用于LED照明的新一代MCU

照明技術(shù)的發(fā)展及趨勢

照明發(fā)展歷程

首先，回顧照明技術(shù)的發(fā)展歷史，第一代以白熾燈為代表，優(yōu)點(diǎn)是價格便宜，低溫啟動特性好，但是壽命短、發(fā)光效率低。第二代以熒光燈為代表，壽命較長、發(fā)光效率較高、成本較低，缺點(diǎn)是含重金屬汞、鎮(zhèn)流器/啟輝器功耗大。第三代的代表是高壓氣體光源，優(yōu)點(diǎn)是穿透性強(qiáng)，反射率高，但是，含重金屬汞、顯色性低，并且需要安裝整流器。LED屬于第四代照明設(shè)備，是工作電壓低、安全節(jié)能、維護(hù)費(fèi)用低、壽命長，目前的主要問題是價格較高，發(fā)熱量大，需要指出的是，目前對燈具中金屬汞的回收無廠商對應(yīng)，但LED卻不含汞。

照明市場趨勢

照明在家用/商用電力消費(fèi)中占有很大比重，大約17%，大量的消耗造成資源浪費(fèi)、二氧化碳排放以及全球變暖等問題。因此，在全球范圍內(nèi)，對綠色、節(jié)能的照明系統(tǒng)的需求在逐漸加大，隨著照明源的發(fā)展和改進(jìn)，照明功耗逐步降低，LED的功耗僅為白熾燈的1/8。同時，照明系統(tǒng)采用各類通信、傳感器的智能照明控制系統(tǒng)，提高了應(yīng)用效率。

日本在1998年就開展了 “21世紀(jì)照明”計劃，旨在通過LED技術(shù)使照明的能量效率提高為傳統(tǒng)熒光燈的兩倍。韓國、歐盟、美國也相繼提出了自己的照明規(guī)劃。我國有多項(xiàng)半導(dǎo)體照明相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)即將出臺，財政部正在醞釀半導(dǎo)體照明的相關(guān)扶持政策。政府采購半導(dǎo)體照明示范工程項(xiàng)目的步伐正在加快。

圖1 未來照明革新

現(xiàn)代LED照明對MCU的需求

通用LED照明市場分類大致可分為以下幾種：室內(nèi)照明、商用照明、車用照明、戶外照明、交通信號、娛樂照明、路燈和電子顯示牌，液晶背光等。

隨著照明需求的發(fā)展和節(jié)能減排的深入，未來照明革新可以從分時段控制、環(huán)境亮度傳感器、動作傳感器、熱量管理等角度進(jìn)行技術(shù)革新。

未來照明革新市場潛力巨大，如圖1所示。分時段控制是指在不同時間段有不同的亮度。環(huán)境亮度傳感器可以靈活應(yīng)對燈具所處環(huán)境的亮度，比如天陰的時候天黑的比平常早，那么路燈就會提前打開。動作傳感檢測器是指夜晚的時候如果燈具周圍無人活動時，會調(diào)低亮度，當(dāng)檢測到有人活動時，就會調(diào)高亮度。另外，現(xiàn)代照明需要有多重通信方式，除了無線方式以外，DALI或DMX512等先進(jìn)的照明專用通信協(xié)議使得燈具的管理更加便捷，電力線載波通信（PLC）也是近年來備受關(guān)注的方向。

智能照明的發(fā)展方向

智能照明的發(fā)展方向呈現(xiàn)幾個發(fā)展方向：MCU的集成度提高，所需外設(shè)減少，更加環(huán)保性；LED滿足家庭情景調(diào)光的色彩心情，更加人性化；各種通信協(xié)議，方便調(diào)光系統(tǒng)擴(kuò)展，擴(kuò)展性增強(qiáng)；無線連接方式使照明通信融入智能家庭，實(shí)現(xiàn)集成化。智能家庭的普及，可以促進(jìn)綠色低碳生活、保護(hù)環(huán)境。智能混色調(diào)光，需要支持無線通信的場景照明。而APPLILET HCD工具，可以方便實(shí)現(xiàn)混色調(diào)光的開發(fā)調(diào)試，非常實(shí)用。

圖2 通過比較器進(jìn)行反饋控制

圖3 通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行反饋控制

圖4 LED恒流控制操作流程圖（LED=3通道）

現(xiàn)代LED照明的要求

LED照明的要求包括家用照明和非家用兩種。

家用照明：

（1）更長的工作壽命

（2）成本低、體積小

（3）低功耗、，高效能

（4）兼容現(xiàn)有系統(tǒng)

非家用照明：

（1）低功耗、高效能

（2）多通道 (6條通道或更多)

（3）PFC控制

（4）PLC通信/無線通信

對MCU的需求則表現(xiàn)在如下幾個方面：

•精準(zhǔn)控制電流，延長燈具壽命

•多種保護(hù)功能，保證燈具安全

•高集成度，節(jié)省空間和成本

•靈活且精確的調(diào)光，同等亮度更少能耗。

•同時為多通道提供獨(dú)立的定時器門限輸出功能

•通信方式多樣化，支持 IR/無線/DALI/ DMX512/ PLC/

•較高工作溫度 (85℃~105℃)

•更實(shí)用的評估方案

照明市場的需求

綜合高調(diào)光精度、低成本、節(jié)能和必須帶有應(yīng)急保護(hù)功能，總結(jié)為單芯片MCU實(shí)現(xiàn)低成本和高性能的綠色節(jié)能照明系統(tǒng)。

MCU在LED照明中的應(yīng)用

針對整個照明市場的MCU需求，瑞薩電子推出了對應(yīng)的MCU。

78K0/Ix2

針對照明市場的這些需求，瑞薩電子的78K0/Ix2 MCU產(chǎn)品，很好地解決了這些問題。78K0/Ix2相應(yīng)的特性有很多。78K0/Ix2的PWM輸出周期25ns，具有16位變頻定時器和內(nèi)部40MHz操作時鐘特性，滿足高精度調(diào)光需求。78K0/Ix2無需外圍IC，可由PFC控制IC、變頻控制IC和LED驅(qū)動IC（LED照明），有效降低成本。對應(yīng)緊急狀態(tài)時的定時器高阻輸出，方法是和比較器/外部中斷聯(lián)動。對應(yīng)可在實(shí)現(xiàn) “任何亮度”，實(shí)現(xiàn)降低能源消耗，方法是使用傳感器/通信，而通信又包括DALI、DMX、遙控器和I2C等。照明用ASSP單片機(jī)78K0/Ix2，具有多種內(nèi)存容量和引腳數(shù)可選，對應(yīng)簡單到復(fù)雜的LED照明應(yīng)用。

圖5 照明參考方案

圖6 智能DALI-DMX512 LED情景照明控制

照明用ASSP單片機(jī)78K0/Ix2的特點(diǎn)：

•內(nèi)置高速晶振（CPU最高20MHz ）

•高速4通道16位PWM定時器 (40MHz)

•內(nèi)置片上調(diào)試

•串行通信（UART，I2C，CSI），內(nèi)置DALI（照明用通信）功能

•MCU工作溫度可達(dá)105℃

•可獨(dú)立控制最多4路LED

•可適應(yīng)LED照明器具大量發(fā)熱的使用環(huán)境

•可方便實(shí)現(xiàn)DALI協(xié)議接收/發(fā)送

適用于照明控制的定時器的特性：

•計數(shù)時鐘最快達(dá)到40MHz

•帶死區(qū)時間PWM輸出

•可進(jìn)行全/半橋控制

• 4通道同步輸出

•可與比較器連動進(jìn)行緊急停止的功能

•可配合A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行LED恒流控制

•可用作LED恒流控制的開關(guān)信號或用作調(diào)光亮度控制信號

增強(qiáng)的模擬功能：

•定時器同步A/D轉(zhuǎn)換器

•內(nèi)置1.2V穩(wěn)壓參考

•3通道比較器

•內(nèi)置運(yùn)算放大器，包括PGA 模式 (×4/×8/×16/×32)，獨(dú)立模式 (使用+/ -/輸出引腳)

•可用于LED恒流控制快速響應(yīng)進(jìn)行反饋操作

•可用于檢測來自傳感器的微小信號控制LED燈具亮度

恒流控制

恒流控制有兩種恒流控制的方式。

第一種是通過比較器進(jìn)行反饋控制。使用比較器檢測LED電流，通過改變PWM輸出占空比實(shí)現(xiàn)恒流控制。通過改變比較器內(nèi)置參考電壓可實(shí)現(xiàn)各通道的獨(dú)立調(diào)光（28級），如圖2所示。

第二種是通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行反饋控制，使用A/D轉(zhuǎn)換器檢測LED電流，通過改變PWM輸出占空比實(shí)現(xiàn)恒流控制。通過改變A/D轉(zhuǎn)換的目標(biāo)值實(shí)現(xiàn)各通道的獨(dú)立調(diào)光，如圖3所示。

LED恒流控制操作流程圖如圖4所示，如圖，有3通道的LED需要控制，是A/D轉(zhuǎn)換→PWM輸出的微調(diào)的重復(fù)操作。軟件操作過程是對CH1的反饋電阻電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，微調(diào)輸入到CH1的PWM波占空比，然后對通道2和通道3進(jìn)行同樣操作，重復(fù)上述流程即可。三個通道的A/D轉(zhuǎn)換和檢測調(diào)整的整個周期約為50μs。

圖7 78K0無驅(qū)智能調(diào)光LED燈泡參考板

圖8 78K0/IB2 LED路燈方案

綠色環(huán)保LED照明方案

瑞薩電子的照明參考方案由3部分組成，可通過PC端GUI進(jìn)行調(diào)光控制，PC和通信板通過USB線連接，情景照明板和通信板之間可以由紅外、DALI及DMX512三種方式實(shí)現(xiàn)，在瑞薩電子的照明參考方案中，可以使用AppliletEZ for HCD程序自動生成工具，實(shí)現(xiàn)照明控制程序的涉及、編譯和燒寫。照明參考方案如圖5所示。

78K0/IB2低成本高亮度LED調(diào)光（調(diào)色）控制的優(yōu)點(diǎn)：

• 3通道獨(dú)立恒流控制（高亮度LED）

•調(diào)光控制，調(diào)色控制

•通信模式 (DALI，DMX512，AD輸入)

智能DALI-DMX512 LED情景照明控制如圖6所示。通過比較器內(nèi)部參考電壓/PWM占空比，可進(jìn)行3通道獨(dú)立LED調(diào)光（28級）；通過8位PWM TMH1的同步控制，可進(jìn)一步提高調(diào)光精度。

78K0無驅(qū)智能調(diào)光LED燈泡參考板如圖7所示。普通白熾燈功耗大、且調(diào)光的能效比很低，78K0無驅(qū)智能調(diào)光LED燈泡參考板可以實(shí)現(xiàn)AC220V，不帶 PFC調(diào)整功能；遙控器調(diào)光 (自定義315M RF)；小巧的PCB便于集成。

基于78K0/IB2 LED路燈方案如圖8所示。可實(shí)現(xiàn)AC220V，具有 PFC；驅(qū)動總功率60W；調(diào)光通信接口可采用RS485/PLC接口。

開發(fā)工具

第一步通過器件驅(qū)動自動生成工具(Applilet2)生成器件驅(qū)動。第二步通過Project Manager(PM+)編輯程序（綜合開發(fā)環(huán)境）(源程序管理、編輯、工具管理)。第三步調(diào)試(ID78K0)和仿真通過MINICUBE2(簡易)，IECube等進(jìn)行操作確認(rèn)。另外，對于量產(chǎn)型燒寫工具，除了瑞薩電子自己提供的工具意外，另有第三方工具也可支持。瑞薩電子提供照明參考方案套件，使即使初次接觸MCU，也能迅速上手。

問答選編

問：請問LED照明能否實(shí)現(xiàn)亮度的實(shí)時調(diào)控或是外部光線控制，如何實(shí)現(xiàn)？

答：可以實(shí)現(xiàn)亮度的實(shí)時調(diào)控，外部光線控制可通過增加亮度傳感器來實(shí)現(xiàn)。

問：在實(shí)際操作中，照明設(shè)計應(yīng)該遵循什么原則呢？

答：照明設(shè)計應(yīng)以人為本,但必須首先考慮安全性和實(shí)用性，還有照度要求、安裝方式、維修方式，最后才再結(jié)合人性化的創(chuàng)意，一個好的照明設(shè)計，必定是具備以上的先決條件的。

問：請介紹一下在MCU中如何實(shí)現(xiàn)PFC功能的？

答：目前方案中采用的是升壓型APFC，通過MCU內(nèi)置的比較器和PWM功能實(shí)現(xiàn)PFC，無須外圍IC。

問：關(guān)于LED照明的前景怎么樣？它的發(fā)展驅(qū)勢如何？

答： LED照明發(fā)光效率高、壽命長、節(jié)能環(huán)保、易于實(shí)現(xiàn)智能化控制，是大勢所趨。一旦LED 芯片的價格有所松動，將會被廣泛應(yīng)用于裝飾及家用照明領(lǐng)域。

問：決定LED路燈的工作環(huán)境溫度主要因素有那些?

答：路燈的環(huán)境溫度主要是由LED本身的發(fā)熱和LED等外殼大小以及散熱能力決定的。78K0/Ix2為耐溫為105℃的專用于照明的MCU，因此比通用產(chǎn)品更具耐溫能力更適用于照明行業(yè)。

問：可否對DALI和DMX512兩者進(jìn)行一下比較？

答：DMX傳送速度為250kbps 可控制512個節(jié)點(diǎn)，因此在比較簡單的單點(diǎn)調(diào)光情況下比較適合。DALI傳輸速度為1200bps 傳輸距離為300m，可控制64個單獨(dú)節(jié)點(diǎn)以及16個組，因此合適復(fù)雜的情景調(diào)光模式。

問：78K0/Ix2系列MCU對于調(diào)光有哪些實(shí)現(xiàn)方法？

答：可以利用Timer控制PWM輸出或關(guān)閉實(shí)現(xiàn)調(diào)光，或者調(diào)整比較器或A/D的參考電壓降低LED上通過的電流實(shí)現(xiàn)調(diào)光。

問：請問MCU能否實(shí)現(xiàn)對大功率RGBLED的實(shí)時控制？硬件方面又是如何實(shí)現(xiàn)的？

答：可以實(shí)現(xiàn)RGB調(diào)光的實(shí)施控制，主要還是通過3通道LED的獨(dú)立控制進(jìn)行調(diào)光調(diào)色。硬件方面可以使用Ix3獨(dú)立控制3個通道的RGBLED燈。反饋不是用顏色反饋，而是各個通道RGB LED的電流反饋，通過控制電流來控制亮度，達(dá)到調(diào)色的目的。

問：何種結(jié)構(gòu)能有效的解決從LED到大氣的熱阻？風(fēng)冷水冷和油冷有無實(shí)用可能性？

答：燈具散熱目前主要是通過金屬散熱，也看到有LED采用風(fēng)冷散熱的。

問：現(xiàn)有燈具散熱設(shè)計有什么簡單可靠較好的方法？

答：燈具散熱確實(shí)是個重要問題，主要是在燈具設(shè)計時考慮結(jié)構(gòu)散熱，電路板上的功率器件加裝散熱片，另外選用溫度特性好的器件。瑞薩電子78k0/Ix2系列MCU充分考慮照明應(yīng)用的環(huán)境，溫度范圍-40℃~105℃。

問：78K0/Ix2是專門為照明電路設(shè)計的MCU嗎？可以用于其他的用途嗎？

答：該系列MCU是專為照明控制設(shè)計，側(cè)重于照明控制，但其他控制領(lǐng)域也可使用。

問：78K0是否帶LED恒流驅(qū)動器和光強(qiáng)度傳感器?

答：78K0的恒流控制主要通過定時器輸出和比較器反饋來實(shí)現(xiàn)，通過比較器的LED反饋電流檢測的反轉(zhuǎn)時間點(diǎn)來控制定時器占空比來實(shí)現(xiàn)恒流。此芯片不內(nèi)置光強(qiáng)度傳感器，主要是通過恒流控制使LED達(dá)到穩(wěn)定的發(fā)光。

問：請問混色調(diào)光是多通道控制嗎？有哪些參數(shù)需要檢測？

答：是多通道控制。除了必需的恒流控制和調(diào)光控制之外，在實(shí)際應(yīng)用中還可以通過增加紅綠藍(lán)三色傳感器檢測混色效果，增加溫度傳感器檢測環(huán)境溫度。Ix2有多路10位A/D，可以連接多個傳感器。

問：不通過PWM調(diào)光，用AD監(jiān)控恒流控制時，怎么理解PWM基本恒定？

答：PWM根據(jù)比較器的反饋進(jìn)行占空比調(diào)節(jié)，因此不是恒定的。不同的LED的相同電壓下的電流并不同，由于LED的發(fā)光是由正向電流大小決定的，所以需要用恒流控制而不是恒壓控制來實(shí)現(xiàn)。然后，恒流控制除了比較器反饋之外還可以通過AD檢測來實(shí)現(xiàn)，AD檢測可以實(shí)施進(jìn)行檢測并調(diào)節(jié)電流，但是使用AD的話要需要更多的軟件處理，但是紋波更小。

問：參考DEMO DALI-DMX512 LED的主MCU的工作電流是多少？工作電壓是多少？

答：MCU全速工作功耗大約1mA ~ 2mA，在5V電壓下，如果MCU進(jìn)入STOP模式，功耗可以顯著下降，大約幾μA。