PIC-MCU löst zehn LED-Treiberprobleme

Bild 1: LED-Abwärtswandler.Microchip

Der PIC12HV752 ist ein kleiner und preisgünstiger Mixed-Signal-Mikrocontroller, der speziell für die Anforderungen der LED-Beleuchtungstechnik-Entwickler konzipiert wurde. Entwicklern auf diesem Gebiet geht es um bessere Energieeffizienz; daher suchen sie nach neuen und innovativen Solid-State-Lighting (SSL)-Lösungen. Weiterhin wollen sie ihren Unternehmen helfen, sich durch die Integration von Intelligenz in die Beleuchtungstechnik von der Konkurrenz abzuheben. Egal wie dies erreicht werden soll – durch die Bereitstellung von Datenkommunikationsfunktionen, moderner Sensortechnik, berührungsempfindlichen Eingängen oder einfach nur durch ein höheres Maß an Flexibilität – die wichtigste neue Anforderung ist dabei die Existenz eines Gehirns in Form eines kleinen Flash-gestützten Mikrocontrollers. Weil diese Anwendungen möglicherweise in sehr großen Stückzahlen aufgelegt werden, wird man immer besonders auf die Gesamtkosten der Lösung achten, oft genug aber nicht auf deren Abmessungen.

Dabei ist es kaum überraschend, dass alle in den folgenden zehn Punkten vorgestellten Funktionsmerkmale letztendlich eine erhebliche Kosten- und Größenreduktion der Gesamtschaltung bewirken.

Bild 2: Offline-Schaltwandler.Microchip

Aus Gründen einer einfacheren Darstellung beziehen sich die meisten Überlegungen in diesem Artikel auf eine Abwärtswandler- oder Schaltwandler-Topologie. Wer sich mit Schaltungstechnik auskennt, wird das hier Vorgestellte allerdings problemlos auf eine andere, komplexere Technologie seiner Wahl umsetzen können.

Punkt 1: Direkter Betrieb an hoher Versorgungsspannung

Erweitert man eine ansonsten einfache (analoge) DC/DC-Wandlerschaltung um einen Mikrocontroller, denkt man wohl als Erstes daran, wie problematisch MCUs in Bezug auf ihre Versorgungsspannung sein können. Erfreulicherweise muss man sich beim PIC12HV752 keine Gedanken über die Bereitstellung einer gut geregelten 5-V-Schiene machen. Wie das HV in der Teilenummer schon andeutet, enthält dieser Baustein einen auf dem Chip integrierten Shunt-Regler. Man verbindet also den Baustein einfach über einen einzelnen in Serie geschalteten Widerstand mit der Hochvolt-Versorgungsspannung. Der Shunt (der ähnlich wie eine Z-Diode arbeitet) bestimmt den Wert des Stroms entsprechend der Einsatz-Anforderungen und erzeugt damit einen Spannungsabfall über den Widerstand. Bei richtiger Dimensionierung garantiert der Shunt-Widerstand, dass nicht mehr als 5 V (±10 %) an den Bauteil-Anschlüssen (V_dd – GND) anliegen.

Zur Sicherung einer ausreichend geregelten Versorgungsspannung ist ein Mindeststrom erforderlich: 1 mA über den gesamten Temperaturbereich von -40 bis +85 °C genügen. Darüber hinaus kann man anhand des ohmschen Gesetzes den kleinsten erforderlichen Widerstandswert sowie dessen Leistungsklasse ermitteln.

Der PIC12HV752 enthält eine Power-on Reset-Schaltung, die eine korrekte Einschalt-Sequenzierung gewährleistet sowie eine Unterspannungs-Erkennungsschaltung, die einen sicheren Betrieb beim Ein- und Ausschalten der Versorgungsspannung garantiert. So benötigt die MCU keine weiteren externen Bausteine mehr.

Punkt 2: Überwachung der Versorgungsspannung

Bild 3a: Überwachung der Versorgungsspannung.Microchip

Neben den Bedingungen beim Hochfahren sowie beim Ein- und Ausschalten sprechen noch etliche weitere Gründe für den Einsatz einer absoluten Spannungsreferenz. Der PIC12HV752 enthält daher eine feste Spannungsreferenz (Fixed Voltage Reference, FVR) mit einer nominellen Ausgangsspannung von 1,2 V, die man direkt und ohne die Notwendigkeit externer Verbindungen an einen 10 Bit A/D-Wandler-Eingangskanal und/oder an einen analogen Komparator-Eingang legen kann. So kann der Mikrocontroller seine V_dd mit einer absoluten Spannung vergleichen. Ein solcher Spannungsvergleich ist bei Nutzung einer Batterie-Stromversorgung zur Erkennung eines niedrigen Ladezustands nützlich, und kann bei Nutzung eines Schaltreglers für die Ausgangsspannungs-Regelung einer sekundären Spannungsquelle zur Entlastung des Shunt-Reglers (siehe Punkt 1) nach einer kurzen anfänglichen Bootstrap-Phase dienen. Letzteres ermöglicht eine Verbesserung des Gesamt-Wirkungsgrads der Schaltung bei nur sehr geringem Rechenaufwand.

Bild 3b: Überwachung der Batteriespannung.Microchip

Punkt 3: Betrieb mit hohen/höheren Taktfrequenzen

Beim Analogkomparator-Modul im Inneren des PIC12HV752 handelt es sich nicht um die typische Komponente, die man in einem normalen Mikrocontroller erwarten würde. Der Komparator im Mikrocontroller hat eine Reaktionszeit von weniger als 30 ns. Dies bietet Vorteile bei der Steuerung des Spitzenstroms im Abwärtswandler, der bei Taktraten von bis zu 500 kHz arbeitet. Die meisten kostengünstigen DC/DC-Wandler arbeiten allerdings weit unterhalb dieses Grenzwerts und nutzen meist eine Taktfrequenz von 150 bis 250 kHz als optimalen Kompromiss zwischen Kosten und Größe.

Die Option zur Umschaltung des Komparators in eine Stromspar-Betriebsart dürfte für manche Anwender interessant sein, weil man mit ihr anstelle hoher Geschwindigkeit einen niedrigen Stromverbrauch erzielen kann. Damit verringert sich die Reaktionszeit auf etwa 200 ns, der Modul-Stromverbrauch nimmt dafür aber im Stromspar-Modus erheblich ab. Dies ist eine wichtige Option, wenn man den Komparator in alternativen Anwendungen – womöglich im Batteriebetrieb – nur als Spannungsquellen-Detektor nutzt.

Punkt 4: Messverluste verringern

Bild 4: Verringerung der Messverluste.Microchip

Das D/A-Wandlermodul im PIC12HV752 ist für einen Betrieb zusammen mit den Komparatoren in einer typischen Abwärts- oder Schaltwandler-Topologie ausgelegt und bietet einen Limited-Range-Modus mit 5-Bit-Auflösung. Dabei ist der Wandler mit allen entsprechenden internen Verbindungen so konfiguriert, dass er als Spitzenstrom-Detektor in der Rückkopplungsschaltung arbeitet. Man könnte nun meinen, dass 5 Bit höchstens für besonders rudimentäre Regelungs-Anforderungen ausreichend sind – bei einer genaueren Betrachtung der Arbeitsweise dieses Moduls sieht das jedoch anders aus: Um höchstmöglichen Wirkungsgrad zu erzielen, wird man zur Messung des (Spitzen-) Stromwertes einen möglichst kleinen Serienwiderstand in den Lastkreis (die Kette von LEDs) einfügen. Realistischerweise geht es dabei um einen Widerstandswert, der einen Rückkopplungs-Spannungsabfall im Bereich von einigen hundert (300) mV erzeugt. Ein größerer Wert würde unnötig Energie vergeuden, ein geringerer Wert könnte zu Problemen aufgrund eines schlechten Rauschabstands führen. Legt man dieses Signal an eine Seite eines (schnellen) Komparators an, während der D/A-Wandler zur Definition des Auslösepunkts mit dem anderen Anschluss verbunden ist, dann wird das D/A-Wandlermodul seine maximale Auflösung speziell im Bereich zwischen 0 und 300 mV bieten. Der Limited-Range-Modus im PIC12HV752 funktioniert genau auf diese Weise und bietet damit die gleiche effektive Auflösung wie ein 9-Bit-D/A-Wandler (10 mV bei 5 V), allerdings ohne dessen Kosten.

Punkt 5: Verringerung der Schaltverluste

Bild 5: Verringerung der Schaltverluste.Microchip

DC/DC-Wandlerdesigns nutzen synchrone Schalttopologien zur Verbesserung des Wirkungsgrads (und zur Verringerung der so genannten Schaltverluste), wenn die Ausgangsspannung relativ niedrig ist (kurze LED-Ketten oder nur ein einziges LED).

Der Vorwärts-Spannungsabfall der in allen Auf- und Abwärtswandler-Topologien enthaltenen Freilaufdiode kann prinzipiell als Ursache für Leistungsverluste angesehen werden. Ersetzt man diese Diode durch ein zweites aktives Element, so kann man diese Verluste auf Kosten eines zusätzlichen MOSFETs und eines geringen zusätzlichen Schaltungsaufwands zur Ansteuerung mit dem passenden (komplementären) Timing verringern. Im PIC12HV752 lässt sich diese Möglichkeit sehr einfach implementieren, da das Komparator-Ausgangssignal (oder das des PWM-Moduls) an ein kleines Modul, den Complementary Output Generator (COG) übergeben wird, das zwei komplementäre Ausgangssignale zur Ansteuerung des MOSFET-Paares liefert.

Das COG-Modul ermöglicht eine zusätzliche Kontrolle über die zwei Ausgangssignale – dem so genannten Dead-Band. Mit dieser Maßnahme lässt sich vermeiden, dass die Kapazität der beiden MOSFETs-Gates zu einem gefährlichen Cross-Bar-Effekt (Spannungsdurchschlag) führt. Tatsächlich liefert der COG einen noch wesentlich größeren Beitrag zur sicheren Steuerung der synchronen Ausgänge:

• Eingangs-Auslöschung vermeidet Störungen in der Strom-Rückkopplung und damit Mehrfach-Schaltvorgänge,
• Phasenverzögerung zur Stabilisierung des Systems ohne zusätzliche externe Kompensations-Schaltungen,
• wählbare Signalquellen-Eingänge für steigende und fallende Flanken (PWM, Komparator, Pin),
• unabhängige Dead-Band-Steuerung für ansteigende und abfallende Flanken,
• wählbare Abschaltungs-Signalquellen,
• Auto-Restart Enable,
• Override-Steuerung für das Auto-Shutdown Pin.

Alle diese Funktionen bieten zusätzliche Flexibilität, mit der man den optimalen Kompromiss zwischen Bauteil-Anzahl, Kosten und Effizienz erzielen kann.

Punkt 6: MOSFET-Ansteuerung

Bild 6: MOSFET-Ansteuerung.Microchip

Unter den wenigen Komponenten, die zum Aufbau eines kompletten DC/DC-Wandlers notwendig sind, befindet sich immer mindestens ein (Power) MOSFET. PIC-Mikrocontroller sind bekannt für gute Quellen- und Senkenleistung am Ausgang (25 mA); um einen MOSFET-Betrieb außerhalb des linearen Bereichs zu gewährleisten, braucht es jedoch mehr.

MOSFET-Treiber sind überall erhältlich und nicht besonders teuer, dabei ist aber alles relativ. Dank seiner Treiberfähigkeit von 50 mA (als Senke und Quelle) an zwei ausgewählten I/O-Pins (natürlich entsprechend den zwei COG-Ausgängen) liefert der PIC12HV752 einen wichtigen Beitrag zur Kostensenkung. Diese Werte sind zwar weit entfernt von den Stromwerten, die manche diskrete MOSFET-Treiber-ICs bieten, doch dies ist ein Kompromiss, der sorgfältige Betrachtung erfordert. Einerseits benötigt ein MOSFET-Treiber (möglicherweise zwei) zusätzliche Kosten und Platzbedarf, andererseits ist er mit Verlusten verbunden, die den Wandler-Wirkungsgrad verschlechtern und eine Ableitung der Verlustwärme erfordern. Die speziellen Design-Anforderungen bestimmen, wofür man sich letztendlich entscheiden wird. So trifft der Wirkungsgrad-Verlust weniger die Low-Power-Designs, dafür spielen hier Kostenerwägungen eine größere Rolle. Moderne MOSFETs (mit digitaler Ansteuerung) werden immer erschwinglicher und dürften die Entscheidung oft zu Gunsten einer einfacheren Lösung beeinflussen.

Punkt 7: Stromverbrauch

Bild 7: Stromverbrauch im Sleep- und Active-Mode.Microchip

Aus den Beschreibungen weiter oben folgt, dass der PIC12HV752 für eine hybride Lösung konzipiert wurde: Die DC/DC-Wandlung im Herzen des LED-Treiberdesigns erfolgt analog und erfolgt nach einer anfänglichen, einfachen Konfiguration durch die MCU fast vollständig autonom. Anwendungen wie diese stellen nur minimale Rechenleistungs-Anforderungen – man kann also von einer Zero-MIPS-Lösung sprechen. Damit steht dem Entwickler die gesamte Rechenleistung der MCU für die Implementation von Intelligenz zur Verfügung, während eine intelligente Kombination aus Komparator (oder PWM), D/A-Wandler und COG-Modul die eigentliche Arbeit im Hintergrund ausführt.

Interessanterweise geht es bei etlichen Anwendungen im Umfeld von intelligenteren Beleuchtungslösungen darum, was die Leuchte tut, wenn sie nicht aktiv ist. In solchen Fällen muss die MCU einsatz- und betriebsbereit sein, und ihr Stromverbrauch wird zur bestimmenden Komponente des gesamten Energie-Budgets für die Anwendung. Der Stromverbrauch des PIC12HV752 im aktiven Betrieb zählt erfreulicherweise nach heutigen Standards zu den niedrigsten Werten am Markt, wenn er nicht sogar absolut der niedrigste ist. Eine Charakterisierung ergab einen Wert von unter 45 µA/MHz (bei 2 V).

Wenn der Baustein nicht aktiv ist (Sleep-Modus), das heißt wenn er keinen Code ausführt und alle Peripherieelemente abgeschaltet sind, dann fällt der Kern-Stromverbrauch auf 10 nA. Dieser Wert ist so klein, dass er die Auflösung vieler Messgeräte unterschreitet, die die meisten Leser an ihrem Arbeitsplatz haben dürften.

Punkt 8: Daten-Erhalt

Der PIC12HV752 ist ein Flash-Mikrocontroller; der Inhalt seines Programmspeichers lässt sich hunderttausende Male überschreiben. Dies verleiht dem Produkt eine größere Lebensdauer, da man neuen Code selbst dann laden kann, wenn sich das Gerät bereits im Feldeinsatz befindet. Es gibt aber noch weitere Vorteile: Der Mikrocontroller kann einen Teil seines Flash-Programmspeichers zur Speicherung von Parametern während der Programmausführung nutzen. Der Flash-Speicher des PIC12HV752 ist für eine Lebensdauer von 100.000 Lösch/Schreibzyklen und 40 Jahre Datenerhalt spezifiziert. Damit bietet er zwar nicht genau den gleichen Funktionsumfang wie ein vollwertiges Daten-EEPROM, aber der Flash-Speicher des PIC12HV752 ist mehr als ausreichend für viele Anwendungen in der Beleuchtungstechnik, bei denen es um Folgendes geht:

• Speichern einer eindeutigen Seriennummer (Neu-Zuweisung möglich),
• permanente Speicherung einiger Arbeitspunkte (Strom, Spannung, Temperatur…),
• permanente Speicherung von Kalibrierungswerten,
• Ausführung einer Datenerfassung,
• Führen eines Benutzungszählers.

Punkt 9: Platzbedarf

Dank hochgradiger Integration und seiner flexiblen internen Verbindungen ist der PIC12HV752 in 8-Pin-Gehäusen erhältlich. Zu den verfügbaren Gehäusevarianten zählen auch physisch relativ große Packungsformate wie DIP8 und SOIC8, die sich besonders für den schnellen Aufbau von Prototypen oder für Laborexperimente anbieten. Daneben gibt es auch stark miniaturisierte Gehäuseformate wie ein 3 mm x 3 mm großes DFN-Gehäuse, bei dem kleine Abmessungen zusammen kommen mit einem relativ großen Pinabstand (0,6 mm), was einen einfachen Einsatz und günstige Fertigungskosten ermöglicht.

Punkt 10: Kosten

Der PIC12HV752 wird nicht nur das kostengünstigste Bauteil auf der Stückliste sein – Preise beginnen bei 0,56 US-$ für Zehntausender-Stückzahlen – Anwender werden sich auch darüber freuen, wie wenige andere Komponenten zum Aufbau einer Komplettlösung erforderlich sein werden. Neben allen anderen Elementen, die zuvor bereits erwähnt wurden, sollte man nicht vergessen, dass folgende Funktionen bereits auf dem Chip integriert sind:

• Präzisions-Oszillator (ab Werk auf 1 % abgestimmt) mit optional wählbarer Ausgangsfrequenz von 8 MHz, 4 MHz, 1 MHz und 31 kHz,
• Power-on-Reset und Unterspannungs-Erkennungsschaltung mit Resetfunktion,
• Watchdog-Timer,
• vier Timerschaltungen (3 x 8 Bit, 1 x 16 Bit),
• ein Capture & Compare PWM-Modul,
• Pull-up/down Widerstände an jedem I/O-Pin,
• Schnittstelle für In-Circuit-Programmierung und Debugging.

(jj)