MCU解決LED驅動器的十大問題

本文將列出這款小型且經濟的8接腳微控制器受到嵌入式控制工程師青睞的十大理由。本文提出的論點都可作為具體問題的解決方案，以供注重預算且精明的LED驅動器設計人員參考。

PIC12HV752是一款小型且經濟的類比與數位信號混合的微控制器，專為滿足LED照明設計人員的需求而設計。更具體地說，這類工程師正在尋找新穎和創新的固態照明(SSL)解決方案，以獲得更高的效能，甚至希望透過「為照明增加智慧」來幫助公司創造競爭優勢。透過提供通訊功能、高階感測功能、觸控輸入或只是更多的靈活性，無論他們打算如何實現目標，關鍵的要求是以小型快閃微控制器的方式利用程式設計上的彈性來賦予照明產品智慧性。由於這些應用很可能被大量使用，設計人員總是極其關注解決方案的總成本，此外，體積大小及美觀與否也同樣受到關注。

下方列舉了智慧型照明方案中10個主要的設計需求及特性，您將會發現，在不影響性能及功耗的情況下，如何降低整體電路成本及尺寸將會是主要議題。為簡單起見，本文中將以降壓或返馳式轉換器為例來闡述大部分的注意事項。

直流高電壓電源

在考慮將微控制器添加到原本可能是簡單的(類比)直流？直流轉換器電路時，首先應了解這些MCU對電源有多麼挑剔，使用PIC12HV752就無需擔心要提供良好的穩壓5V電源軌。這一特性在元件編號中以「HV」表示，因為該元件整合了晶片內建分流穩壓器，只需串聯一個電阻並將其直接連接到高電壓輸入端。必要時，分流穩壓器(工作方式與稽納二極體相似)將調整吸收電流的總量，使電阻上的壓降足以保證其(Vdd-GND)端子上始終存在不超過5V(+/-10%)的電壓。產生良好穩壓電源所需的電流總量有一個最小的電流值：在-40到+85攝氏度的溫度範圍內為1 mA，除此之外，可自由使用歐姆定律來確定所需的最小電阻及電源。

為確保不需要其他外部元件，PIC12HV752包含一個用於保證正確上電順序的上電重置電路，以及一個用於保證掉電再上電時安全工作的掉電檢測電路。

監視電源電壓

除了上電和掉電再上電的情況，還有許多需要絕對參考電壓的原因。PIC12HV752包含了一組1.2V的固定參考電壓(FVR)輸出，該電壓無需外部連接即可直接輸入至10位元類比數位轉換器(ADC)的輸入通道和？或類比比較器的輸入端，使得微控制器能夠將其Vdd與此一絕對電壓進行比較。在使用電池電源時可用於檢測電池低電量狀態，或在返馳應用中說明穩壓輔助電源的電壓輸出，輔助電源旨在減輕分流穩壓器在最初短暫啟動後的負擔。後一種用途提高了電路的總體效率，可適度控制計算成本。

高頻工作

PIC12HV752內部提供的類比比較器模組不是常見微控制器中的典型元件。此模組具有低於30 ns的響應時間，無疑是用來控制降壓轉換器(工作速度最高500 kHz)峰值電流的最佳選擇。大多數低成本直流？直流轉換器實際上在遠未達到該限值時就會停止，並在150-250 kHz的頻率下才能順暢工作並實現最佳的成本？尺寸平衡。

將比較器切換到低功耗模式時，往往會降低元件運行速度。實際上，如果將響應時間控制在200 ns的範圍內，低功耗模式將能顯著降低模組功耗。將比較器僅用於替代應用(可能是電池供電)中的電壓門檻值檢測器時，該選項就非常有價值。

降低感測損耗

PIC12HV752可提供5位元「有限量程」的DAC模組，將其設計為與比較器配合工作並採用典型降壓或返馳式轉換器拓樸，在所有內部連接均正常時，可用作回饋電路中的峰值電流檢測器。若您認為5位元可能不足以滿足除了最基本穩壓應用之外的所有應用，那麼接下來的解釋就是在說明該模組的實際工作原理。

基於效率，檢測電流(峰值)的方式是在負載(LED串)上串聯盡可能小的電阻。為符合實際，應選擇能提供幾百mV回饋的電阻值，高於該值會浪費能源，低於該值則會導致信噪比不佳。如果將該信號施加到快速比較器的一個輸入端，同時將DAC的輸出連接到比較器的另一個輸入端以設定臨界變化點，則DAC模組具體應提供0到300mV範圍內的最大解析度。這正是PIC12HV752有限量程模式的工作原理，為您提供相當於9位元DAC能夠提供的有效解析度(10 mV@5V)，且無需增加額外的成本。

降低開關損耗

將同步開關拓樸用於直流？直流轉換器設計，以便在輸出電壓相對較低(短串聯或單個LED)時提高效率，並降低所謂的開關損耗。基本上，可將所有降壓和升壓拓樸中都存在的返馳二極體正向壓降視為損耗源。為降低此耗損，我們可以使用同步切換的方式使用一主動元件來增加系統效率，但代價是要增加一個MOSFET和一小部份電路以適當(互補)時序驅動該元件。

實際上，PIC12HV752可以輕鬆地補償開關損耗，因為比較器(或PWM模組)的輸出可饋入一個稱為互補輸出發生器(COG)的小型模組，這將提供兩個互補的輸出信號來驅動MOSFET對。COG模組提供了對兩個輸出信號的額外控制，用來保護Dead-Band，這是防止兩個MOSFET柵極電容產生延遲造成相互導通效應(短路)的一項保護措施。實際上，COG還有許多特性可確保安全控制同步輸出，包括：沒輸入時，避免電流回饋中的雜訊並產生多次換流。相位後移，用於穩定系統，無需外部補償網路。可選的上升緣和下降緣的輸入(PWM、比較器和接腳)。獨立的上升緣和下降緣 Dead-Band控制。可選擇的關閉信號源。自動重啟使能。自動關閉接腳覆寫控制。

上述特性都提供了靈活性，幫助實現元件數量、成本和效率之間的理想平衡。

驅動MOSFET

組成完整直流？直流轉換器所需的幾個元件中，總是至少有一個功率MOSFET元件。PIC微控制器因其強大的輸出汲入、推動性能(25 mA)而為人所知，但要確保MOSFET避開線性區域的工作還需要更多元件協助。

MOSFET驅動器很常見且也不是特別昂貴，但這始終是一個相對的考量。PIC12HV752可在兩個選定I/O接腳上提供大小為50 mA的汲、推電流，幫助您降低成本。儘管與某些分離式MOSFET驅動器IC提供的電流相距甚遠，但仍需要非常仔細的評估和權衡。一方面，MOSFET驅動器(可能是雙MOSFET)需要額外成本和空間。另一方面，存在可導致轉換器效率降低的損耗，以及需要耗散的熱量，如何選擇將取決於設計細節。例如，低功耗設計受效率損失的影響較小，但更容易受到成本因素的制約。高級(邏輯)MOSFET元件無疑地變得更加經濟實惠，通常會動搖您想採用更簡單解決方案的決定。

功耗

您或許已經意識到PIC12HV752設計提供混合解決方案，其中處於LED驅動器設計核心的直流？直流轉換，是在MCU執行完簡單的初始設置後，以類比方式幾乎完全獨立執行的，此類應用的MIPS要求極低，將其稱為零MIPS解決方案。實際上，設計人員可使用MCU的所有計算能力來提供智慧，困難工作則交由比較器(或PWM)、DAC和COG模組的巧妙組合在後臺完成。

有趣的是，許多採用更智慧解決方案的照明應用都是圍繞發光元件未啟動時的狀態設計的。在這種情況下，MCU在工作的同時必須警惕其功耗會成為整個應用功耗預算的主要組成部分。PIC12HV752的有效功耗非常低，在市售所有嵌入式微控制器中名列前茅，該值在2V時已確定低於45 μA/MHz。當元件處於非工作狀態，即不執行程式碼並停用所有週邊時，內核功耗將降至10nA，這個值非常小甚至接近您辦公桌上可能有的任何儀錶解析度。

揮發性

PIC12HV752是快閃記憶體微控制器，這意味著其程式記憶體內容可重寫幾十萬次，產品具有較長壽命，即使在現場安裝後也可以注入新的程式代碼，不僅如此，該微控制器還可使用其快閃記憶體程式中的一部分來儲存運行時的參數。

PIC12HV752快閃記憶體可保證100,000次擦？寫以及40年的資料保存時間，即便如此這樣的功能也不能完全替代正常的資料EEPROM。但事實證明，為了滿足儲存唯一序號，永久記錄電流、電壓和溫度等設定值，永久記錄校準值，執行記錄等用途，PIC12HV752的快閃記憶體對許多照明應用綽綽有餘。

空間

PIC12HV752以8接腳封裝形式提供，其高整合度和靈活的內部連接使這樣的封裝形式成為可能。其中包括一些相對較大的封裝，如DIP8和SOIC8，對於快速原型設計和實驗室實驗是非常方便的。還可以提供極小的封裝，如3×3 mm DFN選項，將小尺寸與相對較大的接腳間距(0.6 mm)結合在一起，易於使用且裝配成本很低。

成本

PIC12HV752不僅是BOM上成本最低的元件(10,000個起始單價為0.56美元)，而且實現完整的解決方案只需要少量的其他元件，晶片內建已整合了：(1)高精度振盪器(精度在出廠時調整為1%)，可選擇8 MHz、4 MHz、1 MHz和31 kHz輸出選項。(2)上電和掉電檢測重置電路。(3)看門狗計時器。(4) 4個計時器(3個8位元和1個16位元)。(5)1個捕捉？比較？PWM模組。(6)每個I/O接腳內建上/下拉電阻。(7)線上燒錄和除錯介面。

結論

上述10點能夠幫助您理解選擇PIC12HV752微控制器來設計高性價比的小型高效LED驅動器的優勢。同樣，任何其他需要微控制器的智慧和靈活性以及類比開關易用性的直流？直流轉換應用，如小型電源和電池充電器等，都將從相同的類比整合和簡化性組合中受益。

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(本文由Microchip提供，周維棻整理)