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利用超低功耗微控制器实现智能LED照明控制

作者:  来源:中国电子商情

发布时间:2015-04-22

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我们每年的照明用电达到2200兆瓦小时(TWh),这几乎占到全世界能耗总量的五分之一。如果我们不采用更高能效的技术并制定相应的节能方案,则这一数据还将增长80%(国际能源署引用派克研究公司综合报告)。今天的一些现有技术,特别是LED和数字照明控制可以轻松地实现这种节能过渡,并同时提高用户对照明系统的满意度。
 
高能效便携式产品的发展趋势特别重要。今天,诸如手电等便携式照明系统均使用一次性电池供电,对这些电池的处理必须遵守严格的环保规定。使用LED的一些应用会要求使用高效的数字功率级以最大化电池使用寿命,从而缓解环境问题。另外,亮度调节支持电容触摸技术的使用增强了用户体验,从而给产品带来差异化和附加值。
 
本文举例介绍了一种适用于便携式应用的高效数字功率级拓扑设计,它要求多个LED串(白光或者RGB),并通过TI的超低功耗微控制器利用电容触摸技术实现亮度调节。
 
采用LED将会极大地降低功耗、营运成本,并可减少电池供电型便携式产品存在的环境问题。但是,从设计工程师的角度来看,LED并非是简单器件。它们具有众多操作特性,其具体取决于制造工艺、温度和封装。如果设计不当,它们会被烧坏,从而极大地缩短产品寿命。我们往往会为不同的应用做不同的设计,这意味着LED有着各种各样的额定功率、尺寸、配置、白光亮暗级别和RGB颜色。另外,广大开发者还必须面对的一个挑战是:设计一种能够对今天的LED进行控制并支持更多额外特征的高效、灵活的功率级拓扑,如电容触摸等。利用可编程架构,例如:TI的超低功耗MSP430微控制器,开发人员可以通过为下一代基于LED便携式产品提供更高的灵活度和更大的工艺余量,解决各种设计问题。
 
数字控制
在数控电源中,微控制器通过产生驱动功率级的PWM信号并利用模数转换器(ADC)对其输出采样,来实现对功率级的直接控制。由于PWM信号由运行于微控制器上的软件产生,因此设计人员可以极为灵活地对众多功能进行控制。
 
在便携式LED系统中引入数字功率控制要求使用一种新的拓扑,设计人员必须考虑到最大化的电池利用和整体设计的复杂度问题。如图1所示,一个升压/降压转换器(本例中为SEPIC转换器)通过一个与每个LED串串联的MOSFET同多个LED串串联。每个LED串的MOSFET导通情况控制通过所有LED串的平均电流。由于LED亮度与LED电流成比例关系,因此每个LED串的MOSFET的占空比控制该串的亮度。
 
尽管这种设计使用了一个SEPIC转换器用于提高效率,但它却带来了众多的问题。首先,这种设计要求使用昂贵的匹配LED,目的是确保每个LED串的颜色品质之间没有明显的差异。其次,它把LED串规定为相同的长度。再次,随着LED串数量的增加,PWM生成需要更多的计时器,在要求使用电容式触摸技术实现亮度调节的情况下它会给设计人员带来束缚。最后,这种拓扑结构灵活度较低,并且无法带来更长的电池使用寿命。很明显,正如我们下一小节即将讲到的一样,我们必须使用一种更加高效的方法来为便携式LED型系统设计功率级拓扑,另外,它还要支持在单一超低功耗微控制器中使用电容式触摸技术来实现亮度调节。

图1 一个MOSFET与每个LED串串联,让一个升压/降压转换器(SEPIC)同多个LED串串联
 
MSP430F51x2微控制器的低功耗,以及其能够产生驱动各种DC/DC功率拓扑的脉宽调制(PWM)信号的优异高精度Timer_D模块,让它成为电池供电型LED应用的一种理想选择。其它8位、16位甚至32位微控制器通常会让计时器工作在数十MHz范围内,相比之下,MSP430F51x2 Timer_D模块拥有最大256MHz的工作频率,从而拥有更大的灵活性和性能。由于选择正确的DC/DC 功率拓扑非常重要,因此MSP430F51x2微控制器具有满足这种需求所必需的一些特性。
 
一种高效LED串DC/DC电源的设计方法是把它分解成两级。第一级包括一个降压/升压转换器,一般为一个SEPIC转换器,目的是设置和维持第二级的最佳工作电压。在第二级,一个升压DC/DC转换器驱动LED串(白光或者RBG)。
 
这种方法的主要优点是,它可以最大化电池的功效。如果系统设计要求改变,则数控还可以提供较大的设计灵活性。例如,我们可能会省略图1中的SEPIC级,以满足不要求进行大量电路再设计情况下的预算限制。
 
对于白光LED串而言,尽管多灯具产品时多个白光LED串可能会得到单独驱动,但可能的情况是电源驱动一个单LED串。在单个LED串的情况下,我们可以用微控制器资源来实现亮度控制的电容式触摸按钮和滚动条。一个Timer_D模块可用于驱动白光LED串,而另一个Timer_D模块可用于电容式触摸。Timer_A可用于驱动SEPIC降压/升压转换器。图2显示了这种配置结构。

图2 驱动白光LED串功率级拓扑和支持电容式触摸亮度调节的MSP430F51x2器件
 
RGB LED带来的设计复杂性是如何准确地实现混色,并且三种颜色(红、绿和蓝)中的每一种都要求其自有PWM信号。MSP430F51x2微控制器的两个Timer_D模块都非常适合于这种用途。一般而言,需要50~300KHz来控制每个RBG串的升压。Timer_D的优点是能够提供优异的PWM分辨率,因为它可以产生高达64MHz的时钟频率,并且仅有8MHz时钟频率为输入。这种高开关频率可以轻松地适应640步进的100 KHz PWM周期,这对大多数8位和16位微控制器而言都是一个非常大的范围。支持这种高开关频率的能力也降低了总系统成本,因为这种设计可以使用低成本的电感器和电容器(参见图3)。这种结构中,Timer_D模块可以驱动RGB LED和SEPIC级,而Timer_A资源则可以用于实现电容式触摸滚动条或者按钮。

图3 驱动RGB LED串功率级拓扑并支持电容式触摸亮度调节的MSP430F51x2器件
 
当要求使用电容式触摸技术实现亮度调节时,对于高级微控制器功能的需求便极大增加。基本上而言,通过建立一个开放式电容结构,允许电场从材料漏出来,便可创建起触摸灵敏度传感器。对导电外物引起的电场中断进行测量,并与已知基准电容进行对比。某个导电外物进入电场后,引起电容增加。通过把电容增加效果与无外物时的基准电容进行对比,便可检测出触摸事件。传感器的灵敏度基于传感器设计以及PCB的材料和厚度。

图4 起到传感器作用的开路电容
 
由于使用了集成比较器,MSP430F51x2微控制器适应电容式触摸技术的方式与其它MSP430器件类似。另外,它的特点还包括Timer_D高精度计时器,它的脉宽捕捉时间可以短至数纳秒,用于实现比其它解决方案更高的灵敏度和更短的扫描时间。
 
由于LED为电流控制器件,因此可以通过监测流过分流电阻(参见图2)的电流然后相应地驱动升压DC/DC转换器来实现亮度调节。
 
我们可以在LED的正向电流vs光通量曲线中找到实现准确亮度调节所必需的数据设置,其表明电流上升时光输出也随之非线性上升。
 
只是改变LED的正向电流并非为最佳方法,因为当正向电流改变时大多数LED都改变颜色。更好的解决方案是,利用LED的瞬时开启和关闭能力。这种特性让设计人员可以通过让LED产生人眼无法察觉的脉冲电流,从而降低光强度。换句话说,精确地改变LED开启的时间(但正向电流保持不变)可以改变器件的有效亮度。LED的平均电流和相应光输出改变,但LED的正向电流保持不变。
 
数控可以让脉冲电流亮度调节控制变得十分简单,因为LED电流是通过控制功率级的PWM信号来实现的软件控制方法。通过在软件中实现一个计数器来创建一个脉冲电流,当要求亮度调节点达到时它会即时关闭PWM。该计数器会继续计数,并让PWM回复开启状态,以实现理想亮度调节设置所要求的平均光通量。
 
利用MSP430F51x2器件,开发人员可以通过下载MSP产品系列电容式触摸感应库,利用一个滑动条或者滑轮作为人机界面器件,实现电容式触摸亮度调节。该库利用MSP430F51x2器件具有的高精度计时器,缩短开发时间。
 
在便携式LED智能照明中,尽管高精度Timer_D外围器件驱动数字功率级拓扑并提供电容式触摸支持,但TI的整套MSP产品系列可为其它智能照明应用提供许多低功耗解决方案。例如,工业和商业建筑正迅速部署有人感应和环境传感器来控制智能光源,让房间/办公室灯光变暗或者完全关闭。另一种是安装一个如DALI(数字可寻址照明接口)等照明通信栈,以将一个智能光源连接到建筑能源管理系统。传感器和照明系统超低功耗微控制器无线系统同样也是充满前景的应用。总的来说,利用TI的MSP微控制器产品组合,在进一步降低世界照明能耗方面,这些智能照明应用的采用和部署还有很长的路要走。
 
电池供电型LED智能照明应用中MSP430F51x2微控制器的好处包括:
l       两个高精度Timer_D模块
Ø  帮助生成便携式DC/DC功率拓扑的高精度PWM
Ø  支持高扫描速率,不牺牲电容式触摸灵敏度
l       亮度调节电容式触摸
l       每个单独RGB串使用单独的DC/DC功率级,实现精确颜色匹配
l       基于老化曲线、外部环境光传感器和使用情况的自适应光通量(亮度)
l       支持各种通信协议,例如:UART, SPI, IrDA和I2C
l       25 MHz 16位RISC构架,比8位微控制器拥有更好的代码密度、性能和外围集成度
l       5 × 5 mm 40-pin QFN封装和裸芯片,适用于超薄便携式产品
l       超低功耗和灵活的工作模式:180 µA/MHz主动模式、1.1 µA待机模式(LPM3监视时钟模式)、0.9 µA关闭模式、0.25 µA关机模式。

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