是非T，那么tON 亦可以盘算为：
其中D 是闭合时间的占空比。在幻想情况下，逆向二极管的压降VD 为零，打开和封闭状态之间的电感电流之和是恒定的。如公式（4）所示，我们可以很轻易地推断出来，buck 变换器的输出电压增益即是占空比D 而且永远小于1。
公式（1）和（2）定义了输出负载上的最大纹波电流。假如定义了可接收的纹波电流IL、开关频率SW1（1/T）、电源电压VIN 和目标输出电压VOUT，则可以通过公式（1）和（3）盘算出所需的电感值。@@@@@@@@@@
闭环把持
应用 buck 变换器驱动HB-LED 时，系统必需能够保持恒定的输出电流。输出电压或输出电流通过转变电源开关SW1 的占空比直接进行把持。非常广泛的做法是采用低欧姆电阻（通常1Ω - 5Ω）作为电流感应器来监控HB-LED 的正向电流。该电阻将正向电流转换成电压，并与恒定参考电压VREF 进行比拟。VREF 是预先定义的，而对应于所需的目标负载电流。假如电流感应器电压高于参考电压，则表现负载电流高于目标电流。反馈环路会减少占空比D 来驱动电源开关。相反，假如电流感应器电压低于参考电压，占空比D 则会增加。图3 为闭环把持buck 变换器的示意图。
图3：闭环把持buck变换器
在某些情况下，电源电压VIN 并不稳固，比如在利用电池为系统供电时。无论采用什么电源，要让输出电流保持一个恒定程度，就必需应用独立于电源电压的一个参考电压VREF。在所有备有模仿数字转换器（ADC）或模仿比拟器（ACMP）的飞思卡尔S08 和RS08 MCU 芯片系列，内部都带有隙电压参考。该参考电压独立于MCU 的电源电压VDD，通过MCU 中的专用把持存放器启动。
MC9RS08KA2 系统
对于普通的 HB-LED 利用，MCU 把持系统的反馈回路。它丈量HB-LED 正向电流并调节电源开关的占空比，将HB-LED 亮度保持在目标程度。因此，MCU 必需至少具有PWM驱动功效。通常情况下，30KHz -100KHz 的PWM输出频率就足够了。此外，MCU 应当能够履行电压丈量，这是闭环把持系统必需的。
很多飞思卡尔MCU 都能用于HB-LED 照明利用。对于一般的HB-LED 利用，可以应用MC68HC908Qxx 系列。它支撑8 针脚封装，并带有专用的PWM 模块和模仿数字转换（ADC）模块。对于本钱敏感型利用，可以应用MC9RS08KA2。它也支撑8 针脚封装，不带芯片ADC，但包含模仿比拟器 (ACMP)，这对HB-LED 利用来说也已经足够了。
图4 是基于MC9RS08KA2 的简略buck 变换器系统示意图。在很多情况下，利用电源电压VIN 与MCU 的电源电压（VDD）不同。有时需要应用特定的电压调节器（可以是一个简略的接地齐纳二极管）将VIN 下降到MCU 把持范畴VDD。此外还需要电平转换器，使MCU 能够拨动电压高于MCU VDD 的高端开关SW1。
图4：基于MC9RS08KA2 的buck变换器系统
HB-LED 的正向电流是通过电阻器RSENSE 丈量的。KA2 收集电压丈量VSENSE 值，并与简易电位计创立的固定参考电压VREF 进行比拟。假如VSENSE 高于VREF，表现HB-LED 正向电流高于目标值。这时KA2 会逐渐下降驱动SW1 的占空比，直到VSENSE 下降到参考值以下。相反，当VSENSE 低于VREF 时，占空比会逐渐增加，直到VSENSE 增加到VREF 以上。
亮度把持
HB-LED 驱动电流由参考电压VREF 定义。如图4 所示，VREF 由一个简易电位计定义。VREF 的变更是通过转变电位计电压进行的。图4 显示了实现这一目标的简易方法。KA2 的一个通用输进输出端（如PTA5）将一个附加电阻器R3 连接到电位计上。当选择PTA5 作为输进端时，它便成为高阻抗，R3 漂浮不定，电位计输出只由R1 和R2 定义。假如需要更低的参考电压，PTA5 就变为低位输出，通过R3的附加电流会下降参考电压。随着VREF 的下降，HB-LED 正向电流会相应地调节而转变亮度程度。利用雷同的方法可定义出更多的参考点来输进更多亮度程度。
电源电压的补偿
假如利用只需一个亮度程度，就无需将电位计连接到 KA2 模仿比拟器的端子上。KA2 比拟器的正极端子已备有内部带隙电源，VSENSE 可以利用此电源电压参考进行比拟。KA2 上有一个专用把持位可用于启动此电压参考。当该参考启动时，相应的MCU 针脚变成通用输进输出端。带隙电源电压程度固定在1.24V 而不受MCU 电源电压VDD 的影响。
无论VIN 的变更是否反应到MCU VDD 上，通过对照VSENSE 和固定参考点1.24V，MCU 可以调节PWM 的占空比，从相应地补偿VIN a 的变更，而令输出电流保持一个恒定程度。
软件把持回路
KA2 没有专用的PWM模块。在软件设计的主循环中，可以监控来自RSENSE 的反馈电压，并产生PWM把持的波形作为SW1 的开关把持。PWM打开状态和封闭状态的是非由芯片定时器溢出的时间断定。
图5 显示了一般的软件把持流程。重启后，MCU 开端初始化程序。PWM打开时间初始化为它的最小值。主把持回路保留两个变量：打开时间和封闭时间变量。这两个变量按相反方向调节，以便将整体时间是非保持在恒定程度。打开时间和封闭时间一同断定可调节的占空比，该值和软件开销共同定义PWM周期的是非。
图5：MC9RS08KA2 的软件把持流程
任何用以履行其它功效（如亮度调节）的人机界面都可以添加到软件的主把持循环上。添加的软件编码被视为软件开销，会影响整体PWM输出周期的是非。PWM输出周期是非应保持恒定，由要把持循环中履行的CPU 周期总数断定。所需的PWM频率越高，主把持循环的编码预算越低。例如，假如PWM频率请求为50KHz，KA2 答应的最大总线频率为10MHz，在这种情况下主把持循环必需保持
在200 个CPU 周期。该数字包含软件开销及SW1 打开时间和封闭时间的总和（也就是可调节的占空比）。比如说，假如打开时间和封闭时间总和为128 个CPU 周期，则200 个周期中的72 个就成了软件开销，该主循环的可把持占空比范畴则为72/200=36％ 到100％。
结语
基于MCU 的解决计划可为利用供给全面机动性。目前，即使最低真个8 位MCU都具有足够的CPU 带宽，不仅能履行DC-DC 把持，还可以在利用中增加更多功效而几乎不需要增加本钱。MCU 的设计目标是实现全面的解决计划。飞思卡尔供给的MCU 亦声援各种通信尺度，如射频（RF）连接范畴的Zigbee 、有线连接范畴的LIN、CAN 和DMX512 等，这为LED 照明供给了宏大的利用空间。
