用于LED照明的新一代MCU

 

照明技术的发展及趋势

照明发展历程

首先，回顾照明技术的发展历史，第一代以白炽灯为代表，优点是价格便宜，低温启动特性好，但是寿命短、发光效率低。第二代以荧光灯为代表，寿命较长、发光效率较高、成本较低，缺点是含重金属汞、镇流器/启辉器功耗大。第三代的代表是高压气体光源，优点是穿透性强，反射率高，但是，含重金属汞、显色性低，并且需要安装整流器。LED属于第四代照明设备，是工作电压低、安全节能、维护费用低、寿命长，目前的主要问题是价格较高，发热量大，需要指出的是，目前对灯具中金属汞的回收无厂商对应，但LED却不含汞。

照明市场趋势

照明在家用/商用电力消费中占有很大比重，大约17%，大量的消耗造成资源浪费、二氧化碳排放以及全球变暖等问题。因此，在全球范围内，对绿色、节能的照明系统的需求在逐渐加大，随着照明源的发展和改进，照明功耗逐步降低，LED的功耗仅为白炽灯的1/8。同时，照明系统采用各类通信、传感器的智能照明控制系统，提高了应用效率。

日本在1998年就开展了 “21世纪照明”计划，旨在通过LED技术使照明的能量效率提高为传统荧光灯的两倍。韩国、欧盟、美国也相继提出了自己的照明规划。我国有多项半导体照明相关的国家标准、行业标准即将出台，财政部正在酝酿半导体照明的相关扶持政策。政府采购半导体照明示范工程项目的步伐正在加快。

图1 未来照明革新

现代LED照明对MCU的需求

通用LED照明市场分类大致可分为以下几种：室内照明、商用照明、车用照明、户外照明、交通信号、娱乐照明、路灯和电子显示牌，液晶背光等。

随着照明需求的发展和节能减排的深入，未来照明革新可以从分时段控制、环境亮度传感器、动作传感器、热量管理等角度进行技术革新。

未来照明革新市场潜力巨大，如图1所示。分时段控制是指在不同时间段有不同的亮度。环境亮度传感器可以灵活应对灯具所处环境的亮度，比如天阴的时候天黑的比平常早，那么路灯就会提前打开。动作传感检测器是指夜晚的时候如果灯具周围无人活动时，会调低亮度，当检测到有人活动时，就会调高亮度。另外，现代照明需要有多重通信方式，除了无线方式以外，DALI或DMX512等先进的照明专用通信协议使得灯具的管理更加便捷，电力线载波通信（PLC）也是近年来备受关注的方向。

智能照明的发展方向

智能照明的发展方向呈现几个发展方向：MCU的集成度提高，所需外设减少，更加环保性；LED满足家庭情景调光的色彩心情，更加人性化；各种通信协议，方便调光系统扩展，扩展性增强；无线连接方式使照明通信融入智能家庭，实现集成化。智能家庭的普及，可以促进绿色低碳生活、保护环境。智能混色调光，需要支持无线通信的场景照明。而APPLILET HCD工具，可以方便实现混色调光的开发调试，非常实用。

图2 通过比较器进行反馈控制

图3 通过A/D转换器进行反馈控制

图4 LED恒流控制操作流程图（LED=3通道）

现代LED照明的要求

LED照明的要求包括家用照明和非家用两种。

家用照明：

（1）更长的工作寿命

（2）成本低、体积小

（3）低功耗、，高效能

（4）兼容现有系统

非家用照明：

（1）低功耗、高效能

（2）多通道 (6条通道或更多)

（3）PFC控制

（4）PLC通信/无线通信

对MCU的需求则表现在如下几个方面：

•精准控制电流，延长灯具寿命

•多种保护功能，保证灯具安全

•高集成度，节省空间和成本

•灵活且精确的调光，同等亮度更少能耗。

•同时为多通道提供独立的定时器门限输出功能

•通信方式多样化，支持 IR/无线/DALI/ DMX512/ PLC/

•较高工作温度 (85℃~105℃)

•更实用的评估方案

照明市场的需求

综合高调光精度、低成本、节能和必须带有应急保护功能，总结为单芯片MCU实现低成本和高性能的绿色节能照明系统。

MCU在LED照明中的应用

针对整个照明市场的MCU需求，瑞萨电子推出了对应的MCU。

78K0/Ix2

针对照明市场的这些需求，瑞萨电子的78K0/Ix2 MCU产品，很好地解决了这些问题。78K0/Ix2相应的特性有很多。78K0/Ix2的PWM输出周期25ns，具有16位变频定时器和内部40MHz操作时钟特性，满足高精度调光需求。78K0/Ix2无需外围IC，可由PFC控制IC、变频控制IC和LED驱动IC（LED照明），有效降低成本。对应紧急状态时的定时器高阻输出，方法是和比较器/外部中断联动。对应可在实现 “任何亮度”，实现降低能源消耗，方法是使用传感器/通信，而通信又包括DALI、DMX、遥控器和I2C等。照明用ASSP单片机78K0/Ix2，具有多种内存容量和引脚数可选，对应简单到复杂的LED照明应用。

图5 照明参考方案

图6 智能DALI-DMX512 LED情景照明控制

照明用ASSP单片机78K0/Ix2的特点：

•内置高速晶振（CPU最高20MHz ）

•高速4通道16位PWM定时器 (40MHz)

•内置片上调试

•串行通信（UART，I2C，CSI），内置DALI（照明用通信）功能

•MCU工作温度可达105℃

•可独立控制最多4路LED

•可适应LED照明器具大量发热的使用环境

•可方便实现DALI协议接收/发送

适用于照明控制的定时器的特性：

•计数时钟最快达到40MHz

•带死区时间PWM输出

•可进行全/半桥控制

• 4通道同步输出

•可与比较器连动进行紧急停止的功能

•可配合A/D转换器进行LED恒流控制

•可用作LED恒流控制的开关信号或用作调光亮度控制信号

增强的模拟功能：

•定时器同步A/D转换器

•内置1.2V稳压参考

•3通道比较器

•内置运算放大器，包括PGA 模式 (×4/×8/×16/×32)，独立模式 (使用+/ -/输出引脚)

•可用于LED恒流控制快速响应进行反馈操作

•可用于检测来自传感器的微小信号控制LED灯具亮度

恒流控制

恒流控制有两种恒流控制的方式。

第一种是通过比较器进行反馈控制。使用比较器检测LED电流，通过改变PWM输出占空比实现恒流控制。通过改变比较器内置参考电压可实现各通道的独立调光（28级），如图2所示。

第二种是通过A/D转换器进行反馈控制，使用A/D转换器检测LED电流，通过改变PWM输出占空比实现恒流控制。通过改变A/D转换的目标值实现各通道的独立调光，如图3所示。

LED恒流控制操作流程图如图4所示，如图，有3通道的LED需要控制，是A/D转换→PWM输出的微调的重复操作。软件操作过程是对CH1的反馈电阻电压进行A/D转换，微调输入到CH1的PWM波占空比，然后对通道2和通道3进行同样操作，重复上述流程即可。三个通道的A/D转换和检测调整的整个周期约为50μs。

图7 78K0无驱智能调光LED灯泡参考板

图8 78K0/IB2 LED路灯方案

绿色环保LED照明方案

瑞萨电子的照明参考方案由3部分组成，可通过PC端GUI进行调光控制，PC和通信板通过USB线连接，情景照明板和通信板之间可以由红外、DALI及DMX512三种方式实现，在瑞萨电子的照明参考方案中，可以使用AppliletEZ for HCD程序自动生成工具，实现照明控制程序的涉及、编译和烧写。照明参考方案如图5所示。

78K0/IB2低成本高亮度LED调光（调色）控制的优点：

• 3通道独立恒流控制（高亮度LED）

•调光控制，调色控制

•通信模式 (DALI，DMX512，AD输入)

智能DALI-DMX512 LED情景照明控制如图6所示。通过比较器内部参考电压/PWM占空比，可进行3通道独立LED调光（28级）；通过8位PWM TMH1的同步控制，可进一步提高调光精度。

78K0无驱智能调光LED灯泡参考板如图7所示。普通白炽灯功耗大、且调光的能效比很低，78K0无驱智能调光LED灯泡参考板可以实现AC220V，不带 PFC调整功能；遥控器调光 (自定义315M RF)；小巧的PCB便于集成。

基于78K0/IB2 LED路灯方案如图8所示。可实现AC220V，具有 PFC；驱动总功率60W；调光通信接口可采用RS485/PLC接口。

开发工具

第一步通过器件驱动自动生成工具(Applilet2)生成器件驱动。第二步通过Project Manager(PM+)编辑程序（综合开发环境）(源程序管理、编辑、工具管理)。第三步调试(ID78K0)和仿真通过MINICUBE2(简易)，IECube等进行操作确认。另外，对于量产型烧写工具，除了瑞萨电子自己提供的工具意外，另有第三方工具也可支持。瑞萨电子提供照明参考方案套件，使即使初次接触MCU，也能迅速上手。

问答选编

问：请问LED照明能否实现亮度的实时调控或是外部光线控制，如何实现？

答：可以实现亮度的实时调控，外部光线控制可通过增加亮度传感器来实现。

问：在实际操作中，照明设计应该遵循什么原则呢？

答：照明设计应以人为本,但必须首先考虑安全性和实用性，还有照度要求、安装方式、维修方式，最后才再结合人性化的创意，一个好的照明设计，必定是具备以上的先决条件的。

问：请介绍一下在MCU中如何实现PFC功能的？

答：目前方案中采用的是升压型APFC，通过MCU内置的比较器和PWM功能实现PFC，无须外围IC。

问：关于LED照明的前景怎么样？它的发展驱势如何？

答： LED照明发光效率高、寿命长、节能环保、易于实现智能化控制，是大势所趋。一旦LED 芯片的价格有所松动，将会被广泛应用于装饰及家用照明领域。

问：决定LED路灯的工作环境温度主要因素有那些?

答：路灯的环境温度主要是由LED本身的发热和LED等外壳大小以及散热能力决定的。78K0/Ix2为耐温为105℃的专用于照明的MCU，因此比通用产品更具耐温能力更适用于照明行业。

问：可否对DALI和DMX512两者进行一下比较？

答：DMX传送速度为250kbps 可控制512个节点，因此在比较简单的单点调光情况下比较适合。DALI传输速度为1200bps 传输距离为300m，可控制64个单独节点以及16个组，因此合适复杂的情景调光模式。

问：78K0/Ix2系列MCU对于调光有哪些实现方法？

答：可以利用Timer控制PWM输出或关闭实现调光，或者调整比较器或A/D的参考电压降低LED上通过的电流实现调光。

问：请问MCU能否实现对大功率RGBLED的实时控制？硬件方面又是如何实现的？

答：可以实现RGB调光的实施控制，主要还是通过3通道LED的独立控制进行调光调色。硬件方面可以使用Ix3独立控制3个通道的RGBLED灯。反馈不是用颜色反馈，而是各个通道RGB LED的电流反馈，通过控制电流来控制亮度，达到调色的目的。

问：何种结构能有效的解决从LED到大气的热阻？风冷水冷和油冷有无实用可能性？

答：灯具散热目前主要是通过金属散热，也看到有LED采用风冷散热的。

问：现有灯具散热设计有什么简单可靠较好的方法？

答：灯具散热确实是个重要问题，主要是在灯具设计时考虑结构散热，电路板上的功率器件加装散热片，另外选用温度特性好的器件。瑞萨电子78k0/Ix2系列MCU充分考虑照明应用的环境，温度范围-40℃~105℃。

问：78K0/Ix2是专门为照明电路设计的MCU吗？可以用于其他的用途吗？

答：该系列MCU是专为照明控制设计，侧重于照明控制，但其他控制领域也可使用。

问：78K0是否带LED恒流驱动器和光强度传感器?

答：78K0的恒流控制主要通过定时器输出和比较器反馈来实现，通过比较器的LED反馈电流检测的反转时间点来控制定时器占空比来实现恒流。此芯片不内置光强度传感器，主要是通过恒流控制使LED达到稳定的发光。

问：请问混色调光是多通道控制吗？有哪些参数需要检测？

答：是多通道控制。除了必需的恒流控制和调光控制之外，在实际应用中还可以通过增加红绿蓝三色传感器检测混色效果，增加温度传感器检测环境温度。Ix2有多路10位A/D，可以连接多个传感器。

问：不通过PWM调光，用AD监控恒流控制时，怎么理解PWM基本恒定？

答：PWM根据比较器的反馈进行占空比调节，因此不是恒定的。不同的LED的相同电压下的电流并不同，由于LED的发光是由正向电流大小决定的，所以需要用恒流控制而不是恒压控制来实现。然后，恒流控制除了比较器反馈之外还可以通过AD检测来实现，AD检测可以实施进行检测并调节电流，但是使用AD的话要需要更多的软件处理，但是纹波更小。

问：参考DEMO DALI-DMX512 LED的主MCU的工作电流是多少？工作电压是多少？

答：MCU全速工作功耗大约1mA ~ 2mA，在5V电压下，如果MCU进入STOP模式，功耗可以显著下降，大约几μA。