低端8位MCU使高亮度汽车LED控制成为可能

低端8位MCU使高亮度汽车LED控制成为可能

基本控制器的使用降低了汽车显示器、信号及照明电子设备的成本。开关式调整电路在最高效率点亮LED时控制灯的明暗。

近来，LED已经取代低压卤素灯技术，普遍应用于汽车普通照明中。设计工程师们对LED照明的长使用寿命及低工作直流电压这两个优势迅速给予了认可。

另一方面，要想使这些新兴的LED技术得以发展，就需要使用更复杂、更昂贵的汽车电子控制系统。新型超低端8位微控制器(MCU)的出现，使设计工程师能够大幅度降低成本及系统复杂性，使用这种替代照明解决方案才能够有利可图。

由于低端MCU的使用，高亮度LED(HBLED)开发出了许多新的应用，因此能够持续吸引更多的用户。这些新投入使用的HBLED包括：显示器、汽车标志牌、信号灯、移动设备及照明设备。

对HBLED的控制

总的来说，由于LED拥有非线性伏安特性，因此需要进行限流来实现对功耗及光输出这两个重要因素的控制。功耗及光输出都取决于电流，所以驱动HBLED的最理想的电源是恒流源。高亮度LED与标准LED的不同之处在于其输出功率不同。传统的LED的输出功率一般仅限于50mW以下，但HBLED却能够提供1-5W的输出功率。

想要获得恒流源有许多不同的方法，如使用串联电阻器、线性电流源或开关调整器。其中开关调整器的使用是最通用最节能的解决方案。开关调整器切断输入电压，并通过占空周期来控制平均电流，以此实现其对电流的控制——当负载需要更高的负载电流时，电路接通的时间延长，以适负载电流的变化。

开关调整器有四部分功能元件，分别为：功率开关、整流器、串联电感器和电容器(见图1)。

经HBLED的电流是由储存于电感器L内的平均电能产生的。开关闭合时，电感器就会尽可能多地储存能量，流经HBLED的电流会随之增强，直至达到最大限度或者开关断开。接着，当开关断开时，储存于电感器内的能量就会为HBLED提供电流。这股电流会逐渐减弱直至达到最低限度或开关再次闭合(见图2)。

占空周期调节流经HBLED的电流。

调光

电流控制问题得到解决以后，基于MCU之上的HBLED控制器的调光就会变得非常简单。对HBLED实行调光有许多不同的技术，其中一些可能包括专利问题。在任何条件下，调光都是在相同的基础上实现的，即：在HBLED的正常工作电流下完全打开HBLED一段时间，然后完全持续关闭一段时间。以很快的速度周期性地完成该动作(使人眼可以看到)能够给人以HBLED灯光亮度变暗的印象。最常使用的三种技术为：脉宽调制(PWM)、频率调制及位角调制。

在PWM调制中(见下方第一张图)，频率必须是固定的，并且调光等级是由占空周期造成的。频率调制(见中部图)使用的是定宽脉冲的概念，但其频率是不固定的。在指定的一段时间内调光等级与定宽脉冲的数量成正比。位角调制(见底端图)是基于包含亮度值的二进脉冲串之上的。脉冲串内的每一位持续的时间与其重要性成正比。如果最不重要的位b0持续的时间为1，那么位b1持续时间则为2，位b2至b7的持续时间分别为4、8、16、32、64和128。

定频降压DC/DC变换器(见下图)与新近推出的超低端MCU(MC9RS08KA2)共同使用于HBLED的驱动应用中。该器件集所有所需的功能于一体，与数量最小的一批外部元件共同实现降压变换器的功能。

MC9RS08KA2控制PWM功率开关器件，对HBLED电流进行调节。P沟道金属氧化物半导体管(PMOS)的开关是由MCU计时模组控制的，并且频率被设定为30kHZ左右。根据模拟比较器的输出结果(ACMP)，MCU在闭环中调整PWM的占空周期，以保证HBLED驱动电流为恒定。由于P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)被用来作为功率开关，PWM控制信号应在活跃的低极性状态下产生，这意味着如果PWM为低电平，那么功率开关就会闭合。

开关周期是由PWM信号的下降沿产生的。一旦功率开关Q1闭合，电感器就会与电源正端(VDD)相连，流经电感器的电流开始呈线性迅速上升。当PWM信号达到高电平时，功率开关Q1就会断开，此时，电流流经二极管D，来维持电流回路。

电容器Co会过滤经调节的输出，并且为变换器提供回路稳定性。变换器被设计成能够在连续传导模式下进行工作，这意味着电感器电流在新的电流周期开始之前不会降为零。电感器平均电流IL与平均的负载电流Io几乎相等。外部上拉电阻R4确保PMOS管Q1在上电期间处于关闭状态，同时防止在MCU控制系统之前大的涌浪电流流经HBLED。

MC9RS08KA2的特点在于其拥有一个模拟比较器，该模拟比较器能用于确定HBLED电流的大小。反相输入引脚和正相输入引脚分别用于电流检测反馈输入和基准电压输入中。

限流是通过对HBLED正向电流进行控制来实现的，正向电流是影响HBLED性能的一个重要因素，尤其是当HBLED工作正在进行时。所以控制及确保平均电流和峰值电流都处于HBLED规范限定的范围之内是非常重要的。

通过使用一个与HBLED串联的外部电阻就能够将HBLED正向电流转化为电压。电流感应电阻RS两端之间的电压与流经HBLED的电流成正比。该反馈电压通过模拟比较器与一基准相比较。当反馈电压高于基准输入电平时，PMOS开关闭合的时间就会缩短，来限制电感器L内积累的电流量。

相反的，如果反馈电压低于基准电平，那么PMOS开关闭合的时间也会相应地延长，为电感器注入更多的电流量。阈值电平偏高还是偏低是由比较器的磁滞范围确定的。

HBLED的新应用

近来，随着超低端MCU(如MC9RS08KA2)的引入，HBLED市场开发出了许多新的应用。在需要使用“智能车灯”或“色彩混合”(RGB混合)的领域开拓了新的前沿。这些应用包括：公路电子显示屏、移动信息显示板、大型电视荧光屏、更大型液晶显示屏(LCD)背光、电子广告牌、交通信号灯、行人标记、铁路标志牌、航空、建筑照明、专业照明、槽形发光字、轮廓照明、机器视觉、闪光灯、装饰及重点照明灯、工业指示灯及应急照明灯。

Daniel Torres

Freescale Semiconductor公司系统及应用工程师

来源：汽车电子设计