最近面世的新技巧使LED 能夠達(dá)到更高的功率程度。LED 能夠達(dá)到一瓦特的程度，有些甚至高達(dá)5 瓦特，每瓦特能發(fā)出18-44 流明（lumen）的光明。這種LED設(shè)備稱為高亮LED（HB-LED）。由于效率方面的明顯改良，HB-LED 正被敏捷用于多種照明利用。
下面是這些利用的一些例子：
&#8226； 交通信號(hào)燈
&#8226； 平面顯示設(shè)備的背景照明裝置
&#8226； 閃光燈
&#8226； 家庭照明
HB-LED 具有非線性I-V 特點(diǎn)，非常類似于二極管，HB-LED 只能在直流電單向輸送到設(shè)備時(shí)才干點(diǎn)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(shí)現(xiàn)最高亮度，通過HB-LED 的正向電流必需保持恒定程度。在一般的1W HB-LED 而言，正向電流需保持在大約350mA 的程度，而相應(yīng)的正向電壓則大約為3.4V，HB-LED 便能達(dá)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(guān)系，VF 呈現(xiàn)小的變更亦會(huì)引起IF 產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)變。HB-LED 驅(qū)動(dòng)的幻想電源是恒定電源。實(shí)際上，恒定電流通常通過閉合回路電流把持直流-直流轉(zhuǎn)換器（DC-DC converter）來實(shí)現(xiàn)。市場上有很多基于獨(dú)立模仿組件、本錢相對(duì)較低的DC-DC 轉(zhuǎn)換器解決計(jì)劃。然而，基于微把持器（MCU）的解決計(jì)劃可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來更大的機(jī)動(dòng)性。除了普通照明以外，這種把持器還能為終極利用供給足夠的處理功效以支撐額外的特征。因此它仍然具有較大的吸引力。
基于MCU 的設(shè)計(jì)的部分長處如下：
（1） 燈光明度調(diào)節(jié)和閃耀可以通過MCU 軟件輕松實(shí)現(xiàn)，而無需向系統(tǒng)中增裝其它組件。
（2） 不同功率或不同品牌的HB-LED 具有不同的特點(diǎn)，MCU 可以通過軟件編程以滿足不同的驅(qū)動(dòng)請(qǐng)求。在這種情況下，照明設(shè)備制作商可以減少庫存的類型，進(jìn)而簡化物流處理工作。
（3） 很多MCU 具有芯片閃存，可以用于利用中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。例如，在實(shí)行燈光明度把持功效時(shí)，芯片閃存可用于保留亮度級(jí)別。每次打開燈光時(shí)可以主動(dòng)恢復(fù)上一次的亮度級(jí)別。
（4） 除照明外，MCU 還可以處理幾種功效，如不同類型的連接尺度（如Zigbee、RS232 和LIN 等）亦可以通過MCU 芯片模塊輕松實(shí)行。
拓?fù)?/strong>
HB-LED 驅(qū)動(dòng)需要恒定電源。它通常需要閉環(huán)把持。有時(shí)系統(tǒng)采用電池供電，電池電壓會(huì)隨時(shí)間而不斷降落。在電池電量全部用完之前，需要反饋把持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(huì)隨四周環(huán)境溫度的變更而變更，因此需要閉環(huán)把持來補(bǔ)償VF 的變更，以便保持正向電流IF 以及HB-LED 亮度的穩(wěn)固。
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)器有著更高的功效轉(zhuǎn)換效率及較適實(shí)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(huì)通過電源電壓斬波來進(jìn)行整流，把持?jǐn)夭〞r(shí)的占空比可以把持輸出的均勻電流。斬波機(jī)制的履行很簡略，只需應(yīng)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）輸出把持，其中的斬波頻率亦相即是PWM輸出的頻率。
通常情況下，假如電源電壓和所需的負(fù)載電流都是恒定的，則不需要任何反饋把持環(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把持設(shè)備的均勻電流。然而有些情況這種拓?fù)洳⒉粚?shí)用。如所需設(shè)備電流比擬大時(shí)，切斷電流會(huì)產(chǎn)生較大的電流尖峰，而這可能會(huì)影響系統(tǒng)的電磁干擾（EMI）性能。

圖1：直接斬波拓?fù)?/i>

假如不要讓設(shè)備上的電流被切斷，則必需應(yīng)用能源存儲(chǔ)設(shè)備來確保當(dāng)電源被切斷時(shí)，電流亦不會(huì)被立即切斷。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，能量保留在電感中。電源被切斷時(shí)，保留的能源開釋出來，持續(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。

圖2：Buck變換器拓?fù)?/i>

Buck變換器
Buck 變換器只能用于履行降壓把持，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)，輸進(jìn)電壓VIN 連接到電感L 的輸進(jìn)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)，電感中保留的能源不斷增加。當(dāng)電源開關(guān)斷開時(shí)，電感中保留的電能開釋出來，電流流經(jīng)二極管持續(xù)供給應(yīng)設(shè)備。電感中存儲(chǔ)的電能逐漸減少，設(shè)備電流亦開端降落。Buck 變換器的重要電能存儲(chǔ)設(shè)備是電感。電感的設(shè)計(jì)必需確保有足夠的電能存儲(chǔ)空間，滿足電源封閉期間（SW1 打開）的設(shè)備電源請(qǐng)求。對(duì)于HB-LED 利用，HB-LED 需在恒定電流下工作，buck 變換器亦被認(rèn)為只在持續(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)，電感的電流開端直線上升，電流的最大變更可以應(yīng)用下列公式盤算：

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 打開期間降落，電流的最大變更可以應(yīng)用以下公式盤算：

其中tOFF 是SW1 打開的時(shí)間。VD 表現(xiàn)二極管上的電壓。假設(shè)tON 與tOFF 之和是開關(guān)時(shí)間的總是非T，那么tON 亦可以盤算為：

其中D 是閉合時(shí)間的占空比。在幻想情況下，逆向二極管的壓降VD 為零，打開和封閉狀態(tài)之間的電感電流之和是恒定的。如公式（4）所示，我們可以很輕易地推斷出來，buck 變換器的輸出電壓增益即是占空比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。假如定義了可接收的紋波電流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）盤算出所需的電感值。@@@@@@@@@@
閉環(huán)把持
應(yīng)用 buck 變換器驅(qū)動(dòng)HB-LED 時(shí)，系統(tǒng)必需能夠保持恒定的輸出電流。輸出電壓或輸出電流通過轉(zhuǎn)變電源開關(guān)SW1 的占空比直接進(jìn)行把持。非常廣泛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)行比擬。VREF 是預(yù)先定義的，而對(duì)應(yīng)于所需的目標(biāo)負(fù)載電流。假如電流感應(yīng)器電壓高于參考電壓，則表現(xiàn)負(fù)載電流高于目標(biāo)電流。反饋環(huán)路會(huì)減少占空比D 來驅(qū)動(dòng)電源開關(guān)。相反，假如電流感應(yīng)器電壓低于參考電壓，占空比D 則會(huì)增加。圖3 為閉環(huán)把持buck 變換器的示意圖。

圖3：閉環(huán)把持buck變換器

在某些情況下，電源電壓VIN 并不穩(wěn)固，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)恒定程度，就必需應(yīng)用獨(dú)立于電源電壓的一個(gè)參考電壓VREF。在所有備有模仿數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）或模仿比擬器（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 中的專用把持存放器啟動(dòng)。
MC9RS08KA2 系統(tǒng)
對(duì)于普通的 HB-LED 利用，MCU 把持系統(tǒng)的反饋回路。它丈量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)程度。因此，MCU 必需至少具有PWM驅(qū)動(dòng)功效。通常情況下，30KHz -100KHz 的PWM輸出頻率就足夠了。此外，MCU 應(yīng)當(dāng)能夠履行電壓丈量，這是閉環(huán)把持系統(tǒng)必需的。
很多飛思卡爾MCU 都能用于HB-LED 照明利用。對(duì)于一般的HB-LED 利用，可以應(yīng)用MC68HC908Qxx 系列。它支撐8 針腳封裝，并帶有專用的PWM 模塊和模仿數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）模塊。對(duì)于本錢敏感型利用，可以應(yīng)用MC9RS08KA2。它也支撐8 針腳封裝，不帶芯片ADC，但包含模仿比擬器 (ACMP)，這對(duì)HB-LED 利用來說也已經(jīng)足夠了。
圖4 是基于MC9RS08KA2 的簡略buck 變換器系統(tǒng)示意圖。在很多情況下，利用電源電壓VIN 與MCU 的電源電壓（VDD）不同。有時(shí)需要應(yīng)用特定的電壓調(diào)節(jié)器（可以是一個(gè)簡略的接地齊納二極管）將VIN 下降到MCU 把持范疇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 丈量的。KA2 收集電壓丈量VSENSE 值，并與簡易電位計(jì)創(chuàng)立的固定參考電壓VREF 進(jìn)行比擬。假如VSENSE 高于VREF，表現(xiàn)HB-LED 正向電流高于目標(biāo)值。這時(shí)KA2 會(huì)逐漸下降驅(qū)動(dòng)SW1 的占空比，直到VSENSE 下降到參考值以下。相反，當(dāng)VSENSE 低于VREF 時(shí)，占空比會(huì)逐漸增加，直到VSENSE 增加到VREF 以上。
亮度把持
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 的變更是通過轉(zhuǎn)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)通用輸進(jìn)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 作為輸進(jìn)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。假如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(huì)下降參考電壓。隨著VREF 的下降，HB-LED 正向電流會(huì)相應(yīng)地調(diào)節(jié)而轉(zhuǎn)變亮度程度。利用雷同的方法可定義出更多的參考點(diǎn)來輸進(jìn)更多亮度程度。
電源電壓的補(bǔ)償
假如利用只需一個(gè)亮度程度，就無需將電位計(jì)連接到 KA2 模仿比擬器的端子上。KA2 比擬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)行比擬。KA2 上有一個(gè)專用把持位可用于啟動(dòng)此電壓參考。當(dāng)該參考啟動(dòng)時(shí)，相應(yīng)的MCU 針腳變成通用輸進(jìn)輸出端。帶隙電源電壓程度固定在1.24V 而不受MCU 電源電壓VDD 的影響。
無論VIN 的變更是否反應(yīng)到MCU VDD 上，通過對(duì)照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 的變更，而令輸出電流保持一個(gè)恒定程度。
軟件把持回路
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把持的波形作為SW1 的開關(guān)把持。PWM打開狀態(tài)和封閉狀態(tài)的是非由芯片定時(shí)器溢出的時(shí)間斷定。
圖5 顯示了一般的軟件把持流程。重啟后，MCU 開端初始化程序。PWM打開時(shí)間初始化為它的最小值。主把持回路保留兩個(gè)變量：打開時(shí)間和封閉時(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)間是非保持在恒定程度。打開時(shí)間和封閉時(shí)間一同斷定可調(diào)節(jié)的占空比，該值和軟件開銷共同定義PWM周期的是非。

圖5：MC9RS08KA2 的軟件把持流程

任何用以履行其它功效（如亮度調(diào)節(jié)）的人機(jī)界面都可以添加到軟件的主把持循環(huán)上。添加的軟件編碼被視為軟件開銷，會(huì)影響整體PWM輸出周期的是非。PWM輸出周期是非應(yīng)保持恒定，由要把持循環(huán)中履行的CPU 周期總數(shù)斷定。所需的PWM頻率越高，主把持循環(huán)的編碼預(yù)算越低。例如，假如PWM頻率請(qǐng)求為50KHz，KA2 答應(yīng)的最大總線頻率為10MHz，在這種情況下主把持循環(huán)必需保持
在200 個(gè)CPU 周期。該數(shù)字包含軟件開銷及SW1 打開時(shí)間和封閉時(shí)間的總和（也就是可調(diào)節(jié)的占空比）。比如說，假如打開時(shí)間和封閉時(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)的可把持占空比范疇則為72/200=36％ 到100％。
結(jié)語
基于MCU 的解決計(jì)劃可為利用供給全面機(jī)動(dòng)性。目前，即使最低真?zhèn)€8 位MCU都具有足夠的CPU 帶寬，不僅能履行DC-DC 把持，還可以在利用中增加更多功效而幾乎不需要增加本錢。MCU 的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全面的解決計(jì)劃。飛思卡爾供給的MCU 亦聲援各種通信尺度，如射頻（RF）連接范疇的Zigbee 、有線連接范疇的LIN、CAN 和DMX512 等，這為LED 照明供給了宏大的利用空間。