基于MC9RS08KA2的高亮度LED應(yīng)用及電路

????????Buck變換器

??????? Buck 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(shí)。如圖2 所示，當(dāng)電源開關(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(shè)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(dāng)電源開關(guān)斷開時(shí)，電感中保存的電能釋放出來(lái)，電流流經(jīng)二極管持續(xù)提供給設(shè)備。電感中存儲(chǔ)的電能逐漸減少，設(shè)備電流亦開始下降。Buck 變換器的主要電能存儲(chǔ)設(shè)備是電感。電感的設(shè)計(jì)必須確保有足夠的電能存儲(chǔ)空間，滿足電源關(guān)閉期間（SW1 打開）的設(shè)備電源要求。對(duì)于HB-LED 應(yīng)用，HB-LED 需在恒定電流下工作，buck 變換器亦被認(rèn)為只在連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)（continuous conduction mode ) 下運(yùn)行。

????????感應(yīng)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(shí)，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(jì)算：

??????? 其中tON 是SW1 閉合的時(shí)間。VOUT 是設(shè)備RL上的電壓。同樣，處于斷流狀態(tài)時(shí)，電感電流在SW1 打開期間下降，電流的最大變化可以使用以下公式計(jì)算：

??????? 其中tOFF 是SW1 打開的時(shí)間。VD 表示二極管上的電壓。假設(shè)tON 與tOFF 之和是開關(guān)時(shí)間的總長(zhǎng)短T，那么tON 亦可以計(jì)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(yuǎn)小于1。

公式（1）和（2）定義了輸出負(fù)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(biāo)輸出電壓VOUT，則可以通過(guò)公式（1）和（3）計(jì)算出所需的電感值。

閉環(huán)控制

???????? 使用 buck 變換器驅(qū)動(dòng)HB-LED 時(shí)，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(guò)改變電源開關(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(yīng)器來(lái)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(jìn)行比較。VREF 是預(yù)先定義的，而對(duì)應(yīng)于所需的目標(biāo)負(fù)載電流。如果電流感應(yīng)器電壓高于參考電壓，則表示負(fù)載電流高于目標(biāo)電流。反饋環(huán)路會(huì)減少占空比D 來(lái)驅(qū)動(dòng)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(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(wěn)定，比如在利用電池為系統(tǒng)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(dú)立于電源電壓的一個(gè)參考電壓VREF。在所有備有模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（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(dú)立于MCU 的電源電壓VDD，通過(guò)MCU 中的專用控制寄存器啟動(dòng)。

??????? MC9RS08KA2 系統(tǒng)

??????? 對(duì)于普通的 HB-LED 應(yīng)用，MCU 控制系統(tǒng)的反饋回路。它測(cè)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(biāo)水平。因此，MCU 必須至少具有PWM驅(qū)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(yīng)當(dāng)能夠執(zhí)行電壓測(cè)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(duì)于一般的HB-LED 應(yīng)用，可以使用MC68HC908Qxx 系列。它支持8 針腳封裝，并帶有專用的PWM 模塊和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）模塊。對(duì)于成本敏感型應(yīng)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(duì)HB-LED 應(yīng)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(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(shí)需要使用特定的電壓調(diào)節(jié)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(zhuǎn)換器，使MCU 能夠撥動(dòng)電壓高于MCU VDD 的高端開關(guān)SW1。

圖4：基于MC9RS08KA2 的buck變換器系統(tǒng)

??????? HB-LED 的正向電流是通過(guò)電阻器RSENSE 測(cè)量的。KA2 收集電壓測(cè)量VSENSE 值，并與簡(jiǎn)易電位計(jì)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(biāo)值。這時(shí)KA2 會(huì)逐漸降低驅(qū)動(dòng)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(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(qū)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(jì)定義。VREF 的變化是通過(guò)改變電位計(jì)電壓進(jìn)行的。圖4 顯示了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)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(jì)上。當(dāng)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(jì)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VREF 的降低，HB-LED 正向電流會(huì)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(diǎn)來(lái)輸入更多亮度水平。

??????? 電源電壓的補(bǔ)償

??????? 如果應(yīng)用只需一個(gè)亮度水平，就無(wú)需將電位計(jì)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(jìn)行比較。KA2 上有一個(gè)專用控制位可用于啟動(dòng)此電壓參考。當(dāng)該參考啟動(dòng)時(shí)，相應(yīng)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(yīng)到MCU VDD 上，通過(guò)對(duì)比VSENSE 和固定參考點(diǎn)1.24V，MCU 可以調(diào)節(jié)PWM 的占空比，從相應(yīng)地補(bǔ)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)有專用的PWM模塊。在軟件設(shè)計(jì)的主循環(huán)中，可以監(jiān)控來(lái)自RSENSE 的反饋電壓，并產(chǎn)生PWM控制的波形作為SW1 的開關(guān)操作。PWM打開狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)的長(zhǎng)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 開始初始化程序。PWM打開時(shí)間初始化為它的最小值。主控制回路保存兩個(gè)變量：打開時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間變量。這兩個(gè)變量按相反方向調(diào)節(jié)，以便將整體時(shí)間長(zhǎng)短保持在恒定水平。打開時(shí)間和關(guān)閉時(shí)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(zhǎng)短。

圖5：MC9RS08KA2 的軟件控制流程

??????? 任何用以執(zhí)行其它功能（如亮度調(diào)節(jié)）的人機(jī)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(huì)影響整體PWM輸出周期的長(zhǎng)短。PWM輸出周期長(zhǎng)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(gè)CPU 周期。該數(shù)字包括軟件開銷及SW1 打開時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間的總和（也就是可調(diào)節(jié)的占空比）。比如說(shuō)，如果打開時(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(yǔ)

????????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(jì)目標(biāo)是實(shí)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(biāo)準(zhǔn)，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L(zhǎng)ED 照明提供了巨大的應(yīng)用空間。