MSP430在單電池供電的LED照明中的應(yīng)用電路

　　便攜式設(shè)備常采用單節(jié)的堿性電池供電，亦稱作單電池供電。而LED 是發(fā)光二極管的簡(jiǎn)稱，由于其省電、壽命長(zhǎng)和開關(guān)速度快等特點(diǎn)，正被廣泛應(yīng)用到照明領(lǐng)域；而部分照明設(shè)備如自行車運(yùn)動(dòng)愛好者的車燈、頭燈以及特殊要求手電筒等又要求能夠便攜以便于移動(dòng)，所以對(duì)系統(tǒng)的功耗即電池的壽命有著嚴(yán)格的要求。本文針對(duì)低功耗、便攜以及較低系統(tǒng)成本LED 照明的要求，基于超低功耗單片機(jī)MSP430 以及升壓轉(zhuǎn)換器TPS61200，設(shè)計(jì)并完成單電池供電的LED 照明應(yīng)用。

　　LED 驅(qū)動(dòng)電路模塊

　　對(duì)于單節(jié)電池供電的LED 照明設(shè)備，首先要選用升壓芯片為L(zhǎng)ED 提供電源以保證LED 的正常導(dǎo)通。這里我們選用了TPS61200，其工作電壓為0.3~5.5V，工作電流最大可承受1800mA，并且在升壓轉(zhuǎn)換中可達(dá)到90%的轉(zhuǎn)化效率，完全能夠滿足該方案的設(shè)計(jì)要求。該照明設(shè)備選用白光LED，其導(dǎo)通壓降典型值為3.2~3.5V，所以升壓電路的升壓輸出值設(shè)計(jì)為3.6V。另外由于LED 的溫度特性，為保證LED 的發(fā)光穩(wěn)定性，必須實(shí)現(xiàn)LED 的恒流驅(qū)動(dòng)且流過LED 的電流變化范圍小于5mA，即需要設(shè)計(jì)Iled = 48mA±2mA。

　　圖 2. TPS61200 典型應(yīng)用電路

　　電流反饋電阻RF 的取值為1.5ohm。在設(shè)定RF=1.5ohm和R2=51Kohm的條件下，計(jì)算出反饋電阻R1=373Kohm；通過實(shí)測(cè)驗(yàn)證及調(diào)節(jié)并按標(biāo)稱電阻取值，R1=374Kohm。

　　圖 3. 白光LED 恒流驅(qū)動(dòng)控制

　　在圖 3 中，EN 端是芯片TPS61200 的使能端，用以控制TPS61200。在本設(shè)計(jì)中，EN 端接按鍵和MSP430 的GPIO 使能端，用以控制升壓電路的開通或關(guān)閉。系統(tǒng)的進(jìn)一步功耗控制，也是基于單片機(jī)MSP430F2011 通過對(duì)TPS61200 的使能控制來實(shí)現(xiàn)的。

　　另外，PS 端、UVLO 端接VIN，PS 端高電平表示在重負(fù)載條件下工作（此時(shí)振蕩器按固定頻率工作）；UVLO 接VIN，表示在VIN＜250 mV 時(shí)，使電源關(guān)閉，VOUT=0V，并鎖存；VAUX 接0.1uF 接地，此電容器在啟動(dòng)時(shí)向其充電到一定值后開關(guān)管才導(dǎo)通，這樣它對(duì)開關(guān)管起緩沖；即軟啟動(dòng)的作用，能夠減小內(nèi)置開關(guān)的開關(guān)應(yīng)力以提高可靠性。

　　基于比較器實(shí)現(xiàn)按鍵以及電池電壓檢測(cè)電路

　　前面提到MSP430 由TPS61200 的輸出供電，但由于系統(tǒng)功耗要求，TPS61200 在待機(jī)模式下不能工作。如何通過長(zhǎng)按按鍵開啟系統(tǒng)，并能夠在釋放按鍵后系統(tǒng)也能正常工作？同時(shí)，該按鍵在系統(tǒng)正常工作時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)LED照明狀態(tài)和燈光閃爍示警信號(hào)狀態(tài)切換等滿足照明設(shè)備的多種應(yīng)用要求。如圖4 所示基于比較器實(shí)現(xiàn)按鍵以及電池電壓檢測(cè)原理圖。系統(tǒng)在待機(jī)狀態(tài)（關(guān)機(jī)）時(shí)，當(dāng)按鍵被長(zhǎng)按。Button Enable 信號(hào)端產(chǎn)生等同于電池輸入電壓的高電平信號(hào)，該信號(hào)端連接TPS61200 的使能端引腳6（可參考圖3）。這樣TPS61200 進(jìn)入工作狀態(tài)，VOUT 引腳輸出3.6V，并給MSP430F2011 供電。從而使MSP430F2011 進(jìn)入工作狀態(tài)，程序開始運(yùn)行并使P1.7 置高通過GPIOEnable 信號(hào)驅(qū)動(dòng)TPS61200 的使能端并保持其一直處于工作狀態(tài)。這樣，按鍵即使被釋放后，也能保證系統(tǒng)一直處于工作狀態(tài)。

　　在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大部分設(shè)計(jì)是采用GPIO 實(shí)現(xiàn)按鍵。但在本文設(shè)計(jì)中由于單片機(jī)在待機(jī)狀態(tài)下沒有供電即單片機(jī)不能正常工作，所以按鍵的判斷很難通過GPIO 的方式實(shí)現(xiàn)。這里，采用MSP430F2011 的片上的比較器來實(shí)現(xiàn)的。MSP430 單片機(jī)的片上比較器內(nèi)部可以產(chǎn)生用于比較的模擬電壓參考VCC、1/2VCC、1/4VCC、固定電壓0.55V 等。因此本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部提供0.55V 的基準(zhǔn)電壓來實(shí)現(xiàn)按鍵的檢測(cè)，根據(jù)系統(tǒng)工作電壓的特點(diǎn)，當(dāng)按鍵被按時(shí)，其最低0.6V 的輸入大于內(nèi)部0.55V 的基準(zhǔn)電壓，從而在比較器輸出端產(chǎn)生高電平，實(shí)現(xiàn)按鍵的檢測(cè)。特別要注意的是，這個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓會(huì)隨著供電電壓變化和溫度變化有小范圍的變化，所以軟件的濾波對(duì)于按鍵的判斷還是非常有必要的，尤其是在最低電池電壓條件下。

　　圖 4. 基于比較器實(shí)現(xiàn)按鍵以及電池電壓檢測(cè)原理圖

　　對(duì)于電池供電類應(yīng)用，一般需具有電池電壓檢測(cè)功能。如圖4 所示，當(dāng)檢測(cè)到電池輸入電壓低于設(shè)定的低電壓報(bào)警閾值時(shí)，單片機(jī)MSP430F2011 通過GPIO Enable 信號(hào)輸出低電平至TPS61200 的EN 引腳，以關(guān)斷TPS61200?？紤]到MSP430F2011 的片上資源，電池電壓檢測(cè)電路也采用單片機(jī)片上比較器，其和按鍵分時(shí)復(fù)用一個(gè)比較器。