利用單芯片MCU提高照明系統(tǒng)能源交率

未來的20年中，亞洲發(fā)展中國家的用電量將位居全球前列，中國也將成為第一大電力消耗國。節(jié)約能源已經(jīng)成為全球范圍的一個熱門話題。國際社會對能源效率日益重視，推動了《京都儀定書》和“能源之星”等新的能源法規(guī)和協(xié)定的誕生。目前，工業(yè)化國家紛紛承諾在未來十年內(nèi)改善能源效率，減少溫室氣體排放。在某些情況下，這一承諾意味著通過制訂法規(guī)強(qiáng)制性地提高傳統(tǒng)用電系統(tǒng)的效率，因此，新的創(chuàng)新方案的設(shè)計和實施已迫在眉睫。 在住宅用電中，照明用電占相當(dāng)大的比重。以家庭用電為例，空調(diào)、冰箱、熱水器等耗電量高的電器一直是大家關(guān)注的焦點。而每天都在使用的照明電反倒被忽視。其實，每張電費帳單都要為照明用電支付1/6的費用。如何在中國推廣節(jié)能的照明產(chǎn)品，提高照明系統(tǒng)的能源效率、降低照明用電量已成為中國工程界面臨的最大挑戰(zhàn)，促使工程師們必須考慮采用節(jié)能器件來設(shè)計自己的產(chǎn)品。 1 數(shù)控電子鎮(zhèn)流器應(yīng)運而生 在鱗次櫛比的建筑物中，照明系統(tǒng)最常見的形式是使用各種熒光燈管以及采用簡單的感應(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，且成本高。新的歐洲和國際立法的引入要求從2005年開始增加效率并停用二種最低效率的鎮(zhèn)流器。這種法規(guī)將對鎮(zhèn)流器設(shè)計得施加新的壓力，迫使他們改善已設(shè)計的能效，開發(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)計電子鎮(zhèn)流器已經(jīng)不是稀罕的事情了。MCU為高能效鎮(zhèn)流器的開發(fā)提供了理想的低成本解決方案。圖1是電子鎮(zhèn)流器的框圖。采用電子鎮(zhèn)流器的優(yōu)點：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，延長了工業(yè)區(qū)光管的壽命；電子系統(tǒng)為可變亮度調(diào)整增加了控制級別；數(shù)字控制可實現(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化和成本經(jīng)濟(jì)的大型照明網(wǎng)絡(luò)控制成為可能。圖12 提高能源效率的器件 使用傳統(tǒng)的鎮(zhèn)流器要消耗大量電能，且對單一燈管的亮度控制一直是熒光燈照明系統(tǒng)設(shè)計者的難題。傳統(tǒng)上，燈管要么全開，要么全關(guān)。飛思卡爾（Freescale Semiconductor）新型單芯片MCU HC908LB*的問世解決了該問題，也使照明系統(tǒng)能源效率的提高又上了一個臺階。 飛思卡爾的MC68HC908LB8 8位快閃微控制器是一種高精度的半橋控制器，專門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。它具有高集成度的特點，能簡化整體系統(tǒng)設(shè)計，是需要PFC和/或高精度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)，也可用于車燈控制、高強(qiáng)度放大電照明系統(tǒng)以及電動機(jī)控制。 HC908LB8內(nèi)集成了高精度PWM HRP模塊，可以連續(xù)控制燈管的亮度變化，因而可實現(xiàn)熒光燈照明系統(tǒng)的暗光控制。它還支持了數(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)計者可對基于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MC68HC908LB8的框圖。 MC68HC908LB8采用標(biāo)準(zhǔn)的5V電壓供電，內(nèi)部總線工作頻率為8MHz，采用20引腳PDIP和SOIC封裝。其可微調(diào)的內(nèi)部RC振蕩器在16MHz運行時，可用作CPU總線時鐘（4MHz）的基礎(chǔ)，節(jié)省了外部元件成本。設(shè)計者也能利用諸如外部RC或晶體振蕩器等的時鐘運行器件。其定時器接口模塊具有執(zhí)行輸入捕獲的能力，輸出比較或脈寬調(diào)制具有低至125ns的定時精度。 另外，MC68HC908LB8還包括一個帶有理想驅(qū)動半橋互補(bǔ)輸出對的HRP模塊?？删幊痰目蛰d時間插入和短路預(yù)防功能可保證最高的效率。當(dāng)HRP執(zhí)行定時頻率或工作周期抖動時，定時精度可減少到3.9ns。如果發(fā)現(xiàn)了問題，故障輸入安全特性可產(chǎn)生一個信號，進(jìn)行迅速關(guān)機(jī)。它可對大多數(shù)參數(shù)自動計算，因而容易使用。 MC68HC908LB8有一個2通道PWM模塊，具有故障輸入檢測和中斷功能。當(dāng)PWM與運算放大器/比較器模塊一起使用時，該單元可實現(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。MC68HC908LB8具有良好的安全特性，包括完全計算機(jī)運行（COP）和低電壓抑制（LVI），-40℃～+125℃的溫度工作范圍，為惡劣的應(yīng)用環(huán)境提供了一個強(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%26;#177;2%。其主要特點包括： （1）8KB閃存，128B RAM。 （2）高精度PWM HRP。帶有停滯時間（空載時間）插入的雙PWM輸出；關(guān)斷輸入；通過頻率抖動技術(shù)，使輸出的精度達(dá)3.9ns；可變頻率和可變負(fù)載周期模式。 （3）功率因數(shù)校正。2通道PWM模塊，帶有故障輸入檢測和關(guān)斷功能；集成了運放/模擬比較器模塊，可實現(xiàn)片上PFC。 （4）7通道、8位ADC。 （5）1個帶有中斷功能的16位定時器。 （6）帶有抗噪的低電壓抑制技術(shù)和確保軟件安全的計算操作。 （7）時鐘模塊可選擇RC振蕩電路、內(nèi)部晶振和外部晶振。 （8）最多可有18個I/O接口（多路復(fù)用外圍接口）。 （9）7個I/O可用于鍵盤中斷。 （10）大電流控制邏輯I/O（sink/osurce），典型值為10mA。 （11）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)化為與輸入電壓保持同相的正弦波，從而提高效率、降低信號失真、降低運行成本和噪音。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，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，飛思卡爾將通過提供價格適當(dāng)?shù)拈_發(fā)硬件（評估板和演示板）、免費的參考設(shè)計，以及應(yīng)用指南和在線教程、配套軟件、系統(tǒng)框圖和材料清單，幫助設(shè)計者加速產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程。系統(tǒng)仿真模塊FSICEKITLB8 Freescale Complete FSICE是一個高性能的仿真工具，包括仿真器、電纜、連接適配器（head adapter）和編程適配器。另外，設(shè)計者還能得到第三方的支持，如Metrowerks公司提供的Code Warrior TM IDE特別版。高度擬器和Processor Expert TM代碼生成工具。 該參考設(shè)計為2個并行連接的熒光燈提供了具有PFC功能的完整的數(shù)字減光型鎮(zhèn)流器設(shè)計，可以滿足能源保護(hù)及其相關(guān)立法對高效照明鎮(zhèn)流器設(shè)計的需求；同時也為控制照明網(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，以實現(xiàn)低成本控制的大型照明網(wǎng)絡(luò)。該參考設(shè)計為用戶示范了如何在主從配置中利用飛思卡爾的68HC908KX8與簡單的協(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。與目前市場上的傳統(tǒng)技術(shù)相比，該解決方案可幫助設(shè)計者設(shè)計出具有更高能效和成本低廉的電子鎮(zhèn)流器。 總之，使用MC68HC908LB8的好處包括如下幾個方面：利用PFC減少功率損耗和失真；利用高精度PWM信號實現(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。 飛思卡爾認(rèn)為，未來驅(qū)動工業(yè)市場發(fā)展的趨勢是對無處不在的連接和能量的有效管理。作為全球半導(dǎo)體工業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，飛思卡爾是最大的汽車IC供應(yīng)商，在8位和32位MCU市場也名列第一，在整個MCU市場位居第二。飛思卡爾可以為不同的應(yīng)用提供完整的MCU產(chǎn)品線。今天，設(shè)計者終于可以通過使用飛思卡爾半導(dǎo)體先進(jìn)的具有汽車應(yīng)用嵌入式能力的8位MCU，來設(shè)計性能優(yōu)越的電子鎮(zhèn)流器，同時降低產(chǎn)品的成本，縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場的時間。

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