利用單芯片MCU提高照明系統(tǒng)能源效率

   在住宅用電中，照明用電占有相當(dāng)大的比重。以家庭 用電為例，空調(diào)、冰箱、熱水器等用電大戶一直是大家關(guān)注 的焦點(diǎn)，而天天都在使用的照明反倒被認(rèn)為是“小兒科” 了。其實(shí)，每一張電費(fèi)賬單中都要為照明用電支付1／6的 費(fèi)用。如何在中國(guó)推廣節(jié)能的照明產(chǎn)品，提高照明系統(tǒng)的 能源效率，降低照明用電量，已經(jīng)成為擺在中國(guó)工程界面 前的最大挑戰(zhàn)，這使工程師們必須考慮采用節(jié)能器件來(lái)設(shè) 計(jì)自己的產(chǎn)品。

1 數(shù)控電子鎮(zhèn)流器應(yīng)運(yùn)而生
    在鱗次櫛比的建筑物中，照明系統(tǒng)最普遍的形式是使用各種熒光燈管，以及采用簡(jiǎn)單的感應(yīng)器和啟輝器的鎮(zhèn)流器。據(jù)估算，這種傳統(tǒng)的方式可消耗建筑物用電量的 40％，既低效又浪費(fèi)，而且成本昂貴。新的歐洲和國(guó)際立法要求從2005年開(kāi)始增加效率和停用兩種最低效率的鎮(zhèn)流器。這些法規(guī)將對(duì)鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)者施加新的壓力，迫使他們改善已有設(shè)計(jì)的能效，開(kāi)發(fā)有效的、成本低廉的電子照明鎮(zhèn)流器。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，利用微控制器(MCU) 設(shè)計(jì)電子鎮(zhèn)流器已經(jīng)不是什么稀罕的事情了。MCU為高能效鎮(zhèn)流器的開(kāi)發(fā)提供了理想的低成本解決方案。圖1 是電子照鎮(zhèn)流器的框圖。

    那么，采用電子鎮(zhèn)流器可以得到哪些好處呢?歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn)：電子鎮(zhèn)流器比傳統(tǒng)的磁性鎮(zhèn)流器增加了系統(tǒng)效率，延長(zhǎng)了熒光管的壽命；電子系統(tǒng)為可變亮度調(diào)整增加了控制級(jí)別；數(shù)字控制可實(shí)現(xiàn)大型照明網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制；數(shù)字可尋址照明接口(DALI)協(xié)議使智能建筑物自動(dòng)化和成本經(jīng)濟(jì)的大型照明網(wǎng)絡(luò)控制成為可能。

2 提高能源效率的動(dòng)力
    使用傳統(tǒng)的鎮(zhèn)流器要消耗大量的電能，而且實(shí)現(xiàn)對(duì)單一燈管的亮度控制一直是熒光燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)者面對(duì)的難題。飛思卡爾(Freescale Semiconductor)新型單芯片 MCU HC908LB8的問(wèn)世解決了這個(gè)問(wèn)題，也使照明系統(tǒng) 能源效率的提高又上了一個(gè)臺(tái)階。
    飛思卡爾的M(268H C908LB8 8位快閃微控制器是一 種高精度的半橋控制器，是專門(mén)為所有需要功率因數(shù)校正(PFC)或高精度脈寬調(diào)制(PWM)發(fā)生器(HRP)設(shè)計(jì)的。其高集成度的特點(diǎn)使之能簡(jiǎn)化整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也使其成為需要PFC及高精度PWM控制功能應(yīng)用的優(yōu)選方案。它可應(yīng)用于單片智能型熒光燈照明系統(tǒng)，也可用于車(chē)燈控制、高強(qiáng)度放電照明系統(tǒng)，以及電動(dòng)機(jī)控制。
    由于HC908LB8內(nèi)集成了高精度PWMHRP模塊，可以連續(xù)控制燈管的亮度變化，從而可實(shí)現(xiàn)熒光燈照明系統(tǒng)的暗光控制。它還支持?jǐn)?shù)字DALI協(xié)議，從而為大型照明系統(tǒng)提供了智能化功能。例如，設(shè)計(jì)者可對(duì)基于DALI的照明系統(tǒng)進(jìn)行編程，使靠近窗戶的照明光線關(guān)閉或調(diào)暗，從而充分利用自然光線。圖2是MC268HC908LB8的框圖。

    MC68HC908LB8采用標(biāo)準(zhǔn)的5 V電壓供電，內(nèi)部總 線工作頻率為8 MHz，采用20引腳PDIP和SOIC封裝。 其可微調(diào)的內(nèi)部RC振蕩器在16 MHz運(yùn)行時(shí)，可用作 CPU總線時(shí)鐘(4 MHz)的基礎(chǔ)，節(jié)省了外部元件成本。 設(shè)計(jì)者也能利用諸如外部RC或晶體振蕩器等的時(shí)鐘運(yùn)行器件。其定時(shí)器接口模塊具有執(zhí)行輸入捕獲的能力，輸出比較或脈寬調(diào)制具有低至125 ns的定時(shí)精度。
    另外，MC68HC908LB8還包括一個(gè)帶有理想驅(qū)動(dòng)半橋的互補(bǔ)輸出對(duì)的HRP模塊?？删幊痰目蛰d時(shí)間插入和短路預(yù)防功能可保證最高的效率。當(dāng)HRP執(zhí)行定時(shí)頻率或工作周期抖動(dòng)時(shí)，定時(shí)精度可減少到3．9 ns。如果 發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題，故障輸入安全特性可產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，進(jìn)行迅速關(guān)機(jī)。它可對(duì)大多數(shù)參數(shù)自動(dòng)計(jì)算，因而容易使用。
    MC68HC2908LB8有一個(gè)2通道PWM模塊，具有故障輸入檢測(cè)和中斷功能。當(dāng)PWM與運(yùn)算放大器／比較器模塊一起使用時(shí)，該單元可實(shí)現(xiàn)低成本的PFC，為主要的功率應(yīng)用提供一種理想的集成解決方案。
    安全特性是MC68HC908LB8的另一個(gè)特色，包括完全計(jì)算機(jī)運(yùn)行(COP)和低電壓抑制(LVI)，加上從一40～ +125℃的溫度范圍，為惡劣的應(yīng)用環(huán)境提供了一個(gè)強(qiáng)大的解決方案。
    HC908LB8基于飛思卡爾HC08 CPU內(nèi)核，內(nèi)部總 線頻率為8MHz，軟件精度為±2％。其主要特點(diǎn)包括：
    ◇8KB閃存，128B RAM；
    ◇高精度PWM HRP；
    ◇功率因數(shù)校正；
    ◇7通道、8位ADC；
    ◇1個(gè)帶有中斷功能的16位定時(shí)器；
    ◇帶有抗噪的低電壓抑制技術(shù)和確保軟件安全的計(jì) 算操作；
    ◇時(shí)鐘模塊可選擇RC振蕩電路、內(nèi)部晶振和外部 晶振；
    ◇最多可有18個(gè)I／0接口(多路復(fù)用的外圍接口)；
    ◇7個(gè)I／0可用于鍵盤(pán)中斷；
    ◇大電流控制邏輯I／O(sink／source)，典型值為10 mA；
    ◇多種電氣安全特性。
    值得一提的是，在有效的主電源供電應(yīng)用中，作為關(guān)鍵要求的PFC可將輸入電流轉(zhuǎn)化為一個(gè)與輸入電壓保持同相的正弦波，從而提高效率、降低信號(hào)失真、降低運(yùn)行成本和噪音。HC908LB8帶有成本經(jīng)濟(jì)的PFC功能，為主電源供電應(yīng)用提供了理想的集成方案。

3 節(jié)約成本，加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)
    在典型的鎮(zhèn)流器應(yīng)用中，使用HC908LB8可將分立數(shù)字系統(tǒng)元件的數(shù)量減少50％。除了能節(jié)省空間，還可縮少PCB尺寸和降低生產(chǎn)成本，并有助于降低管理成本。
    為了演示該器件的各種特點(diǎn)，飛思卡爾將通過(guò)提供價(jià)格適當(dāng)?shù)拈_(kāi)發(fā)硬件(評(píng)估板和演示板)、免費(fèi)的參考設(shè)計(jì)、應(yīng)用指南、在線教程、配套軟件、系統(tǒng)框圖和材料清單，幫助設(shè)計(jì)者加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)程。系統(tǒng)仿真模塊FSICE- KITLB8 Freescale Complete FSICE是一個(gè)高性能的仿真 工具，包括仿真器、電纜、連接適配器(head adapter)和編 程適配器。另外，設(shè)計(jì)者還能得到第三方的支持，如 Metrowerks公司提供的Code Warrior IDE特別版。高度 集成的免費(fèi)工具包括：編輯器、C編譯程序、調(diào)試程序、模擬器和Processor Expert代碼生成工具。
    該參考設(shè)計(jì)為兩個(gè)并行連接的熒光燈提供了具有 PFC功能的完整數(shù)字減光型鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)，可以滿足能源保護(hù)及其相關(guān)立法對(duì)高效照明鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)的需求；同時(shí)，為能源保護(hù)和智能建筑物自動(dòng)化所推動(dòng)的控制照明網(wǎng)絡(luò)的DALI標(biāo)準(zhǔn)，尤其是熒光鎮(zhèn)流器的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。目前，全球主要照明制造商都承諾支持DALI接口，以實(shí)現(xiàn)低成本控制的大型照明網(wǎng)絡(luò)。該參考設(shè)計(jì)為用戶示范了
如何在主從配置中利用飛思卡爾的68HC908KX8與簡(jiǎn)單的協(xié)議進(jìn)行通信。圖3是演示板的照片。

    新的參考設(shè)計(jì)可以大幅度改善鎮(zhèn)流器的能效、減少系統(tǒng)復(fù)雜度，降低成本，并滿足日益苛刻的能效要求。與目前市場(chǎng)上的傳統(tǒng)技術(shù)相比，該解決方案可幫助設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)出具有更高能效和成本低廉的電子鎮(zhèn)流器。
    總之，使用MC68HC908LB8的好處包括這樣幾個(gè)方面：利用PFC減少功率損耗和失真；利用高精度PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)精確控制；高度的集成可減少系統(tǒng)尺寸和成本；滿足熒光照明系統(tǒng)鎮(zhèn)流器的能量效率要求。