基于78K0/Ix2系列MCU的智能照明平臺(tái)

　　本文主要介紹了世強(qiáng)電訊基于瑞薩(Renesas)電子為照明應(yīng)用貼身打造的的高性能78K0/Ix2系列MCU開發(fā)的智能照明平臺(tái)解決方案，該方案在硬件、軟件方面滿足中高端照明產(chǎn)品智能化調(diào)光控制和組網(wǎng)的需求，具有高性能、低成本的優(yōu)勢(shì)。

　　一、照明技術(shù)現(xiàn)狀

　　隨著照明工業(yè)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了越來(lái)越多的照明控制方案，電源的設(shè)計(jì)、燈的驅(qū)動(dòng)電路、安全保護(hù)、管理接口等各方面都變得愈加靈活。目前，照明技術(shù)主要包括主流的熒光燈、LED燈和HID技術(shù)等，其廣泛應(yīng)用使電源驅(qū)動(dòng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)差異非常大，從常見的Flyback、Buck、Boost以及延伸出來(lái)的其他結(jié)構(gòu)都在被大量使用，產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否采用先進(jìn)的數(shù)字節(jié)能控制設(shè)計(jì)，是否支持flyback、Buck、Boost等靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用，研發(fā)周期和投放市場(chǎng)時(shí)間的長(zhǎng)短將決定產(chǎn)品的成敗，然而傳統(tǒng)的照明方案往往是采用專用器件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，難以滿足快速發(fā)展的需求。

　　因此，一個(gè)優(yōu)秀的照明平臺(tái)解決方案無(wú)疑需要支持靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用，并滿足DALI、DMX512、0-10V、無(wú)線、紅外等當(dāng)今主流照明控制方案的調(diào)光、組網(wǎng)需求，針對(duì)這種狀況，世強(qiáng)電訊開發(fā)了以瑞薩(Renesas)電子78K0/Ix2系列MCU為核心的智能照明平臺(tái)解決方案，外加豐富的參考設(shè)計(jì)，在硬件電路和軟件開發(fā)為照明廠商多樣化的照明設(shè)計(jì)方案提供有效的指導(dǎo)，幫助廠商更高效地開發(fā)擁有自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的照明系統(tǒng)。

　　二、 78K0/Ix2系列MCU介紹

　　78K0/Ix2系列MCU是瑞薩(Renesas)電子面向照明應(yīng)用領(lǐng)域精心設(shè)計(jì)的高性能8位MCU，如圖1，該系列MCU定位于用于滿足目前照明市場(chǎng)高分辨率調(diào)光控制、異常檢出保護(hù)、智能化節(jié)能控制等熱門需求，依靠單MCU實(shí)現(xiàn)低成本、高性能的綠色節(jié)能照明系統(tǒng)。

　　圖1-78K0/Ix2系列MCU設(shè)計(jì)理念

　　78K0/Ix2系列MCU內(nèi)置豐富的硬件資源，為靈活的照明電源驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和調(diào)光控制提供了優(yōu)秀的硬件支持。具體表現(xiàn)在：

　　1.16 bit PWM計(jì)時(shí)器最大計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率40MHz，輸出和比較器連動(dòng)，進(jìn)行PFC 控制，帶2路死區(qū)時(shí)間控制的PWM輸出，適合驅(qū)動(dòng)半橋/全橋電路，實(shí)現(xiàn)變頻控制;

　　2.內(nèi)置運(yùn)放、多路高速10bit A/D和比較器等模擬電路，簡(jiǎn)化了外圍電路;

　　3. 定時(shí)器能觸發(fā)A/D采樣，捕捉合適的信號(hào)有用點(diǎn);

　　4.比較器/外部中斷能實(shí)現(xiàn)硬件的禁止輸出功能，反應(yīng)快速，保證安全;

　　5. 定時(shí)器遙控接口和UART功能，面向紅外和無(wú)線遙控的應(yīng)用，有DALI總線接口的通訊模塊，適用于智能照明控制;

　　6. 多個(gè)保護(hù)模塊：窗口型看門狗、時(shí)鐘監(jiān)控、低壓報(bào)警等，工作可靠。

　　三、世強(qiáng)智能照明平臺(tái)方案

　　世強(qiáng)電訊開發(fā)的智能照明平臺(tái)解決方案主要基于78K0/Ix2系列MCU上述豐富的硬件功能資源為核心，定位于照明產(chǎn)品高性能、低成本的設(shè)計(jì)目標(biāo)，在LED照明、熒光燈、HID照明等領(lǐng)域?yàn)榭蛻籼峁┒喾N靈活的參考設(shè)計(jì)。

　　圖2是LED驅(qū)動(dòng)控制應(yīng)用的參考方案，在該方案中，只需利用比較器、PWM輸出連動(dòng)功能，就能夠獨(dú)立進(jìn)行3路恒流控制;通過(guò)改變內(nèi)部參考電壓或PWM輸出設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)調(diào)光;并且MCU支持各種傳感器和DALI、DMX512、模擬量輸入等多種通信接口，可根據(jù)外部環(huán)境選擇合適的通訊控制方案，實(shí)現(xiàn)最佳控制。

　　圖2-78K0/Ix2 LED驅(qū)動(dòng)控制

　　下面就Flyback電路舉例說(shuō)明通過(guò)比較器進(jìn)行恒流控制的過(guò)程。

　　圖3-Flyback電路恒流控制

　　對(duì)于開關(guān)電源，PWM占空比決定輸出電壓，如圖3，電路開始工作后，LED電流經(jīng)采樣后加到MCU內(nèi)置比較器端口，和參考值進(jìn)行比較，產(chǎn)生中斷信號(hào)，來(lái)調(diào)整PWM的占空比，其變化過(guò)程見圖4，如當(dāng)電流大于參考值時(shí)，降低占空比;反之，提高占空比，最終達(dá)到一個(gè)負(fù)載電流動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)。

　　對(duì)于調(diào)光，78K0/Ix2系列MCU有多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)改變比較器參考電壓或者利用定時(shí)器TMH1和PWM輸出連動(dòng)功能，另外，世強(qiáng)電訊的方案也可以利用該款MCU強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理運(yùn)算能力，通過(guò)ADC功能和嵌入的算法控制來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流控制，同時(shí)為MCU功能擴(kuò)展提供了充足資源。

　　圖4-恒流控制原理

　　圖5是世強(qiáng)電訊嵌入DALI協(xié)議的智能照明平臺(tái)方案，該方案利用MCU內(nèi)置DALI總線接口的通訊模塊，利用單個(gè)MCU完成燈具調(diào)光、組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)高性能的DALI綠色節(jié)能照明系統(tǒng)，目前已經(jīng)作為國(guó)內(nèi)某大型照明廠商的參考設(shè)計(jì)。DALI從機(jī)系統(tǒng)主要分為通訊模塊和LED驅(qū)動(dòng)控制模塊兩部分，外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。

　　圖5-DALI從機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　采用BOOST電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸入電壓經(jīng)過(guò)升壓后直接驅(qū)動(dòng)LED燈;負(fù)載電流采樣，通過(guò)嵌入算法實(shí)現(xiàn)恒流控制; MCU內(nèi)置DALI通訊接口，通過(guò)總線和DALI 主機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)和主機(jī)的相互通訊，完成上位機(jī)發(fā)出的操作控制指令;燈具溫度、光照度傳感器信號(hào)加到MCU端口，實(shí)現(xiàn)異常檢測(cè)保護(hù)。

　　四、總結(jié)

　　以上，世強(qiáng)電訊基于78K0/Ix2系列MCU的智能照明平臺(tái)解決方案具有以下特點(diǎn)：

　　1、高性能：MCU內(nèi)置ADC、比較器、數(shù)字運(yùn)算放大器等豐富的硬件資源可以支持BUCK、BOOST、FLYBACK等多種靈活的電源驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，嵌入DALI、DMX512等照明控制協(xié)議，即可實(shí)現(xiàn)照明燈具調(diào)光、組網(wǎng)的目的。同時(shí)，該方案還具有過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫等異常檢出保護(hù)功能，產(chǎn)品安全性、可靠性更高;

　　2、低成本：由圖3、圖5可以看出世強(qiáng)電訊智能照明平臺(tái)方案電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便快捷，單MCU附加簡(jiǎn)單的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)智能化控制，目前眾多的ASIC設(shè)計(jì)方案，除了需要一顆MCU實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光和通訊外，還需專用LED驅(qū)動(dòng)芯片，在較大功率應(yīng)用中，往往還需要外置的MOSFET，所以在成本方面與目前眾多的ASIC方案對(duì)比如下：