RL78/I1A

RL78/I1ARenesas

Die Lichttechnik wird für Halbleiterfirmen immer interessanter, lassen sich doch LEDs viel flexibler steuern als herkömmliche Lichtquellen. Renesas bietet dazu eine breite Palette von spezialisierten, hochmodernen Komponenten. Das Spektrum reicht von der ASSP-Familie RL78/I1A MCU bis zu diskreten LED-Treiber-ICs, wie dem R2A20134 und dem R2A20135, und umfasst eine breite Palette von MOSFETs und Optokopplern mit speziellen Kommunikationslösungen für die Beleuchtungstechnik. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die wichtigsten Merkmale der RL78/I1A MCU ASSPs für Lichttechnik-Anwendungen sowie zugehörige Entwicklungswerkzeuge.

Bild 1: Blockdiagramm einer RL78/I1A MCU.

Bild 1: Blockdiagramm einer RL78/I1A MCU.Renesas

ASSP für Lichttechnik-Anwendungen

Der RL78/I1A ASSP (Bild 1) zählt zu den neuesten Mikrocontrollern der Serie RL78 von Renesas. Er vereint die besten Features der Vorläufer-Cores 78K0 und R8C aus dem Bereich der Standard-Mikrocontroller, bietet jedoch mehr Rechenleistung trotz sehr niedrigem Stromverbrauch. Es gibt zwei On-Chip-Flash-ROM-Konfigurationen. Die MCUs können je nach Umgebungstemperatur mit einer Taktfrequenz von 24 oder 32 MHz arbeiten. Erhältlich sind die Bausteine in Kunststoff-Gehäusevarianten (TSSOP, SSOP und VQFN) mit 20, 30, 32, und 38 Pins.

Der RL78/I1A enthält alle erforderlichen Funktionen und Ressourcen für eine typische LED-Lichttechnik-Anwendung. Zusätzlich zu den Standard-Schnittstellen UART, SPI, und I2C unterstützt der Baustein spezifische Protokolle für Lichttechnikanwendungen wie DALI (Digital Addressable Lighting Interface), DMX512 (Digital Multiplex) und RDM (Remote Device Management). Die DALI-Funktion ist in Hardware integriert und ermöglicht erweiterte Daten-Frames mit wählbarer Bit-Länge. Zudem kommen Zigbee und PLC (Power Line Communications) bei vielen Lichttechnik-Applikationen zum Einsatz und werden ebenso durch externe Transceiver unterstützt.

Auf einen Blick

Mit dem RL78/I1A-Familie hat Renesas ein Mikrocontroller-ASSP für LED-Treiber im Programm. Mit auf dem Chip sind spezielle Hardware-Blöcke für Soft-Starter-Funktionen, die Komparatoren und A/D-Wandler sind mit PWM-Kanälen verknüpft und Operationsverstärker direkt intern mit den A/D-Wandlern verschaltet. Diese Funktionen entlasten den CPU-Core und den Entwickler.

Auf dem Chip integrierte intelligente Funktionen verringern den Bedarf für zusätzliche externe Komponenten und verkürzen damit die BoM. Höhere Integration ist ein wichtiges Argument bei vielen LED-Treibern und Designs von Vorschaltgeräten, die besonders kompakt aufgebaut werden müssen.

Jeder Kanal gesteuert

Der RL78/I1A mit Mehrkanal-LED-Steuerung bietet dem Entwickler die Möglichkeit, jeden Kanal einzeln entweder mit Hilfe einer 10-Bit-Analog- oder einer 16-Bit-PWM-Funktion zu dimmen. Zusätzlich ermöglicht ein hoch präziser (±1 %) On-Chip-Oszillator PWM-Timer-Frequenzen von bis zu 64 MHz, wie sie für feinere Dimmfunktionen und für verbesserte Farbtemperatur-Einstellungen erforderlich sind. Eine höhere PWM-Frequenz ermöglicht auch den Einsatz kleinerer Induktivitäten und gewährleistet mehr Bandbreite für eine Konstantstrom-Steuerung, die für einen korrekten LED-Betrieb erforderlich ist.

Bild 2: Blockdiagramm eines RL78/I1A und seine typische Integration als LED-Treiber.

Bild 2: Blockdiagramm eines RL78/I1A und seine typische Integration als LED-Treiber.Renesas

Eine andere RL78/I1A-Version umfasst eine PFC-Steuerfunktion (Power Factor Correction; Bild 2) für Leistungsstufen sowie verschiedene Betriebsarten wie CCM (Critical Conduction Mode) und DCM (Discontinuous Conduction Mode). Auf ähnliche Weise unterstützt die MCU einen höheren CRI (Color Rendering Index), eine CCT-Steuerung (Correlated Color Temperature) sowie eine automatische Erkennung und Kompensation der LED-Lumen-Leistungsabnahme.

Intelligente Architektur

Der Mikrocontroller erzielt eine erhebliche Leistungsverbesserung aus seiner intelligenten internen Architektur, bei der auf dem Chip integrierte Komparatoren und A/D-Wandler mit PWM-Kanälen verknüpft und Operationsverstärker direkt intern mit den A/D-Wandlern verschaltet sind. Dies verringert die Rechenlast für die CPU, spart Programmieraufwand und gewährleistet eine automatische Systemüberwachung einschließlich LED-Ansteuerung, PFC-Steuerung, DALI-Kommunikation, Sensordaten-Handling, Überstromschutz und Soft-Start.

Die Soft-Start-Schaltung minimiert den Einschaltstrom durch die LEDs und schützt damit die LEDs und die Stromversorgungsschaltung. Diese Funktion trägt auch dazu bei, die elektromagnetischen Emissionen zu verringern, und nähert sich dem Verhalten einer Glühbirne an.

Neue Funktionen wie ein im RL78/I1A implementierter Snooze-Modus sichern niedrigen Stromverbrauch (0,22 µA) und gewährleisten trotzdem stabile DALI-Kommunikation, A/D-Wandlung und Daten-Flashspeicher-Management, die im Hintergrund arbeitet, während die CPU mit anderen Tasks beschäftigt ist. Zu beachten ist auch, dass keine Information verloren geht, wenn ein DALI-Interrupt die CPU aus dem Sleep-Modus aufweckt.

In Hardware realisiert

Die meisten benötigten Anwendungsfunktionen lassen sich dank der internen Architektur der RL78-Mikrocontrollerfamilie in Hardware realisieren. Dieser Satz technischer Merkmale ist nützlich bei der Auswahl einer passenden MCU für den Aufbau einer Lichttechnik-Anwendung. Benchmarking-Tests bei Renesas haben gezeigt, dass der RL78/I1A gegenüber konkurrierenden Lösungen bei einem typischen LED-Treiber eine BOM-Kostenersparnis von 20 % erzielen kann.

Der Vorteil von Mikrocontrollern gegenüber fest verdrahteten Steuer-ICs besteht darin, dass Mikrocontroller flexibel im Einsatz und bei ihren technischen Merkmalen vielseitig sind. Sie bieten dem Entwickler von LED-Treibern durch eine einfache Umprogrammierung der Lichttechnik-Anwendungsfirmware die Möglichkeit, eine Hardware-Plattform mit Optionen zu entwickeln, die eine Anpassung an lokale Anforderungen oder unterschiedliche Beleuchtungsaufgaben erlauben.

Entwicklungswerkzeuge

Renesas bietet für Anwendungsdesign und -entwicklung ein breites Spektrum hochmoderner Entwicklungswerkzeuge für Hard- und Software sowie Application Notes und Schulungen. Zusätzlich liefern Partnerunternehmen weitere Entwicklungswerkzeuge.

Die Hardware-Entwicklungswerkzeuge reichen von Evaluationsboards für Einsteiger über einen kostengünstigen Emulator mit serieller Schnittstelle (E1 Emulator) bis hin zu in Echtzeit arbeitenden In-Circuit-Emulatoren (IECUBE).

Das Demonstrationskit der RL78/I1A-Familie eignet sich für Kunden, die das Produkt erst einmal kennen lernen möchten. Es umfasst ein Board auf der Basis eines RL78/I1A mit drei LED-Kanälen, DALI- und DMX-Steckverbindern. Der Kunde kann damit die speziellen Merkmale des ASSP und der im Kit enthaltenen spezialisierten Lichttechnik-GUI-Tools evaluieren.

Der kostengünstige On-Chip Debugger mit serieller Schnittstelle (E1 Emulator) ist ein leistungsfähiges Entwicklungs- und Debugging-Werkzeug, das On-Board-Programmierung, Programmausführung, Speicher- und Register-Manipulationen und Ähnliches ermöglicht. Der E1 Emulator besitzt eine einfache Vier-Pin-Schnittstelle zwischen Host und Device. Die eigentliche serielle Debugging-Datenkommunikation läuft über ein einziges Baustein-Pin. Der E1 Emulator unterstützt Standard-Softwarewerkzeuge wie C-Compiler und Assembler, und besitzt eine graphische Benutzeroberfläche.

Der In-Circuit-Emulator (IECUBE: QB-RL78I1A-TxxSP) ist ein leistungsfähiges, vollwertiges Echtzeit-Emulations- und Debuggingwerkzeug mit umfassenden Break- sowie Echtzeit-Trace-Funktionen und einer benutzerfreundlichen GUI. IECUBE unterstützt nicht nur die proprietären Softwarewerkzeuge von Renesas, sondern auch Tools anderer Anbieter, wie etwa die des schwedischen Herstellers IAR Systems.

Software-Entwicklungswerkzeuge

Neben den Hardware-Werkzeugen sind auch Software-Tools für Simulation und Debugging erhältlich. In Europa kommt IAR Embedded Workbench (EWRL78-FULL-EE) von IAR Systems zur Anwendungsentwicklung zum Einsatz – eine integrierte Entwicklungsumgebung mit leistungsfähiger GUI. Die Debugging-Werkzeugpalette besteht aus einem proprietären IAR C-Compiler, Assembler sowie C-Spy Debuggern, und lässt sich mit den Renesas-Emulatoren IECUBE und E1 verknüpfen.

Für eine erste Konfiguration und Evaluierung der Bauteile bietet Renesas außerdem das kostenlose, GUI-gestützte Entwicklungswerkzeug Applilet-EZ. Dieses Werkzeug unterstützt den Anwender bei der Konfigurierung von On-Chip-Funktionen, ohne dass er jede MCU-Registerstruktur auf Bitebene kennen muss. Auf Knopfdruck lässt sich vorkompilierter C-Programmcode generieren.

Um die Entwicklung bzw. das Debugging von Lichttechnik-Anwendungen noch weiter zu vereinfachen, bietet Renesas zudem eine umfassende Auswahl von GUI-Werkzeugen für die DALI- und DMX-Datenkommunikation.

Direkt am Netz

Ein Trend ist der Betrieb von LED-Treibern direkt am Netz. Die RL78/I1A MCU mit ihrem integrierten PFC-Controller bietet hier einen deutlichen Vorteil in Bezug auf Systemkosten und Platzbedarf bei Vorschaltgeräten für Nennleistungen von mehr als 25 W. Auf der Ausgangsseite allerdings hängen die erforderlichen höheren Spannungspegel sehr stark davon ab, was der Entwickler mit der Anwendung erzielen möchte.

Ein potenzieller Faktor für die Verbesserung des Wirkungsgrads ist der Einsatz spezieller Design-Techniken und Funktionen von LED-Treibern im Zusammenspiel mit Software, also die Integration von zusätzlicher Intelligenz in die Treiber. Solche intelligenten Treiber könnten Kommunikationsaufgaben übernehmen, Sensoren verwalten, das Dimmen steuern und erweiterte Steuerfunktionen übernehmen. Mittelfristig könnten solche intelligenten Treiber sogar eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Helligkeit und Lebensdauer von OLEDs spielen. Aktuell arbeitet Renesas daran, die Qualitätsverlustgrad-Kompensation des betriebsdauerabhängigen LED/OLED Lumen-Outputs weiter zu verbessern, die PWM-Steuerung auf noch feineres Dimm-Verhalten abzustufen, sowie eine genauere Farbmischung für spezielle Anwendungen bereitzustellen.