8位MCU

智能电源板(主从插座智能控制)是一种非常流行的家用电器。它专为智能设备设计,通常还带有USB接口可以直接为智能设备充电,较于传统的国标五孔电源板,新型智能电源板在外观、性能上做了更多的改进。

大部分智能电源板将传统国标五孔插孔与USB接口融为一体,提升空间利用率与工作效率,使其更符合当代人的使用习惯。当连接到主插座的设备开启或关闭时,MCU可自动打开或关闭连接到从属插座的设备的电源,通过这种方式实现家用电器的联动和节省电能等优势。它广泛应用于所连接设备的智能联动控制,如带外围设备的主机、带机顶盒和路由器的电视等家用电器。

针对当前市面智能电源板产品效率低、功耗高等弊端,本文提供了一种基于8位MCU的智能电源板应用方案,所选的主控芯片是海速芯低功耗8051架构的8位MCU TM52F1376。

“示意图"
示意图

首先,介绍本设计的主要电气参数:额定输入电压为220VAC,额定电流为10A,额定功率不超过2000W。符合市面上通用电源板的参数标准,具有良好的通用性;其从属插座电源ON-OFF控制方法为继电器控制,ON-OFF延迟设置不超过100ms,以实现较快的控制响应。

硬件设计:

本方案的硬件设计主要包含以下几部分电路:电源电路、从电源控制电路(继电器驱动)、能量计量电路、主电源控制电路(继电器驱动)。

设计中有一个低成本的RC降压电路,可将220VAC电压转换为24VDC电压,然后将其提供给继电器。此外,降压电路将24VDC电压降至5VDC电压,然后将其提供给MCU和低成本单相有功电能计量芯片;设计中包含两个单继电器。一个控制主出口电源,另一种是控制为所有从属插座供电。电能计量芯片检测主电源插座中设备的有功功率,并通过脉冲将能量信号发送给TM52F1376。TM52F1376接收脉冲并计算控制继电器的功率值,既提高了工作效率,也降低了产品功耗。

得益于TM52F1376的紧凑型封装,可大幅降低PCB空间,从而降低产品设计尺寸;同时,TM52F1376微控制器实现了业内较低的电流消耗(CPU:2.6mA/Hz,待机:23uA@5V;5.5uA@3V),在智能电源板设计应用时,能够显著降低产品对电能的消耗。

软件设计:

整个系统的任务如下:复位/初始化任务,空闲任务,测量超时任务,测量数据处理任务,从控制任务,异常处理任务。

海速芯TM52F1376微控制器主要特点:

●标准8051指令集,快速的机器周期
   指令执行比传统8051快六倍
●FLASH程序存储器
   16K字节闪存程序存储器
   支持ICP(在线编程)或ISP(在系统编程)的闪存程序码
   在IAP(在应用编程)模式可以作为EEPROM,以字节的方式存取
   程序码保护功能
   内建IAP防死机看门狗模式
   至少1,000次的擦写次数
   至少10年的数据保存时间
●128字节EEPROM数据存储器
   至少5万次的擦写次数
   至少10年的数据保存时间
●总计512字节SRAM(IRAM+XRAM)
●4种系统时钟类型选择,8051标准定时器,15位Timer3
●最大30可编程I/O引脚
●独立的RC振荡看门狗定时器
●工作温度范围–40℃~+85℃

来源:国芯思辰
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围观 29

今天很多学习单片机和嵌入式系统开发的人,都是从基于Arm的32位微控制器(MCU)起步的,因此在不少人看来,8位MCU已经是“过去时”,正在逐渐淡出大家的视野。但事实并非如此——有数据显示,2020年全球MCU市场中,虽然32位MCU的占比达到了55%,稳居首位,但是8位MCU这位“老战士”依然十分“能打”,占据着43%的市场份额,且毫无“隐退江湖”的意思。

“8位MCU市场中,飞来的这只“小蜜蜂”~"

之所以会出现这种32位和8位MCU两强并立的局面,和嵌入式市场的结构特点不无关系。要知道,嵌入式系统的最终应用千差万别,因此性能并非是所有应用考虑的首要因素,这就造成了MCU产品的演化道路发生了分支——一个方向以32位MCU为代表,着力于通过更高的性能去满足高速大量信息处理的需要,由此发展出的各种MCU新技能很是让人眼花缭乱;而另一个方向则是侧重提升控制能力,在这个方面,8位MCU凭借着在性能、价格、功耗、可靠性及稳定性上完美的“平衡”表现,仍然占据着相当的地位,呈现出顽强的生命力。

顽强进化的8位MCU

当然,在竞争白热化的MCU市场中,8位MCU这份稳固的“基业”也不是白来的,除了对以往固有市场优势的传承,更重要的是这些年来, 8位MCU在技术上一直没有停止过改进完善的步伐,通过不断采用芯片设计和制造新技术,甚至是吸收竞争对手32位MCU的一些新“玩法”,才经受住了岁月的洗礼,历久弥新。

观察过去十年来发生在8位MCU身上的一些重要的“进化”,可以归纳出以下四个方面。

1、优化MCU内核

既然不能在算力性能上与32位Arm处理器内核硬钢,8位MCU就在自己的内核结构上挖潜,针对控制功能进行优化,提升指令的运行效率,力求在控制功能上不输于、甚至优于32位MCU。

2、集成更丰富的外设

得益于芯片设计和工艺技术的进步,使得今天8位MCU也可以像32位产品那样将越来越多的模拟、接口、振荡器、定时器等外设功能集成到一颗芯片中,构成一个功能完整、能够应对特定设计所需的解决方案。而且MCU外设的智能化,还可以分担部分CPU内核的工作,使得产品能够兼具功能上的扩展和功耗上的优化。

3、采用低功耗设计技术

低功耗原本就是8位MCU的一个优势,在此基础上,越来越多的8位产品也引入了功耗分级管理策略,可以根据不同功率等级的需要开启或关闭相应的片上功能单元,极大地优化整体功耗表现。

4、提供易用的开发环境

32位MCU应用市场之所以发展迅速,一个很重要的原因在于与其配套的完整、简单易用的软件开发环境(IDE),以及围绕这IDE的其他软件资源和丰富的例程,这使得开发者能够基于高级语言完成MCU的应用开发工作。这个经验,8位MCU也学到了,并且学以致用,如今8位MCU的配套开发工具也变得越来越好用,生态也越来越完善,大大地简化和加速了8位MCU的应用开发设计。

纵观市场,上述这四种“进化”已经成为了8位MCU发展普遍的趋势,每个MCU厂商也都遵循着这样的思路,在自身技术积淀基础上,紧跟市场的步伐,不断推出8位MCU新品。Silicon Labs就是在这一“进化”过程中,表现可圈可点的一家。

8051中的“小蜜蜂”

Silicon Labs的8位MCU内核采用的是广为人知的8051架构,但其已经是对标准8051架构的改良之作。

要知道,标准的8051架构执行一条指令最少要一个机器周期,而一个机器周期要占用12个系统时钟周期。Silicon Labs的8位MCU采用的是经过特别优化的、与标准8051兼容的CIP-51内核,该内核基于独特的流水线结构,将一个机器周期由标准的12个系统时钟周期降为1个,也就是说单周期指令运行速度变为原来的12倍,内核的指令处理效率大为提升。CIP-51内核70%指令的执行是在1-2个系统时钟周期内完成的,只有四条指令的执行需4个以上时钟周期。

同时,由于CIP-51指令与标准8051指令系统完全兼容,这也就意味着8051单片机丰富的开发资源,基于CIP-51内核的8位MCU也可以“拿来”作为参考资料,原来采用标准8051的项目都可以非常方便的移植到Silicon Labs的8位MCU上。

在用CIP-51内核替代标准8051内核的基础上,Silicon Labs对8位MCU产品进行了全方位的优化和升级,包括:将I/O口从固定方式改变成交叉开关配置方式(Crossbar),提高了I/O交互的灵活性;从系统时钟到时钟系统、从引脚复位到多源复位,以及低电压供电,为低功耗设计提供了极佳的支持;从传统的方针调试到基于Silicon Labs私有的两线制C2接口的系统调试等等。

这些举措使得Silicon Labs的8位MCU产品焕然一新,最终形成了以“小蜜蜂”为标识的EFM8系列MCU。这个系列的8位MCU实际上就是以CIP-51内核为核心,集成不同的外设单元,以适应不同目标应用的产品组合,由此打造出了一个完整的8位MCU的产品平台,使得后面的产品推新速度大大加快。

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图1:以“小蜜蜂” 为标识的EFM8系列MCU(图源:Silicon Labs)

到目前为止,EFM8系列MCU已经推出了四个子系列的产品,包括:主打超低功耗的EFM8 SB(Sleepy Bee)系列,高精度模拟特性突出的EFM8 LB(Laser Bee)系列,作为小尺寸、低功耗USB微控制器的EFM8 UB(Universal Bee)系列,以及致力于成为用户价值之选的EFM8 BB(Busy Bee)通用MCU系列。

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图2:EFM8系列MCU产品特性(图源:Silicon Labs)

从图2中可以看出,其中的EFM8 BB系列定位是通用、高性能的MCU,其具有灵活可扩展的外设单元,以及能够大幅提升系统PCB设计和布局灵活性的交叉开关设计,集低功耗、高集成、资源丰富等特点于一身,可以说是开发低成本嵌入式设备的理想之选,应用场景极为广泛。今天我们就来特别介绍一下EFM8 BB系列中,新来的一只“小蜜蜂”——EFM8 BB5系列。

表现不俗的EFM8 BB5

Silicon Labs的EFM8 BB5通用8位MCU系列,包括EFM8BB51和EFM8BB52,它们共同的特点就是采用主频50MHz的高效CIP-51内核,在小尺寸单片封装中集成了丰富的模拟和通信外设,支持5V I/O,具备精密模拟和增强型脉宽调制等特性,产品设计考虑相当周全,常适合用于嵌入式应用。

其中,EFM8BB51采用20引脚TSSOP和QFN封装,额定工作电压为1.8V至5.5V;EFM8BB52采用20引脚和32引脚的QFN封装,或者20引脚和28引脚的TSSOP封装,额定工作电压为1.8V至5.5V。

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图3:EFM8BB51 8位MCU系统框图(图源:Silicon Labs)

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图4:EFM8BB52 8位MCU系统框图(图源:Silicon Labs)

仔细观察,我们会发现EFM8 BB5系列MCU身上更多表现不俗的闪光点。

丰富的外设和接口

EFM8 BB5集成有12位612ksps ADC、2个模拟比较器、可调节和灵活选择的参考电压,这些高精度的模拟功能使得该MCU即使在VDD噪音下也能实现精确控制和响应。

在通信和数字外设方面,EFM8BB5包含2个高达3M波特率的UART,高达12Mbps的SPI,400kbps的SMBus/I2C接口,16位CRC硬件单元,支持256字节flash的CRC生成。

在I/O接口上,EFM8 BB5提供了丰富的GPIO引脚,且所有引脚在偏置时均能提供5V电压,EFM8BB52的5mA拉电流、12.5mA灌电流特性可直接驱动LED。用“蜜蜂虽小,五脏俱全”来形容EFM8 BB5提供的丰富外设和接口资源,一点也不为过。

独特的定时器设计

在MCU的定时器(Timer)设计上,EFM8 BB5集成有16位通用定时器,可以比其他MCU中常用的8位定时器提供更强大的功能。另外,EFM8 BB5中还集成了可编程计数器阵列(PCA),提供增强的定时器和PWM功能,有利于减少CPU的占用,输出高精度的PWM信号。

优化的低功耗特性

在电源管理方面,EFM8 BB5配备有为CPU内核供电的内部LDO稳压器,上电复位电路和掉电检测器。该器件提供正常工作(Normal)、空闲(Idle)、休眠(Snooze)、关闭(Shutdown)四种电源模式——在图3和图4中明确标识出了不同电源模式下,MCU各个功能单元的工作状态——其中休眠模式下支持低频振荡器(LFO)运行,功耗仅为10μA。

方便的编程与调试

EFM8 BB5中的闪存支持对固件进行现场升级。片上调试接口 (C2) 支持MCU在最终应用量产时进行在线调试。该调试逻辑支持对内存和寄存器进行检查和修改、设置断点、单步调试以及运行和停止命令。调试时,所有模拟和数字外设均功能齐全。

加速你的8位MCU开发

通过上面的介绍,想必大家对于EFM8 BB5系列8位MCU的硬件特性已经有了很全面的了解。不过,想要快速完成一个8位MCU的应用开发,除了硬件产品组合,软件工具和配套的开发套件也是必不可少的。

作为Silicon Labs 8位MCU的软件“良伴”,Simplicity Studio可以为广泛的产品组合提供核心开发环境,其功能包括:对启动器中特定目标设备的Web和SDK资源的访问;软件和硬件配置工具;具有行业标准代码编辑器、编译器和调试器的IDE;以及用于网络分析和代码相关能耗分析器的高级增值工具。可以说,Simplicity Studio为开发者提供了从设计概念到设计实现所需的一切,让开发过程更简单、更快捷、更高效。

在开发套件方面,分别与EFM8BB51与EFM8BB52配套的学习套件BB51-EK2700A和BB52-EK2701A也已经上架,套件包含MCU以及Qwiic和Click传感器,以及全功能板载调试器,帮助工程师快速上手EFM8 BB5,完成应用方案的原型设计。

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图5:EFM8BB51与EFM8BB52配套的学习套件(图源:Silicon Labs)

毋庸置疑,在嵌入式应用市场中,32位和8位MCU并存、并重的格局,将是未来相当长一段时间内的主旋律,因此在8位MCU应用开发上的持续关注和投入,仍然会为我们带来持续的价值。EFM8 BB5系列8位MCU——这只飞入嵌入式市场的新来的“小蜜蜂”,一定会为你未来的8位MCU应用开发之旅,带来更多的“甜蜜”和乐趣——不信,你就来“尝”一下!

EFM8 BB5 8位MCU产品专页

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来源:贸泽电子
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围观 68

根据市调机构的分析数据指出,近年来尽管32位MCU异军突起,然而8位MCU每年依然占有全球MCU市场的35%以上市占率。在知名电子产品分销商Mouser的网站上,可供选择的8位MCU数量几乎可与32位MCU相比拟。可见在32位MCU当道之下,8位MCU不仅没有销声匿迹,反而占有另一片天。目前包括了NXP、Microchip、ST、Silicon Labs、ADI、瑞萨、TI等半导体公司,都提供市场大量的8位MCU选择。

8位MCU比起32位MCU,具有超过30年的领先优势,并且在现今的嵌入式系统中依然占据主导地位,对于8位MCU来说,其控制能力比起处理能力更受到市场的关注。尽管过去仍有16位MCU,然而在8位和32位MCU的竞争下,16位MCU不论在规格、功能和优势等方面都受到挤压。

1、8位和32位的抉择

在许多嵌入式设计上,8位MCU比32位拥有更容易设计的优势,依循8位架构的软件和硬件比起32位将更为简易。

回顾多年前,由于价格下降加上性能提升,使得32位MCU开始受到市场关注。这些优异的性能,加上更低的功耗,两相结合使得32位MCU产生一种不可抗拒的吸引力,在许多传统看不到32位的产品上,现在都纷纷可见到32位MCU的身影,例如手表或者家电(如冰箱)等。

一个存在设计人员心中很久的疑问,8位MCU与32位MCU到底差异在哪里?设计时又该如何做出正确选择?

众所周知,8位MCU在物理尺寸、功耗和成本方面优于32位MCU。设计项目本身或系统要求,将决定必须采用哪一种MCU。事实上,8位与32位MCU现阶段在成本方面并没有太大的不同,效能上则是一个比另一个更强大。但是,在设计时要做出正确的选择,了解两个微控制器之间的根本差异就非常重要。

一般来说,8位MCU在任何特定时间都只能进行8位的数据资料处理。而理论上,32位MCU则可以处理四倍的数据量,就技术面来看,32位MCU的确可以提高数据处理效率。但是,在8位和32位MCU之间进行选择,比较大的差异将会是在其资料处理的宽度。

通常面对8位和32位MCU之间抉择的时候,考虑以下几种差异性,将有助于为设计做出最佳决策。

2、成本与尺寸

首先,必须先从几个层面检查系统要求。在某些情况下,很明显8位MCU就足够了,特别是如果最终的程序只需容纳不到8KB的内存,并且预算要求很低,加上系统以及代码和数据量都很小,而且还必须兼顾到成本、物理尺寸和功耗等因素的话,那么8位MCU可能就足够了。

一般来说,8位MCU的成本较低,且尺寸也小于32位MCU,但近年来,32位MCU的成本越来越有竞争力,换句话说,相同价格之下,采用32位MCU可以提供更多的应用可能性。至于在整体功耗方面,处理效能较慢的8位MCU总是会胜过更快的32位MCU。

如果还是做不了决定的话,或许可以从这个角度来观察。基本上,在32位MCU价格竞争力越来越强的情况下,其价格与8位MCU越来越接近,或者可以说,8位MCU的价格就可以买到效能更优异的32位MCU了。

尽管32位MCU可以透过4倍的处理速度来执行更复杂的运算,然而在获取更高运算效能的同时,却也必须付出其他代价,也就是功耗同时将会提高。要知道在嵌入式系统(特别是类似物联网这种采用电池供电的装置)中,每多一份意料之外的耗电量都会成为整体系统的庞大负担。因此,如果所设计的系统对于MCU的需求,是介于8位与32位之间的灰色地带,但同时又对于功耗问题特别在意的话,那么8位MCU的吸引力真的会令设计人员无法抗拒。

3、运算速度和存储

与8位MCU相比,32位MCU的主要优势之一是其更出色的处理速度。典型的8位MCU通常以8 MHz运行,而32位MCU的时脉频率则可达数百MHz。如果只是使用MCU来开启机械继电器,就很可能会忽略到这些数据处理时的速度差异。但是,当运行的是需要大量数据处理的应用程序时,这些速度上的差异就会变得明显。例如,每天要处理上千次工作的门禁控制器,就需要采用32位的MCU。

8位MCU的优势在于价格便宜且易于使用。事实上,在许多应用中,它们已经被使用了40年之久,却仍然非常受欢迎。但是,如果所欲处理的是需要大量内部随机存取存储(RAM)的工作,那么可能就必须采用32位MCU来替换8位。32位MCU的RAM通常比8位产品多8倍。因此,例如工程师需要一个巨大的缓冲区来储存音讯数据的话,那么32位MCU便是最好的应用选择。

4、增加周边设备

通常来说,采用MCU的系统又称为嵌入式系统。嵌入式系统设计的基础,包括根据项目要求来增加所需要的周边设备。如果所需要的周边包括了以太网络、USB、UART和控CAN总线等介面,那么8位MCU肯定就不太足够。在使用上8位MCU还必须要增加这些通讯介面的芯片,这可能比采用单独的32位MCU还要花费更多。

与8位MCU相比,通常32位MCU的功能更丰富。凭借出色的处理速度,32位MCU可以有效地处理多个外部设备。但是必须注意的是,使用32位MCU将会消耗更多功率,尤其是在所有外部设备都开启运作时。

5、简单就是最大优势

8位MCU特色在于架构简单。相较之下,处理效能更加优异的32位MCU,却同时也背负着架构复杂的原罪。在设计上,有一个很重要的因素,就是简单。8位MCU的简单性创造了以下几项优势:在许多嵌入式设计上,8位比32位拥有更容易设计的优势,依循8位架构的软件和硬件比起32位将更为简易。

另外,开发工具也可以是设计成败的关键,因为特定的MCU可能无法使用免费设计工具,付费工具的成本可能会高到每个几百甚至到几千美元(视设计规模而定)。因此,免费的开放工具将有很大的吸引力。而所选择的MCU社群论坛也可能影响设计的成败,因为这取决于制造商的这款MCU产品有多少使用者支持,越多使用者的社群论坛,就有更多参考价值高的资料库文档。这对于设计的好坏与成败也具有重大的影响性。

本文引用地址: http://www.21ic.com/news/mcu/201901/865661.htm

围观 323

自成本是8位微控制器(MCU)设计中的关键驱动因素以来,市场上充斥着极低成本的型号。在本白皮书中,我们将给您介绍在规格表中找不到的8位微控制器(MCU)的常见隐形成本 - 以及需要注意的事项,以便您可以节约成本并快速将产品推向市场。

在信息电子世界中,32位微控制器(MCUs)正在被广泛使用,因此大多数人认为拥有46年历史的8位MCU的需求正在减弱。但对于许多工程师和产品设计师而言,事实并非如此。许多工业应用需要简单的监测,电机控制或嵌入式智能来监控电源或给既定系统回馈信息,而8位微控制器(MCU)既可满足这些要求,又可大大节省硬件资源,从而节省成本。又因系统在99%的时间内处于空闲状态,消费者和物联网应用也需要极低的睡眠电流。相较之下,8位的睡眠电流通常低于类似的32位睡眠电流。所以根据IHS Markit的说法,8位微控制器(MCU)填补了一个不会很快消失的空白,并且它仍然是拥有一个55亿美元的市场。

8位微控制器表现极佳——低功耗和极低功耗应用——使得它能够长盛不衰。所以在像烟雾探测器这样的电池供电设备不太可能很快消失。

此外,新兴的物联网(IoT)市场保持着高增长速度。它表明在可预见未来,8位微控制器都不可能消失。因为许多终端物联网系统执行着非常简单的数据收集或监控任务,这些应用不需要强的计算能力或需要极低的功耗。

想象一下,8位微控制器(MCU)是钉子,而32位微控制器(MCU)是螺钉。螺钉用更为坚固的方式来连接木材和材料,但是却比用钉子安装复杂并且费时。钉子的制作成本要低得多,并且钉枪可以更快地安装。所以在建造房屋的屋顶时,你只需要大量的钉子;但是如果使用螺钉,你就不可能很快地完成工作。此外,除非极端天气,否则螺钉对于固定屋顶来说是过度使用的。因此,简而言之,物联网(IoT)需要8位微控制器(MCU),就如家庭建设需要钉子。

除了物联网之外,消费产品领域也大量应用8位微控制器(MCU),这因为只有将产品快速推向市场才能够取得成功,例如,手机配件会因产品上市时间而成功或失败。而8位微控制器(MCU)的简单寄存器接口可实现快速开发。

但是,对于8位微控制器(MCU)而言,快速上市并不能保证成本。通常,关键的前期数据表规格还具有隐藏的含义——隐藏的成本。

在评估组件时,你可能要做的第一件事就是仔细检查规格表,以确保它符合您的设计要求。但是,尽管这看起来很彻底,但部分细节往往是未说明或隐藏的。请准备好阅读以下文字。

五个隐藏成本:

1、性能规格反映了有限的测试条件

最初的8位微控制器成本可能看起来很低,但是一旦设计和测试开始,开发人员通常会意识到性能值被错误描述并且只能够反映有限的测试条件。这需要花费更多的成本购买额外的硬件进行辅助才能,获得设计师在购买芯片后最初获得的性能水平 - 从而导致更长的开发时间。

2、可用性假设

大多数开发人员都希望微控制器具备某些标准,但是当你使用非常便宜的微控制器时,你就不能指望得到这些标准。例如,您可能会在16引脚封装中看到串行外围接口(SPI)和6个模拟数字转换器(ADC)通道。即使你使用串行外围接口(SPI),也可以假设你将获得六个通道。那么可能让我们惊讶的是——该芯片供应商使得串行外围接口(SPI)引脚与模数转换器(ADC)引脚相同,因此如果你现在需要全流控制串行外围接口(SPI),则只需要两个模数转换器(ADC)通道。

3、零件质量与一致性

如果器件一致性不好,你将不得不在糟糕的用户体验或围绕不一致性进行的设计之间做出选择,这样不仅增加成本或者会抵消你所期望的节省的成本。

4、持续供应

低成本,未知的芯片供应商存在寿命和连续性的风险。从商业的角度来看,他们试图提供例如10美分芯片后,希望能够尽可能多地获得收入以保持未来稳定发展;但是在他们意识到持续开发成本和支持的成本之后,收益达不到预期,担心公司失败,从而终止了该低价产品的供应转向利润更大的产品。

5、开发成本

编译器和其他工具可能很昂贵。一些供应商将所有代码示例存储在收费编译器上,而有些供应商则使用的工具质量差或者不用工具,这对于开发人员专用于该部件的工具的学习难度变高。这增加了上市时间,并再次打消了你所期望的节省成本的想法。

来源:Silicon Labs/芯科技

围观 371

该如何对8位以及32位的MCU进行选择?8位和32位MCU在功能上仍是互为辅助、各有千秋,这其中的诀窍就在于,需先了解什么样的应用适合什么样的MCU架构。

本文对比了8位MCU和32位MCU的使用案例,也可作为如何选择这两种MCU架构的指南使用。本文中大部分32位MCU的范例将关注ARM Cortex-M,Cortex-M在不同MCU供应商产品组合中表现得非常相似。鉴于8位MCU有很多种架构,所以很难对8位供应商产品进行类似的比较。为了便于进行比较,我们将使用广泛应用、易于理解的8051 架构,该架构深受嵌入式开发人员的青睐。

8位和32位MCU该如何选择?

有时,当我对比人们所熟知的事物(例如ARM和8051)时,感觉就像在物联网论坛上发出「《星际争霸战》比《星际大战》好看」的帖子一样,很快就能火起来。

事实上,ARM Cortex和8051哪个更好并不是个逻辑问题,就像是在问:吉他和钢琴哪个更好?真正要解决的问题应是哪种MCU能帮我更好地解决当下面临的问题。不同的任务需要使用不同的工具,我们的目的是要了解「如何才能更好地运用我们所拥有的工具」,包括8位和32位MCU。几乎可以肯定地说,那些简单回答「ARM更好」或「8051更好」的人各有其目的,他们也许正在试图销售某种产品。

对不同的设备进行比较,需要对其进行测量。有很多构建工具可供选择,我们尽量选择一些场景,我认为其能够进行最公平的比较,且最能代表开发人员的真实体验。

并非所有的MCU都是一样的

在开始对架构进行比较之前,要注意到并非所有生产的MCU都是一样的,这一点非常重要。如果将基于ARM Cortex-M0+处理器的现代MCU与30年前的8051 MCU进行对比,8051 MCU在性能对比上不会胜出。幸运的是,依然有许多供应商一直在对8位处理器持续投资。在许多应用中,8位内核能依然能够弥补M0+或M3内核不利的地方,甚至在一些方面性能更佳。

开发工具也很重要。现代嵌入式固件开发需要全功能IDE、现成的固件库、丰富的范例、完整的评估和入门套件以及助手应用以简化硬体设定、库管理和量产程式设计之类的工作。当MCU有了现代化的8位内核和开发环境后,在很多情况下,这样的MCU将超越基于ARM Cortex的类似MCU。

系统规模

一般性原则是,ARM Cortex-M内核更适用于较大的系统规模,而8051设备适用于较小的系统规模。中等规模的系统可以选择两种方式,这取决于系统要执行的任务。有必要注意一点,在大多数情况下,外设组合将会发挥重要的作用。如果需要3个UART、1个LCD控制器、4个时钟和2个ADC,你可能并不会在8位MCU上找到所有这些外设。

易用性vs成本和尺寸

对于中等规模的系统来说,使用任何一种架构都可以完成工作,需要权衡的是选择ARM内核带来的易用性,还是8051设备带来的成本和物理尺寸优势。ARM Cortex-M架构具有统一的存储映射模式,并且在所有常见编译器中支持完整的C99,这使得这种架构非常易于写固件。此外,还可得到一系列库和协力厂商代码。当然,这种易用性的代价就是成本。对于高复杂性、上市时间较短的应用或缺乏经验的固件开发人员来说,易用性是个重要因素。

尽管8位与32位组件相比有些成本上的优势,但真正的区别就在于成本级别。大家经常会发现具有2 KB/512 B(Flash/RAM)的小容量8位器件,而却很少见低于8 KB/2 KB的32位器件。在不需要很多资源的系统中,该范围的存储容量能够让系统开发人员获得显著降低成本的解决方案。因此,对成本极为敏感或仅需较小存储容量的应用会更倾向于选择8051解决方案。

通常,8位器件也具有物理尺寸上的优势。例如,某些MCU的32位QFN封装为4 mm×4 mm,而基于8051的8位器件的QFN封装可小至2 mm×2 mm。芯片级封装(CSP)的8位和32位架构之间的差异较小,但却使成本增加,且组装较难。对于空间严格受限的应用来说,通常需要选择8051 MCU来满足限制要求。

通用代码和RAM效率

8051 MCU成本较低的主要原因之一是,它通常比ARM Cortex-M内核更高效地使用Flash和RAM,这允许系统采用更少资源实现。系统越大,这种影响就越小。

但这种8位存储资源的优势并不总是如此,在某些情况下,ARM内核会像8051内核一样高效或比其更高效。例如:32位运算仅需要一条ARM设备指令,而在8051 MCU上则需要多条8位指令。显然,这种代码在ARM架构上有更高的执行效率。

ARM架构在Flash/RAM尺寸较小时的两个主要缺点是:代码空间效率和RAM使用的可预测性。首要也是最明显的问题是通用代码空间效率。8051内核使用1位组、2位组或3位组指令,而ARM内核使用2位组或4位组指令。通常情况下,8051指令更小,但这一优势因实际上花费许多时间而受到削弱,ARM内核比8051在一条指令下能做更多工作,32位运算就是这样一个范例。实践起来,指令宽度是能在8051上产生适度的更密集代码。

代码空间效率

在含有分散式访问变数的系统中,ARM架构的载入/存储架构通常比指令宽度更为重要。试想讯号量的实现,一个变数需要在代码周围的多个不同位置进行减量(分配)或者增量(释放)。ARM内核必须将变数载入到寄存器,对其进行操作并重新存储,这需要3条指令。另一方面,8051内核可以直接在记忆体位置上进行操作,且仅需1条指令。随着每次对变数完成工作量的增大,由于载入/存储而产生的消耗就变得微不足道。但对于每次仅完成一点工作的情况来说,载入/存储能产生重要影响,让8051获得明显的效率优势。

尽管讯号量在嵌入式软件中并非常见,但简单的计数器和标志讯号量却广泛应用于控制导向的应用中并起着相同的作用。许多常见的MCU代码都属于这一类型。

另一个原因是,ARM处理器比8051内核拥有更多的自由使用栈空间。通常情况下,8051设备针对每次函式呼叫仅在栈上存储返回位址(2位组),通常通过分配给栈的静态变数处理大量的任务。

在某些情况下,这会产生问题,因为这会造成函数预设不可重入。然而,这也意味着必须保留的栈空间很小,且完全可预测,这在RAM容量有限的MCU中至关重要。

架构细节

现在,我们来说基本情景。假设有基于ARM和基于8051的MCU各一个,配有所需的外设,那么对于较大的系统或需要重点考虑易用性的应用来说,ARM设备是更好的选择。如果首要考虑的是低成本/小尺寸,那么8051设备将是更好的选择。下面我们对于每种架构更擅长的应用进行更详细的分析,同时也划分出一般原则。

(1) 延时

两种架构的中断和函式呼叫延时存在很大差异,8051比ARM Cortex-M内核更快。此外,高级外设汇流排(APB)配备的外设也会影响延时,这是因为资料必须通过APB和AMBA高性能汇流排(AHB)传输。最后,当使用高频内核时钟时,许多基于Cortex-M的MCU需要分配APB时钟,这也增加了外设延时。

我做了1个简单的实验,实验中的中断是通过I/O引脚触发的。该中断对引脚发出一些信号,并根据引发中断的引脚更新标志。然后我测量了一些参数显示了32位的实现。

简单说明这个实验结果,8051内核在中断服务程式(ISR)进入和退出时显示出优势。但是,随着中断服务程式(ISR)越来越大和执行时间的增加,这些延迟将变得微不足道。和已有原则一致,系统越大,8051的优势越小。此外,如果中断服务程式(ISR)涉及到大量资料移转或大于8位的整数资料运算,中断服务程式(ISR)执行时间的优势将转向ARM内核。例如,一个采用新样本更新16位或32位移动平均的ADC ISR可能在ARM设备上执行得更快。

(2) 控制vs处理

8051内核的基本功能是控制代码,其中对于变数的访问是分散的,并且使用了许多控制逻辑(if、case等)。8051内核在处理8位资料时也是非常有效的,而ARM Cortex-M内核擅长资料处理和32位运算。此外,32位资料通道使得ARM MCU复制大包的资料更加有效,因为它每次可以移动4个位组,而8051每次仅能够移动1个位组。因此,那些主要把资料从一个地方移动到另一个地方(例如UART到CRC或者到USB)的流资料处理的应用更适合选择基于ARM处理器的系统。

这并不意味着有大量资料移动或32位运算的应用不应该选择8051内核完成。在许多情况下,其他方面的考虑将超过ARM内核的效率优势,或者说这种优势是不相关的。考虑使用UART到SPI桥接器,该应用花费大部分时间在外设之间复制资料,而ARM内核会更高效地完成该任务。

然而,这也是一个非常小的应用,可能小到足以放入一个仅有2 KB存储容量的器件就足够合适。尽管8051内核效率较低,但它仍然有足够的处理能力去处理该应用中的高资料速率。对于ARM设备来说,可用的额外周期可能处于空闲回圈或「WFI」(等待中断),等待下一个可用的资料片到来。在这种情况下,8051内核仍然最有意义,因为额外的CPU周期是微不足道的,而较小的Flash封装会节约成本。如果我们要利用额外的周期去做些有意义的工作,那么额外的效率将是至关重要的,且效率越高可能越有利于ARM内核。这个例子说明,清楚被开发系统所关注的环境中的各种架构优势是何等重要。做出这个最佳的决定是简单但却重要的一步。

(3) 指针

8051设备没有像ARM设备那样的统一的存储映射,而是对存取码(Flash)、IDATA(内部RAM)和XDATA(外部RAM)有不同的指令。为了生成高效的代码,8051代码的指标会说明它指向什么空间。然而,在某些情况下,使用通用指标可以指向任何空间,但是这种类型的指标是低效的访问。例如,将指标指向缓冲区并将该缓冲区资料输出到UART的函数。如果指标是XDATA指标,那么XDATA阵列能被发送到UART,但在代码空间中的阵列首先需要被复制到XDATA。通用指标能同时指向代码和XDATA空间,但速度较慢,并且需要更多的代码来访问。

专用区域指标在大多情况下能发挥作用,但是通用指标在编写使用情况未知的可重用代码时非常灵活。如果这种情况在应用中很常见,那么8051就失去了其效率优势。

(4) 通过选择完成工作

我已经注意到多次,运算倾向于选择ARM,而控制倾向于选择8051,但没有应用仅仅着眼于计算或控制。我们怎样才能表征广义上的应用,并计算出它的合适范围呢?让我们考虑一个由10%的32位计算、25%的控制代码和65%的一般代码构成的假定的应用,它不能明确地归于8位或32位类别。

这个应用也更注重代码空间而不是执行速度,因为它并不需要所有可用MIPS,并且必须为成本进行优化。成本比应用速度更为重要的事实在一般代码情形下将给8051内核带来微弱优势。此外,8051内核在控制代码中有中间等级的优势。ARM内核在32位计算上占上风,但是这并非是很多应用所考虑的。考虑到所有这些因素,这个特殊的应用选择8051内核更加合适。

如果进行细微的改变,假设该应用更关心执行速度而非成本,那么通用代码不会倾向于哪种架构,并且ARM内核在计算代码中全面占优势。在这种情况下,虽然有比计算更多的控制代码,但是总的结果将相当均衡。显然,在这个过程中有很多的评估,但是分解应用,然后评估每一元件的技术将?明并确保我们了解在哪种情况下哪种架构有更显著的优势。

功耗

当查阅资料手册时,很容易根据功耗资料得出哪个MCU更优的结论。虽然睡眠模式和工作模式电流性能在某些类型MCU上更优,但是这一评估可能会非常具有误导性。占空比(在每个电源模式上分别占用多少时间)将始终占据功耗的主导地位。除非两个器件的占空比相同,否则资料手册中的电流规格几乎是没有意义的。最适合应用需求的核心架构通常具有更低的功耗。

假设有一个系统,在设备被唤醒后添加一个16位ADC样本到移动平均,然后返回到休眠状态,直到获取下一个样本时才又被唤醒。该任务涉及到大量16位和32位计算。ARM设备将能够进行计算,并比8051设备更快返回到休眠状态,这会让系统功耗更低,即使8051具有更好的睡眠和工作模式电流。当然,如果进行的任务更适合8051设备,那么MCU功耗由于相同的原因而对系统有利。

8位或32位?我仍然不能决定!

如果考虑到所有这些变数后,仍然不清楚哪些MCU架构是最好的选择,会怎样?那好吧!这说明,它们都是很好的选择,你使用哪种体系结构并不是紧要的事情。如果没有明确的技术优势,那么过去的经验和个人喜好在你的MCU架构决定中也起到了很大的作用。

此外,你也可以利用这个机会去评估可能的未来项目,如果大多数未来专案更适合ARM设备,那么选择ARM,如果未来项目更侧重于降低成本和尺寸,那么就选择8051。

这到底意味着什么呢?

8位MCU仍然可以为嵌入式开发人员提供许多功能,并且越来越关注物联网。当开发人员开始设计时,重要的是确保从工具箱中获得合适的工具。虽然我还是很乐意把8051出售给可能更适合选择32位设备的客户,但是我不禁想象,如果开发人员仅仅花费1个小时思考就作出决定,那么他们的工作将会更加容易、最终的产品将会更好。

实际上的难题是,不能仅仅依赖于一些演示文件中的一两个要点,就得出选择MCU架构的结论。然而,一旦你有正确的资讯,并愿意花一点时间应用它,就不难作出最佳选择。(文章来源:新电子)

转自:嵌入式资讯精选

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作者:Mark Pallones Microchip Technology Inc. 8位单片机产品部 主任应用工程师

开关模式可调光LED驱动器凭借其高效性以及对LED电流的精确控制而闻名。这类LED驱动器还可以提供调光功能,使得最终用户在营造奇幻灯光效果的同时有效降低自身功耗。基于8位单片机(MCU)的解决方案可针对此类应用提供必要的模块,从而实现通信、定制和智能控制功能。此外集成的独立于内核的外设,与纯模拟或ASIC实现相比可显著提升灵活性,扩展照明产品功能的同时塑造产品差异化,从而实现创新。这类智能照明解决方案具备故障预测和维护、能量监测,色温维持以及远程通信和控制等功能,功能之丰富不胜枚举,并且将因此而倍受青睐。

虽然LED驱动器与先前的照明解决方案相比具备诸多优势,但其实现过程中也会面临许多挑战。但您不必担心,阅读完本文章后,您将会了解如何使用8位MCU来轻松应对这些设计挑战,从而打造出高性能的开关模式LED驱动解决方案,功能之丰富令传统解决方案只能望其项背。

8位单片机可独立控制最多四个LED通道,这是大多数现成LED驱动器控制器所不具备的一项独特能力。在图1中,LED调光引擎可由单片机中提供的外设构成。这些引擎均具有独立的封闭通道,极少需要甚至不需要中央处理单元(CPU)干预即可控制开关模式电源转换器。这样可以释放CPU以执行其他重要任务,比如系统中的监控功能、通信功能或新增的智能功能。

LED调光引擎:基于8位MCU的开关模式可调光LED驱动器解决方案
图1:通过Microchip的PIC16F1779 8位单片机控制四个LED串的图示

LED调光引擎

在图2中,基于电流模式升压转换器的LED驱动器由LED调光引擎控制。该引擎主要由互补输出发出发生器(COG)、数字信号调制器(DSM)、比较器、可编程斜坡发生器(PRG)、运算放大器(OPA)和脉宽调制器3(PWM3)等独立于内核的外设(CIP)组成。这些CIP与固定稳压器(FVR)、数模转换器(DAC)和捕捉/比较/PWM(CCP)等其他片上外设一起组成完整的引擎。COG将高频开关脉冲提供给MOSFET Q1,从而将能量和供电电流传输给LED串。COG输输出的开关周期通过CCP和占空比设置,用于维持LED恒定电流,具体取决于比较器输出。每当Rsense1两端的电压超过PRG模块的输出时,比较器就会产生一个输出脉冲。PRG的输入源自反馈电路中的OPA输出,它被配置为斜率补偿器,以在占空比大于50%时抵消固有次谐波振荡的影响。

OPA模块实现为具有II型补偿器配置的误差放大器(EA)。FVR用作DAC输入,根据LED恒定电流规范为OPA同相输入提供参考电压。

为了实现调光目的,PWM3用作CCP输出的调制器,同时驱动MOSFET Q2以使LED快速循环亮起和熄灭。调制操作可通过DSM模块来完成,调制后的输出信号馈送到COG。PWM3可提供占空比可变的脉冲,用于控制驱动器的平均电流,实际上控制的是LED的亮度。

LED调光引擎不仅可以实现典型LED驱动器控制器的功能,而且还具备解决LED驱动器典型问题的能力。现在,我们将探讨这些问题并分析如何使用LED调光引擎来加以避免。

LED调光引擎:基于8位MCU的开关模式可调光LED驱动器解决方案
图2.LED调光引擎

频闪

频闪是典型开关模式可调光LED驱动器可能面临的挑战之一。虽然精心策划的频闪会带来有趣的效果,但如果LED发生意外频闪,则会破坏用户期望的灯光设计。为了避免频闪并提供平滑调光体验,应确保驱动器从最高档位(即100%灯光输出)一直到最低档位的调光效果都是连续流畅的。由于LED会瞬间响应电流变化并且不具有阻尼效果,因此驱动器必须具有足够多的调光档位才能确保人眼察觉不到变化。为了满足这一要求,LED调光引擎采用PWM3来控制LED的调光。PWM3是16位分辨率的PWM,从100%到0%占空比共有65536个档位,可保证亮度平滑切换。

LED色温转换

LED驱动器还可以转换LED的色温。 此颜色变化是人眼能够察觉得到的,削弱了客户对享受优质LED照明体验的主张。图3给出了典型的PWM LED调光波形。当LED熄灭时,由于输出电容缓慢放电,LED电流会逐渐减小。此事件会导致LED发生色温漂移且功耗增大。

LED调光引擎:基于8位MCU的开关模式可调光LED驱动器解决方案
图3.LED调光波形

可以使用负载开关来防止输出电容缓慢放电。例如,在图2中,电路使用Q2作为负载开关,LED
调光引擎会同步关闭COG PWM输出和Q2,以便切断电流衰减路径,让LED快速熄灭。

峰值电流

当使用开关模式功率转换器驱动LED时,将采用反馈电路来调节LED电流。但是,如果在调光期间操作不当,反馈电路会产生峰值电流(见图3)。回顾图2,当LED点亮时,电流传输到LED,RSENSE2两端的电压馈送到EA。当LED熄灭时,没有电流传输到LED,RSENSE2电压变为零。在此调暗期间,EA输出会增加到最大值,并使EA补偿网络过充。当调制的PWM再次导通时,如果有高峰值电流驱动到LED,则需要若干个周期才能恢复。此峰值电流会削减LED的使用寿命。

为了避免这一问题,LED调光引擎允许将PWM3用作OPA的改写源。当PWM3为低电平时,EA的输出呈三态,将补偿网络与反馈回路完全断开,并将保持最后一个稳定反馈点作为补偿电容中存储的电荷。当PWM3为高电平且LED再次点亮时,补偿网络重新连接,EA输出电压立即跳到其先前的稳定状态(PWM3为低电平之前),并且几乎立即恢复LED电流设定值。

完整解决方案

如前文所述,LED调光引擎极少需要甚至不需要CPU干预即可正常工作。因此,在将所有对于LED驱动器的控制工作分配给各个CIP时,CPU将具有充足的带宽来执行其他重要任务。 此外,通过对检测到的输入和输出电压进行处理,可以执行欠压锁定(UVLO)、过压锁定(OVLO)和输出过压保护(OOVP)等保护功能。这样可确保LED驱动器按照规范要求工作,并且LED不受异常输入和输出条件的影响。CPU还可以处理来自传感器的温度数据,以实现对LED的热管理。而且,当设置LED驱动器的调光级别时,CPU可以处理来自简单外部开关或串行通信命令的触发信号。此外,LED驱动器的参数可以通过串行通信的方式发送到外部设备以进行监控或测试。

除了上述功能之外,设计师还可以在自己的LED应用中尽情添加更多智能功能,包括通信(例如,DALI或DMX)和定制控制功能等。图4给出了使用LED调光引擎的完整开关模式可调光LED驱动器解决方案示例。

LED调光引擎:基于8位MCU的开关模式可调光LED驱动器解决方案
图4.开关模式可调光LED驱动器解决方案

结论

LED调光引擎可用于打造高效型开关模式可调光LED驱动器。高效性体现在其能够驱动多个LED串、提供高效能源、确保LED达到最佳性能、维持较长的LED使用寿命以及在系统中增添智能功能。

来源: http://www.microchip.com.cn/newcommunity/

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Microchip Technology Inc.8位单片机产品部 主任应用工程师 Mark Pallones

开关模式可调光LED驱动器凭借其高效性以及对LED电流的精确控制而闻名。这类LED驱动器还可以提供调光功能,使得最终用户在营造奇幻灯光效果的同时有效降低自身功耗。基于8位单片机(MCU)的解决方案可针对此类应用提供必要的模块,从而实现通信、定制和智能控制功能。

此外集成的独立于内核的外设,与纯模拟或ASIC实现相比可显著提升灵活性,扩展照明产品功能的同时塑造产品差异化,从而实现创新。这类智能照明解决方案具备故障预测和维护、能量监测,色温维持以及远程通信和控制等功能,功能之丰富不胜枚举,并且将因此而倍受青睐。

虽然LED驱动器与先前的照明解决方案相比具备诸多优势,但其实现过程中也会面临许多挑战。但您不必担心,阅读完本文章后,您将会了解如何使用8位MCU来轻松应对这些设计挑战,从而打造出高性能的开关模式LED驱动解决方案,功能之丰富令传统解决方案只能望其项背。

8位单片机可独立控制最多四个LED通道,这是大多数现成LED驱动器控制器所不具备的一项独特能力。在图1中,LED调光引擎可由单片机中提供的外设构成。这些引擎均具有独立的封闭通道,极少需要甚至不需要中央处理单元(CPU)干预即可控制开关模式电源转换器。这样可以释放CPU以执行其他重要任务,比如系统中的监控功能、通信功能或新增的智能功能。

基于8位MCU的开关模式可调光LED驱动器解决方案
图1:通过Microchip的PIC16F1779 8位单片机控制四个LED串的图示

LED调光引擎

在图2中,基于电流模式升压转换器的LED驱动器由LED调光引擎控制。该引擎主要由互补输出发出发生器(COG)、数字信号调制器(DSM)、比较器、可编程斜坡发生器(PRG)、运算放大器(OPA)和脉宽调制器3(PWM3)等独立于内核的外设(CIP)组成。这些CIP与固定稳压压器(FVR)、数模转换器(DAC)和捕捉/比较/PWM(CCP)等其他片上外设一起组成完整的引擎。COG将高频开关脉冲提供给MOSFET Q1,从而将能量和供电电流传输给LED串。COG输输出的开关周期通过CCP和占空比设置,用于维持LED恒定电流,具体取决于比较器输出。每当Rsense1两端的电压超过PRG模块的输出时,比较器就会产生一个输出脉冲。PRG的输入源自自反馈电路中的OPA输出,它被配置为斜率补偿器,以在占空比大于50%时抵消固有次谐波振荡的影响。

OPA模块实现为具有II型补偿器配置的误差放大器(EA)。FVR用作DAC输入,根据LED恒定电流规范为OPA同相输入提供参考电压。

为了实现调光目的,PWM3用作CCP输出的调制器,同时驱动MOSFET Q2以使LED快速循环亮起和熄灭。调制操作可通过DSM模块来完成,调制后的输出信号馈送到COG。PWM3可提供占空比可变的脉冲,用于控制驱动器的平均电流,实际上控制的是LED的亮度。

LED调光引擎不仅可以实现典型LED驱动器控制器的功能,而且还具备解决LED驱动器典型问题的能力。现在,我们将探讨这些问题并分析如何使用LED调光引擎来加以避免。

基于8位MCU的开关模式可调光LED驱动器解决方案
图2.LED调光引擎

频闪

频闪是典型开关模式可调光LED驱动器可能面临的挑战之一。虽然精心策划的频闪会带来有趣的效果,但如果LED发生意外频闪,则会破坏用户期望的灯光设计。为了避免频闪并提供平滑调光体验,应确保驱动器从最高档位(即100%灯光输出)一直到最低档位的调光效果都是连续流畅的。由于LED会瞬间响应电流变化并且不具有阻尼效果,因此驱动器必须具有足够多的调光档位才能确保人眼察觉不到变化。为了满足这一要求,LED调光引擎采用PWM3来控制LED的调光。PWM3是16位分辨率的PWM,从100%到0%占空比共有65536个档位,可保证亮度平滑切换。

LED色温转换

LED驱动器还可以转换LED的色温。 此颜色变化是人眼能够察觉得到的,削弱了客户对享受优质LED照明体验的主张。图3给出了典型的PWM LED调光波形。当LED熄灭时,由于输出电容缓慢放电,LED电流会逐渐减小。此事件会导致LED发生色温漂移且功耗增大。

基于8位MCU的开关模式可调光LED驱动器解决方案
图3.LED调光波形

可以使用负载开关来防止输出电容缓慢放电。例如,在图2中,电路使用Q2作为负载开关,LED调光引擎会同步关闭COG PWM输出和Q2,以便切断电流衰减路径,让LED快速熄灭。

峰值电流

当使用开关模式功率转换器驱动LED时,将采用反馈电路来调节LED电流。但是,如果在调光期间操作不当,反馈电路会产生峰值电流(见图3)。回顾图2,当LED点亮时,电流传输到LED,RSENSE2两端的电压馈送到EA。当LED熄灭时,没有电流传输到LED,RSENSE2电压变为零。在此调暗期间,EA输出会增加到最大值,并使EA补偿网络过充。当调制的PWM再次导通时,如果有高峰值电流驱动到LED,则需要若干个周期才能恢复。此峰值电流会削减LED的使用寿命。

为了避免这一问题,LED调光引擎允许将PWM3用作OPA的改写源。当PWM3为低电平时,EA的输出呈三态,将补偿网络与反馈回路完全断开,并将保持最后一个稳定反馈点作为补偿电容中存储的电荷。当PWM3为高电平且LED再次点亮时,补偿网络重新连接,EA输出电压立即跳到其先
前的稳定状态(PWM3为低电平之前),并且几乎立即恢复LED电流设定值。

完整解决方案

如前文所述,LED调光引擎极少需要甚至不需要CPU干预即可正常工作。因此,在将所有对于LED驱动器的控制工作分配给各个CIP时,CPU将具有充足的带宽来执行其他重要任务。 此外,通过对检测到的输入和输出电压进行处理,可以执行欠压锁定(UVLO)、过压锁定(OVLO)和输出过压保护(OOVP)等保护功能。这样可确保LED驱动器按照规范要求工作,并且LED不受异常输入和输出条件的影响。CPU还可以处理来自传感器的温度数据,以实现对LED的热管理。而且,当设置LED驱动器的调光级别时,CPU可以处理来自简单外部开关或串行通信命令的触发信号。此外,LED驱动器的参数可以通过串行通信的方式发送到外部设备以进行监控或测试。

除了上述功能之外,设计师还可以在自己的LED应用中尽情添加更多智能功能,包括通信(例如,DALI或DMX)和定制控制功能等。图4给出了使用LED调光引擎的完整开关模式可调光LED驱动器解决方案示例。

基于8位MCU的开关模式可调光LED驱动器解决方案
图4.开关模式可调光LED驱动器解决方案

结论

LED调光引擎可用于打造高效型开关模式可调光LED驱动器。高效性体现在其能够驱动多个LED串、提供高效能源、确保LED达到最佳性能、维持较长的LED使用寿命以及在系统中增添智能功能。

转自: microchip

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