针对用于LED照明的新一代MCU的详解
中心议题：
- 照明技术的发展及趋势
- 现代LED照明对MCU的需求
- 智能照明的发展方向
- MCU在LED照明中的应用
解决方案：
- 78K0/IB2 LED路灯方案
- 绿色环保LED照明方案
照明技术的发展及趋势
照明发展历程
首先，回顾照明技术的发展历史，第一代以白炽灯为代表，优点是价格便宜，低温启动特性好，但是寿命短、发光效率低。第二代以荧光灯为代表，寿命较长、发光效率较高、成本较低，缺点是含重金属汞、镇流器/启辉器功耗大。第三代的代表是高压气体光源，优点是穿透性强，反射率高，但是，含重金属汞、显色性低，并且需要安装整流器。LED属于第四代照明设备，是工作电压低、安全节能、维护费用低、寿命长，目前的主要问题是价格较高，发热量大，需要指出的是，目前对灯具中金属汞的回收无厂商对应，但LED却不含汞。
照明市场趋势
照明在家用/商用电力消费中占有很大比重，大约17%，大量的消耗造成资源浪费、二氧化碳排放以及全球变暖等问题。因此，在全球范围内，对绿色、节能的照明系统的需求在逐渐加大，随着照明源的发展和改进，照明功耗逐步降低，LED的功耗仅为白炽灯的1/8。同时，照明系统采用各类通信、传感器的智能照明控制系统，提高了应用效率。
日本在1998年就开展了 “21世纪照明”计划，旨在通过LED技术使照明的能量效率提高为传统荧光灯的两倍。韩国、欧盟、美国也相继提出了自己的照明规划。我国有多项半导体照明相关的国家标准、行业标准即将出台，财政部正在酝酿半导体照明的相关扶持政策。政府采购半导体照明示范工程项目的步伐正在加快。
图1 未来照明革新
现代LED照明对MCU的需求
通用LED照明市场分类大致可分为以下几种：室内照明、商用照明、车用照明、户外照明、交通信号、娱乐照明、路灯和电子显示牌，液晶背光等。
随着照明需求的发展和节能减排的深入，未来照明革新可以从分时段控制、环境亮度传感器、动作传感器、热量管理等角度进行技术革新。
未来照明革新市场潜力巨大，如图1所示。分时段控制是指在不同时间段有不同的亮度。环境亮度传感器可以灵活应对灯具所处环境的亮度，比如天阴的时候天黑的比平常早，那么路灯就会提前打开。动作传感检测器是指夜晚的时候如果灯具周围无人活动时，会调低亮度，当检测到有人活动时，就会调高亮度。另外，现代照明需要有多重通信方式，除了无线方式以外，DALI或DMX512等先进的照明专用通信协议使得灯具的管理更加便捷，电力线载波通信（PLC）也是近年来备受关注的方向。
智能照明的发展方向
智能照明的发展方向呈现几个发展方向：MCU的集成度提高，所需外设减少，更加环保性；LED满足家庭情景调光的色彩心情，更加人性化；各种通信协议，方便调光系统扩展，扩展性增强；无线连接方式使照明通信融入智能家庭，实现集成化。智能家庭的普及，可以促进绿色低碳生活、保护环境。智能混色调光，需要支持无线通信的场景照明。而APPLILET HCD工具，可以方便实现混色调光的开发调试，非常实用。
图2 通过比较器进行反馈控制
图3 通过A/D转换器进行反馈控制
图4 LED恒流控制操作流程图（LED=3通道）
现代LED照明的要求
LED照明的要求包括家用照明和非家用两种。
家用照明：
（1）更长的工作寿命
（2）成本低、体积小
（3）低功耗、，高效能
（4）兼容现有系统
非家用照明：
（1）低功耗、高效能
（2）多通道 (6条通道或更多)
（3）PFC控制
（4）PLC通信/无线通信
对MCU的需求则表现在如下几个方面：
•精准控制电流，延长灯具寿命
•多种保护功能，保证灯具安全
•高集成度，节省空间和成本
•灵活且精确的调光，同等亮度更少能耗。
•同时为多通道提供独立的定时器门限输出功能
•通信方式多样化，支持 IR/无线/DALI/ DMX512/ PLC/
•较高工作温度 (85℃~105℃)
•更实用的评估方案
照明市场的需求
综合高调光精度、低成本、节能和必须带有应急保护功能，总结为单芯片MCU实现低成本和高性能的绿色节能照明系统。
MCU在LED照明中的应用
针对整个照明市场的MCU需求，瑞萨电子推出了对应的MCU。
78K0/Ix2
针对照明市场的这些需求，瑞萨电子的78K0/Ix2 MCU产品，很好地解决了这些问题。78K0/Ix2相应的特性有很多。78K0/Ix2的PWM输出周期25ns，具有16位变频定时器和内部40MHz操作时钟特性，满足高精度调光需求。78K0/Ix2无需外围IC，可由PFC控制IC、变频控制IC和LED驱动IC（LED照明），有效降低成本。对应紧急状态时的定时器高阻输出，方法是和比较器/外部中断联动。对应可在实现 “任何亮度”，实现降低能源消耗，方法是使用传感器/通信，而通信又包括DALI、DMX、遥控器和I2C等。照明用ASSP单片机78K0/Ix2，具有多种内存容量和引脚数可选，对应简单到复杂的LED照明应用。
图5 照明参考方案
图6 智能DALI-DMX512 LED情景照明控制
照明用ASSP单片机78K0/Ix2的特点：
•内置高速晶振（CPU最高20MHz ）
•高速4通道16位PWM定时器 (40MHz)
•内置片上调试
•串行通信（UART，I2C，CSI），内置DALI（照明用通信）功能
•MCU工作温度可达105℃
•可独立控制最多4路LED
•可适应LED照明器具大量发热的使用环境
•可方便实现DALI协议接收/发送
适用于照明控制的定时器的特性：
•计数时钟最快达到40MHz
•带死区时间PWM输出
•可进行全/半桥控制
• 4通道同步输出
•可与比较器连动进行紧急停止的功能
•可配合A/D转换器进行LED恒流控制
•可用作LED恒流控制的开关信号或用作调光亮度控制信号
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增强的模拟功能：
•定时器同步A/D转换器
•内置1.2V稳压参考
•3通道比较器
•内置运算放大器，包括PGA 模式 (×4/×8/×16/×32)，独立模式 (使用+/ -/输出引脚)
•可用于LED恒流控制快速响应进行反馈操作
•可用于检测来自传感器的微小信号控制LED灯具亮度
恒流控制
恒流控制有两种恒流控制的方式。
第一种是通过比较器进行反馈控制。使用比较器检测LED电流，通过改变PWM输出占空比实现恒流控制。通过改变比较器内置参考电压可实现各通道的独立调光（28级），如图2所示。
第二种是通过A/D转换器进行反馈控制，使用A/D转换器检测LED电流，通过改变PWM输出占空比实现恒流控制。通过改变A/D转换的目标值实现各通道的独立调光，如图3所示。
LED恒流控制操作流程图如图4所示，如图，有3通道的LED需要控制，是A/D转换→PWM输出的微调的重复操作。软件操作过程是对CH1的反馈电阻电压进行A/D转换，微调输入到CH1的PWM波占空比，然后对通道2和通道3进行同样操作，重复上述流程即可。三个通道的A/D转换和检测调整的整个周期约为50μs。
图7 78K0无驱智能调光LED灯泡参考板
图8 78K0/IB2 LED路灯方案
绿色环保LED照明方案
瑞萨电子的照明参考方案由3部分组成，可通过PC端GUI进行调光控制，PC和通信板通过USB线连接，情景照明板和通信板之间可以由红外、DALI及DMX512三种方式实现，在瑞萨电子的照明参考方案中，可以使用AppliletEZ for HCD程序自动生成工具，实现照明控制程序的涉及、编译和烧写。照明参考方案如图5所示。
78K0/IB2低成本高亮度LED调光（调色）控制的优点：
• 3通道独立恒流控制（高亮度LED）
•调光控制，调色控制
•通信模式 (DALI，DMX512，AD输入)
智能DALI-DMX512 LED情景照明控制如图6所示。通过比较器内部参考电压/PWM占空比，可进行3通道独立LED调光（28级）；通过8位PWM TMH1的同步控制，可进一步提高调光精度。
78K0无驱智能调光LED灯泡参考板如图7所示。普通白炽灯功耗大、且调光的能效比很低，78K0无驱智能调光LED灯泡参考板可以实现AC220V，不带 PFC调整功能；遥控器调光 (自定义315M RF)；小巧的PCB便于集成。
基于78K0/IB2 LED路灯方案如图8所示。可实现AC220V，具有 PFC；驱动总功率60W；调光通信接口可采用RS485/PLC接口。
开发工具
第一步通过器件驱动自动生成工具(Applilet2)生成器件驱动。第二步通过Project Manager(PM+)编辑程序（综合开发环境）(源程序管理、编辑、工具管理)。第三步调试(ID78K0)和仿真通过MINICUBE2(简易)，IECube等进行操作确认。另外，对于量产型烧写工具，除了瑞萨电子自己提供的工具意外，另有第三方工具也可支持。瑞萨电子提供照明参考方案套件，使即使初次接触MCU，也能迅速上手。
