基于MC9RS08KA2的高亮度LED應用方案

發光二級管（LED）技術面世已有大約半個世紀。發光二級管是一種能在電壓出現偏差時發光的半導體設備。由于具有低功率和低電壓運行的特點，該技術很快應用于各種電子設備的狀態指示。LED 技術的使用壽命通常非常長，一般可達10 年，遠遠長于其它傳統照明技術（例如白熾燈管和熒光燈管）。這就使人們非常希望將LED 技術應用到更廣泛的照明應用中。
最近面世的新技術使LED 能夠達到更高的功率水平。LED 能夠達到一瓦特的水平，有些甚至高達5 瓦特，每瓦特能發出18-44 流明（lumen）的光亮。這種LED設備稱為高亮LED（HB-LED）。由于效率方面的明顯改進，HB-LED 正被迅速用于多種照明應用。

下面是這些應用的一些例子：
交通信號燈
平面顯示設備的背景照明裝置
閃光燈
家庭照明

HB-LED 具有非線性I-V 特征，非常類似于二極管，HB-LED 只能在直流電單向輸送到設備時才能點亮，一般稱之為正向電流IF 。通過HB-LED 的壓降則稱為正向電壓VF。要讓HB-LED 實現最高亮度，通過HB-LED 的正向電流必須保持恒定水平。在一般的1W HB-LED 而言，正向電流需保持在大約350mA 的水平，而相應的正向電壓則大約為3.4V，HB-LED 便能達到其最大亮度。

正向電流IF 和正向電壓VF 有著非常緊密的關系，VF 出現小的變化亦會引起IF 發生較大的改變。HB-LED 驅動的理想電源是恒定電源。實際上，恒定電流通常通過閉合回路電流控制直流-直流轉換器（DC-DC converter）來實現。市場上有很多基于獨立模擬組件、成本相對較低的DC-DC 轉換器解決方案。然而，基于微控制器（MCU）的解決方案可為系統設計帶來更大的靈活性。除了普通照明以外，這種控制器還能為最終應用提供足夠的處理功能以支持額外的特性。因此它仍然具有較大的吸引力。

基于MCU 的設計的部分優點如下：
（1） 燈光亮度調節和閃爍可以通過MCU 軟件輕松實現，而無需向系統中增裝其它組件。
（2） 不同功率或不同品牌的HB-LED 具有不同的特征，MCU 可以通過軟件編程以滿足不同的驅動要求。在這種情況下，照明設備制造商可以減少庫存的類型，進而簡化物流處理工作。
（3） 許多MCU 具有芯片閃存，可以用于應用中的數據存儲。例如，在實施燈光亮度控制功能時，芯片閃存可用于保存亮度級別。每次打開燈光時可以自動恢復上一次的亮度級別。
（4） 除照明外，MCU 還可以處理幾種功能，如不同類型的連接標準（如Zigbee、RS232 和LIN 等）亦可以通過MCU 芯片模塊輕松實施。

拓撲

HB-LED 驅動需要恒定電源。它通常需要閉環控制。有時系統采用電池供電，電池電壓會隨時間而不斷下降。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動電流。此外HB-LED 的正向電壓VF 會隨周圍環境溫度的變化而變化，因此需要閉環控制來補償VF 的變化，以便保持正向電流IF 以及HB-LED 亮度的穩定。

人們一般采用轉換模式調節方法而不是直線調節方法來驅動HB-LED。開關調節器有著更高的功能轉換效率及較適合用于數字設計上。

假設電源電壓是高于所需的HB-LED 正向電壓，開關調節器會通過電源電壓斬波來進行整流，控制斬波時的占空比可以控制輸出的平均電流。斬波機制的執行很簡單，只需使用一個功率場效應晶體管（MOSFET）充當開關來斷開電源和用電設備之間的電流。MOSFET 由脈寬調制（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載電流都是恒定的，則不需要任何反饋控制環路（如圖1 所示）。開關調節器可以通過調節斬波頻率或其占空比來控制設備的平均電流。然而有些情況這種拓撲并不適用。如所需設備電流比較大時，切斷電流會產生較大的電流尖峰，而這可能會影響系統的電磁干擾（EMI）性能。

圖1：直接斬波拓撲