利用单芯片MCU提高照明系统能源交率

未来的20年中，亚洲发展中国家的用电量将位居全球前列，中国也将成为第一大电力消耗国。节约能源已经成为全球范围的一个热门话题。国际社会对能源效率日益重视，推动了《京都仪定书》和“能源之星”等新的能源法规和协定的诞生。目前，工业化国家纷纷承诺在未来十年内改善能源效率，减少温室气体排放。在某些情况下，这一承诺意味着通过制订法规强制性地提高传统用电系统的效率，因此，新的创新方案的设计和实施已迫在眉睫。 在住宅用电中，照明用电占相当大的比重。以家庭用电为例，空调、冰箱、热水器等耗电量高的电器一直是大家关注的焦点。而每天都在使用的照明电反倒被忽视。其实，每张电费帐单都要为照明用电支付1/6的费用。如何在中国推广节能的照明产品，提高照明系统的能源效率、降低照明用电量已成为中国工程界面临的最大挑战，促使工程师们必须考虑采用节能器件来设计自己的产品。 1 数控电子镇流器应运而生 在鳞次栉比的建筑物中，照明系统最常见的形式是使用各种荧光灯管以及采用简单的感应器和启辉器的镇流器。据估算，这种传统的方式可消耗建筑物用电量的40%，既低效又浪费，且成本高。新的欧洲和国际立法的引入要求从2005年开始增加效率并停用二种最低效率的镇流器。这种法规将对镇流器设计得施加新的压力，迫使他们改善已设计的能效，开发有效的、成本低廉的电子照明镇流器。随着电子技术的发展，利用微控制器（MCU）设计电子镇流器已经不是稀罕的事情了。MCU为高能效镇流器的开发提供了理想的低成本解决方案。图1是电子镇流器的框图。采用电子镇流器的优点：电子镇流器比传统的磁性镇流器增加了系统效率，延长了工业区光管的寿命；电子系统为可变亮度调整增加了控制级别；数字控制可实现大型照明网络的远程控制；数字可寻址照明接口（DALI）协议使智能建筑物自动化和成本经济的大型照明网络控制成为可能。图12 提高能源效率的器件 使用传统的镇流器要消耗大量电能，且对单一灯管的亮度控制一直是荧光灯照明系统设计者的难题。传统上，灯管要么全开，要么全关。飞思卡尔（Freescale Semiconductor）新型单芯片MCU HC908LB*的问世解决了该问题，也使照明系统能源效率的提高又上了一个台阶。 飞思卡尔的MC68HC908LB8 8位快闪微控制器是一种高精度的半桥控制器，专门为所有需要功率因数校正（PFC）或高精度脉宽调制（PWM）发生器（HRP）设计。它具有高集成度的特点，能简化整体系统设计，是需要PFC和/或高精度PWM控制功能应用的优选方案。它可应用于单片智能型荧光灯照明系统，也可用于车灯控制、高强度放大电照明系统以及电动机控制。 HC908LB8内集成了高精度PWM HRP模块，可以连续控制灯管的亮度变化，因而可实现荧光灯照明系统的暗光控制。它还支持了数字DALI协议，从而为大型照明系统提供了智能化功能。例如，设计者可对基于DALI的照明系统进行编程，使靠近窗户的照明光线关闭或调暗，从而充分利用自然光线。图2是MC68HC908LB8的框图。 MC68HC908LB8采用标准的5V电压供电，内部总线工作频率为8MHz，采用20引脚PDIP和SOIC封装。其可微调的内部RC振荡器在16MHz运行时，可用作CPU总线时钟（4MHz）的基础，节省了外部元件成本。设计者也能利用诸如外部RC或晶体振荡器等的时钟运行器件。其定时器接口模块具有执行输入捕获的能力，输出比较或脉宽调制具有低至125ns的定时精度。 另外，MC68HC908LB8还包括一个带有理想驱动半桥互补输出对的HRP模块。可编程的空载时间插入和短路预防功能可保证最高的效率。当HRP执行定时频率或工作周期抖动时，定时精度可减少到3.9ns。如果发现了问题，故障输入安全特性可产生一个信号，进行迅速关机。它可对大多数参数自动计算，因而容易使用。 MC68HC908LB8有一个2通道PWM模块，具有故障输入检测和中断功能。当PWM与运算放大器/比较器模块一起使用时，该单元可实现低成本的PFC，为主要的功率应用提供一种理想的集成解决方案。MC68HC908LB8具有良好的安全特性，包括完全计算机运行（COP）和低电压抑制（LVI），-40℃～+125℃的温度工作范围，为恶劣的应用环境提供了一个强大的解决方案。 HC908LB8基于飞思卡尔HC08 CPU内核，内部总线频率为8MHz，软件精度为%26;#177;2%。其主要特点包括： （1）8KB闪存，128B RAM。 （2）高精度PWM HRP。带有停滞时间（空载时间）插入的双PWM输出；关断输入；通过频率抖动技术，使输出的精度达3.9ns；可变频率和可变负载周期模式。 （3）功率因数校正。2通道PWM模块，带有故障输入检测和关断功能；集成了运放/模拟比较器模块，可实现片上PFC。 （4）7通道、8位ADC。 （5）1个带有中断功能的16位定时器。 （6）带有抗噪的低电压抑制技术和确保软件安全的计算操作。 （7）时钟模块可选择RC振荡电路、内部晶振和外部晶振。 （8）最多可有18个I/O接口（多路复用外围接口）。 （9）7个I/O可用于键盘中断。 （10）大电流控制逻辑I/O（sink/osurce），典型值为10mA。 （11）多种电气安全特性。 值得一提的是，在有效的主电源供电应用中，作为关键要求的PFC可将输入电流转化为与输入电压保持同相的正弦波，从而提高效率、降低信号失真、降低运行成本和噪音。HC908LB8带有成本经济的PFC功能，为主电源供电应用提供了理想的集成方案。 3 节约成本 加速产品开发 在典型的镇流器应用中使用HC908LB8，可将分立数字系统元件的数量减少50%。除了能节省空间，还可缩少PCB尺寸，降低生产成本，并有助于降低管理成本。为了演示该器件的各种特点，飞思卡尔将通过提供价格适当的开发硬件（评估板和演示板）、免费的参考设计，以及应用指南和在线教程、配套软件、系统框图和材料清单，帮助设计者加速产品开发进程。系统仿真模块FSICEKITLB8 Freescale Complete FSICE是一个高性能的仿真工具，包括仿真器、电缆、连接适配器（head adapter）和编程适配器。另外，设计者还能得到第三方的支持，如Metrowerks公司提供的Code Warrior TM IDE特别版。高度拟器和Processor Expert TM代码生成工具。 该参考设计为2个并行连接的荧光灯提供了具有PFC功能的完整的数字减光型镇流器设计，可以满足能源保护及其相关立法对高效照明镇流器设计的需求；同时也为控制照明网络的DALI标准，尤其是荧光镇流器的开发奠定了基础。目前，全球主要照明制造商都承诺支持DALI接口，以实现低成本控制的大型照明网络。该参考设计为用户示范了如何在主从配置中利用飞思卡尔的68HC908KX8与简单的协议进行通信。图3是演示板的照片。新的参考设计可以大幅度改善镇流器的能效，减少系统复杂度，降低成本，并满足日益苛刻的能效要求。与目前市场上的传统技术相比，该解决方案可帮助设计者设计出具有更高能效和成本低廉的电子镇流器。 总之，使用MC68HC908LB8的好处包括如下几个方面：利用PFC减少功率损耗和失真；利用高精度PWM信号实现精确控制；高度的集成可减少系统尺寸和成本；满足荧光照明系统镇流器的能量效率要求。 飞思卡尔认为，未来驱动工业市场发展的趋势是对无处不在的连接和能量的有效管理。作为全球半导体工业的领导者，飞思卡尔是最大的汽车IC供应商，在8位和32位MCU市场也名列第一，在整个MCU市场位居第二。飞思卡尔可以为不同的应用提供完整的MCU产品线。今天，设计者终于可以通过使用飞思卡尔半导体先进的具有汽车应用嵌入式能力的8位MCU，来设计性能优越的电子镇流器，同时降低产品的成本，缩短产品进入市场的时间。

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