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保持恒定的驅(qū)動(dòng)電流。此外HB-LED 的正向電壓VF 會隨周圍環(huán)境溫度的變化而變化,，因此需要閉環(huán)控制來補(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)方法來驅(qū)動(dòng)HB-LED,。開關(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，開關(guān)調(diào)節(jié)器會通過電源電壓斬波來進(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)行很簡單，只需使用一個(gè)功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）充當(dāng)開關(guān)來斷開電源和用電設(shè)備之間的電流,。MOSFET 由脈寬調(diào)制（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）。開關(guān)調(diào)節(jié)器可以通過調(diào)節(jié)斬波頻率或其占空比來控制設(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)，切斷電流會產(chǎn)生較大的電流尖峰,，而這可能會影響系統(tǒng)的電磁干擾（EMI）性能,。

圖1：直接斬波拓?fù)?/p>

　　如果不要讓設(shè)備上的電流被切斷，則必須使用能源存儲設(shè)備來確保當(dāng)電源被切斷時(shí),，電流亦不會被立刻切斷,。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，繼續(xù)為設(shè)備供電,。這種拓?fù)浞Q為buck 變換器（buck converter）,。圖2 是常見buck 變換器的示意圖。

Buck變換器拓?fù)? border="0" height="130" hspace="0" src="http://files.chinaaet.com/images/4894937125971.jpg" style="letter-spacing: normal" width="301" />

圖2：Buck變換器拓?fù)?/p>

　　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,，電流流經(jīng)二極管持續(xù)提供給設(shè)備,。電感中存儲的電能逐漸減少，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空間，滿足電源關(guān)閉期間（SW1 打開）的設(shè)備電源要求,。對于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,，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)路會減少占空比D 來驅(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MCU 中的專用控制寄存器啟動(dòng),。

　　MC9RS08KA2系統(tǒng)

　　對于普通的 HB-LED 應(yīng)用,，MCU 控制系統(tǒng)的反饋回路。它測量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HB-LED 應(yīng)用來說也已經(jīng)足夠了,。

　　圖4 是基于MC9RS08KA2 的簡單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 的正向電流是通過電阻器RSENSE 測量的,。KA2 收集電壓測量VSENSE 值，并與簡易電位計(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)簡易電位計(jì)定義。VREF 的變化是通過改變電位計(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R3的附加電流會降低參考電壓。隨著VREF 的降低,，HB-LED 正向電流會相應(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。

　　無論VIN 的變化是否反應(yīng)到MCU VDD 上,，通過對比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，會影響整體PWM輸出周期的長短,。PWM輸出周期長短應(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,，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

　　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),，如射頻連接領(lǐng)域的Zigebee、有線連接領(lǐng)域的LIN,、CAN 和DMX512 等,，這為LED 照明提供了巨大的應(yīng)用空間。