基于RL78/I1A 的全数字 AC/DC 智能LED 照明系统

TSM1-BH-12-0008-1

Rev. 1.00

基于基于基于基于RL78/I1A的全数的全数的全数的全数字字字字

AC/DC智能智能智能智能LED照明系统照明系统照明系统照明系统

通用和SoC产品中心

瑞萨电子瑞萨电子瑞萨电子瑞萨电子（（（（中国中国中国中国））））有限公司有限公司有限公司有限公司

2014/08/26

© 2014 Renesas Electronics (China) Co., Ltd. All rights reserved.


LED照明市场和技术趋势照明市场和技术趋势照明市场和技术趋势照明市场和技术趋势

2

© 2014 Renesas Electronics (China) Co., Ltd. All rights reserved.3

智能社会的重要一环智能社会的重要一环智能社会的重要一环智能社会的重要一环: LED照明照明照明照明

�从简单的绿色照明到完善的智能系统从简单的绿色照明到完善的智能系统从简单的绿色照明到完善的智能系统从简单的绿色照明到完善的智能系统

智能照明智能照明智能照明智能照明

-节能节能节能节能

-符合标准符合标准符合标准符合标准

智能家庭智能工厂智能大厦

智能

现在将来

简单

环境照明环境照明环境照明环境照明

绿色绿色绿色绿色

-高精度调光高精度调光高精度调光高精度调光/调色调色调色调色

-环境感知环境感知环境感知环境感知

-照明通讯照明通讯照明通讯照明通讯

-连接连接连接连接


节能以及符合标准的需求节能以及符合标准的需求节能以及符合标准的需求节能以及符合标准的需求

提高电源性能以实现节能

降低噪声以符合环境标准

标准限制产生谐波的LED照明产品

→需要降低噪声的技术

现有各种各样的复杂的电路拓扑

→需要简单和高效的控制

提高基本性能


PFC＊＊＊＊

控制技术控制技术控制技术控制技术

无PFC控制有PFC控制

照明应用

谐波电流降低谐波电流

电源电压

电源电流

电源电压

电源电流

* PFC: Power Factor Correction

� PFC控制可以有效降低谐波和噪声

PFC控制控制控制控制IC或者照明专用或者照明专用或者照明专用或者照明专用 MCU

电流检测

PWM输出

PFC控制

电路

照明应用


高精度调光高精度调光高精度调光高精度调光/调色以及环境检测调色以及环境检测调色以及环境检测调色以及环境检测

高精度调光调色

为了提供适合人们的照明，需要根据当时的环境情况进行精确

的照明控制

→使用传感器检测环境并进行调整

人眼在低亮度情况下对亮度的变化更加敏感

→需要更高精度的PWM

通过传感器实现环境照明

人眼识别亮度

亮度(PWM Duty)[%]

需要在低亮度情况下通过高精度PWM

做特别控制


高精度调光高精度调光高精度调光高精度调光/调色控制技术调色控制技术调色控制技术调色控制技术

DC

LED控制电路

调光调光调光调光混色

降低所有PWM的输出占空比

改变各个PWM的输出占空比

改变PWM占空比

�更高精度的PWM实现更高精度的调光和混色功能

照明专用照明专用照明专用照明专用MCU

高精度

PWM控制


环境感知实现合适的调光控制环境感知实现合适的调光控制环境感知实现合适的调光控制环境感知实现合适的调光控制

OFF 50% 100%

DC 亮度传感器

环境光

根据环境光改变PWM输出

白天白天白天白天(晴晴晴晴) 白天白天白天白天(阴阴阴阴) 晚上晚上晚上晚上

�根据环境光进行合适的调光控制可有效降低能耗

亮度传感器

照明专用照明专用照明专用照明专用MCU

检测照度

-> 选择

-> 调光

LED控制电路


通讯技术通讯技术通讯技术通讯技术

� 可实现整体系统控制

� 支持各类通讯方式如有线/无线

-中央控制-通过地址单独控制-组/系统及控制-自检/修改配置

主控

（PC, LCD 等）

所有从机统一控制如off/ON 检测异常

通信线

检测超时老化

从机(照明系统)

电力线载波通信 (PLC)

无线

-可方便增加至现

有系统

-通信不稳定

-使用现有电力线

-对噪声灵敏

抗干扰强

-成本高

特点特点特点特点

物联网


RL78/I1A概述概述概述概述


RL78系列概念系列概念系列概念系列概念

产品多样性

低功耗

更多的产品系列

-封装：10pin～128pin

-Flash：1KB～512KB

超低功耗

-普通运行模式 70uA/MHz

-HALT模式 0.7uA (32kHz, RTC+LVD)

内置外围期间

-模拟EEPROM

-无需外部振荡器

目标在一下3个方面做到世界第一

性价比

低功耗多样性性价比


RL78/I1A定位定位定位定位-1

G.P.

ASSP ASSP

LCD

RL78/G14RL78/G13

RL78/G12

RL78/G1x

RL78/L1x

RL78/G1x

RL78/G1xRL78/G1x

RL78/G1x

Standard

Low Pin Count

High function

LCD Standard

Low Pin CountUSB

Industrial

Consumer

PC/OA

Automotive

PC,OA

Industrial

Consumer

Automotive

RL78/L1x

RL78/L1x

RL78/L1xEnhanceperipheral

Analog

USB

Touch FunctionEnhanced Analog

Enhanceperipheral

RL78/I1ARL78/F1x

RL78/D1x照明照明照明照明，，，，电源电源电源电源

Auto Body

Auto Dashboard

增加功能增加功能增加功能增加功能

功能扩展功能扩展功能扩展功能扩展

78K0/Ix2

照明照明照明照明

RL78/I1A是是是是RL78系列中第一个专用产品系列中第一个专用产品系列中第一个专用产品系列中第一个专用产品


RL78/G13

RL78/I1A定位定位定位定位-2

78K0 / Ix2

10～80pin

16～～～～32pin

高精度PWM (40MHz)

单级PFC 控制

模拟功能(CMP w/ 5bitDA. AMP, PGA)

保护功能

RL78/I1A

20～～～～38pin

高精度PWM (64MHz)

Dithering 功能 (64MHz x 16)

最大频率设定功能

交错式PFC control

模拟功能( CMP w/ 8bitDA, PGA )

指令性能 (16bit core, MAC, DMA)

增加式保护功能

RL78/I1A是在最新技术平台上设计的拥有专门针对照明和电源应用的功能

G.P

照明和电源照明和电源照明和电源照明和电源

继承和改进继承和改进继承和改进继承和改进

追加功能追加功能追加功能追加功能

LED照明照明照明照明

荧光灯荧光灯荧光灯荧光灯

LED照明照明照明照明

电源应用电源应用电源应用电源应用


低成本

-通过单芯片实现PFC控制，恒压控制，恒流控制

附加值应用

-最优化智能通信调光控制，分时管理，传感器输入

易用

-可提供丰富的样例程序，应用笔记和参考方案

平台扩展性

-拥有20pin-38pin，32/64KB Flash，适用于照明和电源市场

低成本

-通过单芯片实现PFC控制，恒压控制，恒流控制

附加值应用

-最优化智能通信调光控制，分时管理，传感器输入

易用

-可提供丰富的样例程序，应用笔记和参考方案

平台扩展性

-拥有20pin-38pin，32/64KB Flash，适用于照明和电源市场

RL78/I1A概念概念概念概念

通信(DALI/DMX512)UART/CSI/IIC

传感器（lux meter, Color）

RTC

样例程序

应用笔记

参考方案

负载信息

ＬＥＤ

定電流制御

ACDC

PFC 控制

ＬＥＤ

定電流制御

DCDCCC, CV

控制

RL78/I1A


照明专用芯片产品路线图照明专用芯片产品路线图照明专用芯片产品路线图照明专用芯片产品路线图 (ROM/RAM/Pin#)

� 小引脚和SSOP封装

16pin

SSOP

RAM

Size

16K

8K

4K

32K

64K

RL78/I1A

768

512

384

Fla

sh

Siz

e (b

yte

s)

4K4K

20pin

SOP

20pin

SSOP

30pin

SSOP

32pin

QFN

38pin

SSOP

768

512

768

512

768

512

2K 2K 2K

768

512

78K0/Ix2


RL78/I1A 概况概况概况概况

特点路线图

专门针对照明和电源应用的定时器模拟功能

64K

32K

Fla

sh

Siz

e (b

yte

s)

32pin

VQFN

�16bit CPU＋MAC 性能提升

�内置OSC （CPU MAX 32MHz）

�16位PWM定时器2 output x 3ch

�RTC

�串口（DALI, UART, I2C, CSI, DMX）

�工作温度最高至125℃

�定时器时钟最高至64MHz

�通过dithering功能提高PWM精度

�通过软启动防止启动过电流

�通过PWM门限功能实现ON/OFF控制

�交错式PFC控制功能

�比较器内联Hi-Z输出功能

�定时器同步 A/D （Max 11ch）

�6ch比较器

-串口比较器功能

�PGA(可编程运算放大器) 6ch输入

-固定放大倍率模式

（4/8/16/32 倍）

RL78/I1A

RAM

Size

20pin

LSSOP

38pin

SSOP30pin

SSOP

－－－－＋＋＋＋－－－－＋＋＋＋

2K 2K 2K

4K 4K


RL78/I1A优点优点优点优点 (1/3)

・ 64MHz时钟源 (Intl OSC. + PLL)・可操作中改变占空比和频率

高性能PWM输出定时器

16位定时器 KB

2ch/4ch/6ch同步输出

15.6 ns unit

TKB00

TKB01

TKB10

TKB11

TKB20

TKB21

• 最高0.97ns 平均分辨率

Dithering功能

CR2

0000h

FFFFｈCR1

CR3

CR0

TMBOn0

TMBOn1

(CRn1-CRn0)+1 (CRn3-CRn2)+1

16位定时器KB

外部中断/比较器内联

INTP

TMXxx

定时器重置关闭输出

(Hi-Z / Hi / Lo )

INTCMPx

TMXxx

TMXxx 计数器

高精度调光高精度调光高精度调光高精度调光/电压控制电压控制电压控制电压控制高精度调光高精度调光高精度调光高精度调光/电压控制电压控制电压控制电压控制

LED恒流同步控制恒流同步控制恒流同步控制恒流同步控制 PFC 控制控制控制控制 OV/OC 保护保护保护保护

17


RL78/I1A优点优点优点优点(2/3)

16位定时器KB

最大频率设定功能

最大占空比 DCM 操作

最大频率设定

• 通过定时器KC分别设定门限

定时器KB门限功能

• 可变周期内自动占空比递增

软启动

定时器KB输出定时器KC内部输出Duty

time

TMB00

TMB01

TMB10

TMB11

• 曼彻斯特编码

• Rx: 19、20、27bit

Tx:11、19、27bit (Slave)

DALI通信从机功能

DALIRxD0

DALITxD0

降噪和提高效率降噪和提高效率降噪和提高效率降噪和提高效率

LED混色混色混色混色

TMB20

TMB21

降低开关时的尖峰电流降低开关时的尖峰电流降低开关时的尖峰电流降低开关时的尖峰电流

硬件照明通信功能硬件照明通信功能硬件照明通信功能硬件照明通信功能

18


RL78/I1A优点优点优点优点(3/3)

RL78/I1A 78K0/Ix2

Main Run

(Typ.)

3.3mA

CPU clock 16MHz

TMKB clock 64MHz

PLL-ON

4.5mA

CPU Clock 20MHz

TMX Clock 40MHz

PLL-ON

Main Halt

(Typ.)

0.95mA

CPU clock 16MHz

TMKB clock 64MHz

PLL-ON

1.3mA

CPU Clock 20MHz

TMX Clock 40MHz

PLL-ON

STOP

(Typ.)

0.23uA 0.3uA

不包括外设功能

UART(DALI)

控制

LED / Power

控制

LED / Power ]

控制

UART(DALI)

控制

等待通信指令时仅等待通信指令时仅等待通信指令时仅等待通信指令时仅0.23uA的功耗的功耗的功耗的功耗

【功耗对比】

19


RL78/I1A特点在照明中的应用特点在照明中的应用特点在照明中的应用特点在照明中的应用-定时器定时器定时器定时器KB实现高精度调光实现高精度调光实现高精度调光实现高精度调光/调色调色调色调色

� 内部定时器的Dithering功能能实现约 0.97ns (min)的平均精度.

� 可降低LED的电流纹波并可以实现高精度调光

Timer KB output

LED 阳极电压阳极电压阳极电压阳极电压

A/D输入输入输入输入

Timer KB Dithering

A/D Converter

RL78/I1A

抖动抖动抖动抖动平稳平稳平稳平稳

不使用不使用不使用不使用dithering 使用使用使用使用dithering

20


RL78/I1A特点在照明中的应用特点在照明中的应用特点在照明中的应用特点在照明中的应用-PFC功能功能功能功能

DC输出

RL78/I1A

TMKBx

内联功能

A/D

INT2x/CMPxP

(过零检测过零检测过零检测过零检测)

TKBOxx

(PFC 输出输出输出输出)

TKBxCRxx

(有效宽度有效宽度有效宽度有效宽度)

Timer Restart

Timer Restart

Timer Restart

定时器定时器定时器定时器KB和外部中断和外部中断和外部中断和外部中断/比较器的内联功能可以实现比较器的内联功能可以实现比较器的内联功能可以实现比较器的内联功能可以实现

CRM*-PFC控制以及控制以及控制以及控制以及0.99**的功率因素的功率因素的功率因素的功率因素

* CRM: CRitical conduction Mode** 90W load condition measured by HIOKI 3332 POWER HiTESTER

INTP2x /CMPxP

PFC样例电路:

21


RL78/I1A特点在照明中的应用特点在照明中的应用特点在照明中的应用特点在照明中的应用-照明通讯外设照明通讯外设照明通讯外设照明通讯外设

DALI 通讯电路

DMX512 通讯电路

�适用于DALI和DMX512的通讯外设

DALIRxD4 Filter Rx shift register

DALITxD4

Rx buffer register

（3bytes）

Tx buffer register（3bytes）

接受正向帧（2-3bytes）⇒存储经过解码的数据

如检测到停止位产生中断

发送逆向帧（1-3byte）⇒自动编码为曼彻斯特编码。如传输结束

产生中断

Manchester

decoder

Manchester

encoder Tx shift register

RxD0/P11

PM11P11

UART0 Received circuit

INTP0/P137 ISC0

ISC

1

INTP0

16bit timer

Capture trigger

可通过中断功能通过UART的Rx起始位

唤醒

等待时间通过定时器捕获功能检测

可使用UART模块

TI07

22


CMP/

CMPCOM

Timer KB2

INTP

Hi-Z

Control

CMP

DALI/

UART

Timer KB0Smooth-start/

Dithering

Timer KB1Smooth-start/

Dithering

Timer KC 4 CMP

Hi-Z

Control

Hi-Z

Control

Gate

Control

CMP

CMP

CMP

PGA

Restart

CPU process

- PFC feedback

- LED feedback

- Dimming control

- Communication

- AC input detection

A/D Converter

Interrupt

AC PowerSupply

4

4

Zero CurrentDetection

Over CurrentProtection

LED电流反馈/过电流保护

LED电流控制/调光控制

PFC Output VoltageFeedback

PFC Control

AC Input VoltageFeedback

AC InputDetection

DALI/DMX512/IR Communication

PFC Control LED Control x 4ch

INTP/

TI00 RL78/I1A保护

通讯

高精度定时器

调色

小阻值

采样电阻

PFC

PI运算

典型应用典型应用典型应用典型应用(PFC + LED 4ch)


应用于应用于应用于应用于RL78系列和照明的工具系列和照明的工具系列和照明的工具系列和照明的工具

软件开发调试烧写

Real time OS

OS Itron based

Direct writing

by PC

Direct writing

by no PC

Writ by

programming

service

Flash・memory・programmer

Renesaselectronicsprogramming・service

On chip ・debug・emulator

With programming function

E1

PG-FP5

Integrated development environment

Simulator

On Chip emulator

with programming function

In-circuit・emulator

Debug

by Pc

Debug

by basic function

Debug

by high function

CubeSuite

E1

Coding/

Build/Device･Driver

CubeSuite+

提供丰富的针对各个开发阶段的工具

Written in

IECUBE


第一次编程…

新的软件开发需要培训… 只要有样例程序就好了…

Applilet EZ for HCD

软件自动生成工具

通过鼠标点击即可生产软件可通过各种板子调试

支持各类照明通讯

�可通过鼠标生成调光和通讯程序

�大大降低软件开发时间

客户面临的挑战

照明应用设计工具照明应用设计工具照明应用设计工具照明应用设计工具-自动代码生成器自动代码生成器自动代码生成器自动代码生成器


DALI GUI

DMX512 GUI

需要做通讯调光但是构建

测试环境需要时间

照明板

�拥有完善的通讯调试环境

�客户可以集中精力开发产品

客户面临的挑战

方便通讯调试的上位机方便通讯调试的上位机方便通讯调试的上位机方便通讯调试的上位机

EZ-0008

通讯主板通讯主板通讯主板通讯主板

DALIDMX512


基于基于基于基于RL78/I1A的全数字的全数字的全数字的全数字AC/DC智能智能智能智能LED照明方案照明方案照明方案照明方案


方案组成方案组成方案组成方案组成

28

3通道

LED降压驱动电路

主控制

MCU：RL78/I1A

调试接口

变阻器

3通道开

关用于3路LED调

光及其他

操作

DMX&DALI

副变压器，

提供MCU

及其他低

压供电

主变压器

用于PFC

控制及

LED等高

压部分供

电

通讯模式开关


� 输入电压范围: AC100-AC260V

� 输出电压: 90V

� 输出电流: 0.35mA*3通道=1A

� 输出功率: 90V*0.35*3=90W

� PFC拓扑: 反激式（Flyback）

� DCDC拓扑: BUCK（100V->90V）

� 功率因素: 99%

� LED输出效率:约91.1%（AC220V输入90W）

主要使用器件主要使用器件主要使用器件主要使用器件

MCU:R5F107AEG（RL78/I1A）

MOSFET:N6008NZ（PFC开关用），HAT2193WP（LED驱动电路开关用）

LED方案主要性能指标及主要使用器件方案主要性能指标及主要使用器件方案主要性能指标及主要使用器件方案主要性能指标及主要使用器件

29


方案框图方案框图方案框图方案框图

30


PFC控制概述控制概述控制概述控制概述

下图(a)是AC电源的理想电压/电流波形。电压和电流拥有相同的相位并为正弦波，这时的功率系数(PF)为1。(b)是在没有PFC的情况下的实际电压/电流波形。电流感应时间很短并且电流峰值很高，因此，峰值电压因为功率原因倍削平。如果功率因素很低的情况下会发生下面的问题。

•因为有谐波的产生，产品无法通过标准测试并且进行生产•因为尖峰电流很大，需要更粗的导线•断电器容易保护

为了改进功率因素，需要增加PFC控制。在传统的LED照明中一般使用CRM(临界导通模式)模式的PFC控制因为所需要的元器件数量少并且开关损耗低。(c)显示了在有PFC控制时的AC电源电压/电流波形。通过PFC开关的导通和关闭控制电流值，并使平均电流的相位和输入电源电压一致。CRM模式的PFC控制可以通过RL78/I1A的硬件模块实现。

31


Inductor current

CCM

Inductor current

CRM

PFC

MOS

FET

▲

Inductor (L)

PWM

filter

PFC会根据电感电流使输入形成真正的正弦波电流。

两种不同模式的电感电流波形如下图所示:

* CCM (Continuous Conduction Mode)

---连续导通模式

---更适合于大功率应用.* CRM (CRitical Conduction Mode)

---临界导通模式

---更适合于小功率应用.

Input voltage

Bridge Diodevoltage

Input current

Triangle wave will become Zero (Critical).

PFC 的电感电流控制模式的电感电流控制模式的电感电流控制模式的电感电流控制模式

32


通过RL78/I1A的硬件实现CRM模式的PFC控制。RL78/I1A可以通过使用内置比较器/外部中断以及

AD转换器控制的定时器再启动功能实现临界导通模式的PFC控制。因此无需单独的模拟IC作为

PFC控制。因为MCU同时作为LED及PFC控制，因此可以预先判断负载强度并进行PFC补偿。

下图显示了使用RL78/I1A实现的反激式PFC电路构成。进行PFC控制所需要的引脚时PFC输出

(TKBO21),零电流检测输入(INTP20)，以及DC输出检测输入(ANI7)。AC电源输入检测(ANI8)在需

要检测AC输入电源电压变化时需要用到。

使用使用使用使用RL78/I1A的硬件功能实现的硬件功能实现的硬件功能实现的硬件功能实现PFC控制控制控制控制

33


PFC的控制波形的控制波形的控制波形的控制波形

下图是实测的PFC控制波形，其中包括PFC控制MOS管的DS电压：Vds,PFC输出端电压

Vout，交流点过零检测信号Vintp2，以及PFC输出二极管端的正向导通电流ID。

可以看出在MOS管关闭的时候（Vds高）,Vintp2为低，ID端有反激电流流过，逐步将为0后

Vintp2的电压也同时变为高，在Vintp2的电压从低到高形成上升沿的时候，通过硬件触发

再次打开MOS管，此时的操作都是通过硬件实现，无需软件干涉。提高效率。

34


LED恒流控制恒流控制恒流控制恒流控制

本方案采用降压电路将PFC输出的100V左右的电压降压到90V供给LED。驱动LED

时将LED电流通过Rs电阻变为电压并通过内部PGA放大后输入AD。并且以目标亮度的AD值作为目标值进行PI运算，最后输出所需的PWM占空比。

35


测试结果测试结果测试结果测试结果

Vin=110V

LED1(RED)

LED2(GREEN） LED3

(BLUE)电压电压电压电压(V) 63.5 91.3 93.2电流电流电流电流(A) 0.355 0.355 0.355功率功率功率功率(W) 22.19 31.41 32.16总功率总功率总功率总功率(W) 88.04

Pin=100W

PF=99%

η=88.04/99=88.4%

Vin=220V

LED1(RED)

LED2(GREEN） LED3

(BLUE)电压电压电压电压(V) 63.8 91.6 94电流电流电流电流(A) 0.353 0.355 0.355功率功率功率功率(W) 22.52 32.518 33.37总功率总功率总功率总功率(W) 88.41

Pin=97W

PF=98%

η=88.41/97=91.1%

本方案的测试结果如下所示，在最大的输出功率（最大输出电流0.35A/通道）的情

况下实现了最大PF值为99%，效率为91%

36


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