發(fā)光二級(jí)管（LED）技術(shù)面世已有大約半個(gè)世紀(jì)。發(fā)光二級(jí)管是一種能在電壓出現(xiàn)偏差時(shí)發(fā)光的半導(dǎo)體器件。由于具有低功率和低電壓運(yùn)行的特點(diǎn)，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(zhǎng)，一般可達(dá)10年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)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(dá)到更高的功率水平。LED能夠達(dá)到一瓦的水平，有些甚至高達(dá)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(jìn)，HB-LED正被迅速用于多種照明應(yīng)用： 　　·交通信號(hào)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(shí)才能點(diǎn)亮，一般稱之為正向電流IF 。通過(guò)HB-LED的壓降則稱為正向電壓VF。要讓HB-LED實(shí)現(xiàn)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(yīng)的正向電壓則大約為3.4V，HB-LED便能達(dá)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(huì)引起IF發(fā)生較大的改變。HB-LED驅(qū)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DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 市場(chǎng)上有很多基于獨(dú)立模擬組件、成本相對(duì)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(jì)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(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(jì)的優(yōu)點(diǎn)如下： 燈光亮度調(diào)節(jié)和閃爍可以通過(guò)MCU軟件輕松實(shí)現(xiàn)，而無(wú)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(guò)軟件編程以滿足不同的驅(qū)動(dòng)要求。在這種情況下，照明設(shè)備制造商可以減少庫(kù)存的類型，進(jìn)而簡(jiǎn)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(chǔ)。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(jí)別。每次打開(kāi)燈光時(shí)可以自動(dòng)恢復(fù)上一次的亮度級(jí)別。 除照明外，MCU還可以處理幾種功能，如不同類型的連接標(biāo)準(zhǔn)（如Zigbee、RS-232和LIN等）亦可以通過(guò)MCU芯片模塊輕松實(shí)施。 拓?fù)?/b> HB-LED驅(qū)動(dòng)需要恒定電源。它通常需要閉環(huán)控制。有時(shí)系統(tǒng)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(qū)動(dòng)電流。此外HB-LED的正向電壓VF會(huì)隨周圍環(huán)境溫度的變化而變化，因此需要閉環(huán)控制來(lái)補(bǔ)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(lái)驅(qū)動(dòng)HB-LED。開(kāi)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(jì)上。 假設(shè)電源電壓是高于所需的HB-LED正向電壓，開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)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(jī)制的執(zhí)行很簡(jiǎn)單，只需使用一個(gè)功率MOSFET充當(dāng)開(kāi)關(guān)來(lái)斷開(kāi)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(fù)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(diào)節(jié)器可以通過(guò)調(diào)節(jié)斬波頻率或其占空比來(lái)控制設(shè)備的平均電流。然而有些情況這種拓?fù)洳⒉贿m用。如所需設(shè)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(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(chǔ)設(shè)備來(lái)確保當(dāng)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(shè)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(xù)為設(shè)備供電。這種拓?fù)浞Q為降壓變換器。圖2是常見(jiàn)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(shí)。如圖2所示，當(dāng)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(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(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(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(kāi)始下降。 降壓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(kāi)）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，降壓變換器亦被認(rèn)為只在連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)下運(yùn)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(kāi)）。 處于通流狀態(tài)時(shí)，電感的電流開(kāi)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(kāi)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(kāi)的時(shí)間。VD表示二極管上的電壓。假設(shè)tON與tOFF之和是開(kāi)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(kāi)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(lái)，降壓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(kāi)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 使用降壓變換器驅(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(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(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(kāi)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(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(kāi)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引腳封裝，并帶有專用的PWM模塊和ADC模塊。對(duì)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(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(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(kāi)關(guān)SW1。

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(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(kāi)關(guān)操作。PWM打開(kāi)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(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(diào)節(jié)，以便將整體時(shí)間長(zhǎng)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(diào)節(jié)的占空比，該值和軟件開(kāi)銷共同定義PWM周期的長(zhǎng)短。

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(kāi)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(kāi)銷及SW1打開(kāi)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(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，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。