MSP430 在单电池供电的LED 照明中的应用
丁京柱 TI MSP430 技术支持
摘 要
便携式设备常采用单节的碱性电池供电，亦称作单电池供电。而LED 是发光二极管的简称，由于其省电、寿命长和开关速度快等特点，正被广泛应用到照明领域；而部分照明设备如自行车运动爱好者的车灯、头灯以及特殊要求手电筒等又要求能够便携以便于移动，所以对系统的功耗即电池的寿命有着严格的要求。本文针对低功耗、便携以及较低系统成本LED 照明的要求，基于超低功耗单片机MSP430 以及升压转换器TPS61200，设计并完成单电池供电的LED 照明应用。
内 容
1 单电池供电的 LED 照明系统简介.....................................2
2 系统结构和总体设计方案 ...........................................2
3 硬件电路设计......................................................2
3.1 LED 驱动电路设计................................................2
3.2 基于比较器实现按键以及电池电压检测..............................4
4 系统控制流程及软件设计............................................5
4.1 记忆功能实现....................................................5
4.2 控制流程以及软件流程图..........................................5
5 总结 .............................................................6
参考文档............................................................6
图 1. 单电池供电的 LED 照明系统框图.................................2
图 2. TPS61200 典型应用电路.........................................3
图 3. 白光 LED 恒流驱动控制.........................................3
图 4. 基于比较器实现按键以及电池电压检测原理图 .....................4
图 5. 系统控制流程图 ...............................................6
1 单电池供电的 LED 照明系统简介
考虑到业界单电池供电的LED 照明系统的实际应用要求，需满足以下设计要求，
l 工作电压范围：设备供电采用常用的单节碱性电池，为0.6~1.5V。
l 低电压启动：低至0.6V 系统也能启动。
l 待机电流：超低待机功耗，待机电流<1uA
l 恒流驱动：LED 采用恒流驱动，驱动电流在48mA±2mA
l 按键控制：通过按键实现开关机、LED 照明状态和灯光闪烁示警信号状态切换等
l 记忆功能：可记忆上次关机时的状态
2 系统结构和总体设计方案
本文描述的单电池供电的LED 照明系统以TI MSP430F2011 和TI TPS61200 为主芯片。MSP430 系列单片机CPU 采用16 位精简指令集，集成了16 个通用寄存器以及常数发生器，极大的提高了代码的执行效率。提供了五种低功耗模式，可最大限度的延长手持设备的电池寿命。其数字控制振荡器(DCO)可在1us 内由低功耗模式切换到活动模式。MSP430F2011 是MSP430 系列单片机中的低引脚数单片机，其中集成了带捕获/比较功能的16 位定时器，10 个GPIO 口和一个多用途的比较器 [1]。TPS61200 是业界最低输入电压的DC/DC 升压转换器，其可在低至0.3V 的输入电压下高效工作；芯片内部集成的1.5A 开关大大简化了外部电路设计；在升压转换模式下工作效率可达90%，非常适合在便携式产品中应用。
单电池供电的LED 照明系统框图如图1 所示。为达到点亮LED 所需的导通电压，采用TPS61200 实现单节电池电压0.6~1.5V 到3.6V 的升压变换，并用以进行LED 的恒流驱动。由于MSP430 的工作电压为1.8-3.6V，所以单节干电池电压不能用于MSP430 的直接供电，若再增加一升压电路专为MSP430 供电，这将大大增加系统成本。根据系统特点以及成本考虑，可以采用MSP430 的供电电压取自TPS61200 的输出。另外，由于TPS61200 的静态电流典型值为50uA，为满足整个系统待机功耗小于1uA 的技术要求，TPS61200 在系统待机时也不能工作（即不能为MSP430 供电），否则很难达到系统的静态功耗要求。这样，系统待机时MSP430 处于断电状态。因此，如何实现MSP430F2011 供电，并使其实现整个系统控制，包括用比较器实现按键、按键开机自锁、关机状态记忆以及LED的开关控制以及节电控制等等，也是系统的设计要点。
图 1. 单电池供电的LED 照明系统框图
3 硬件电路设计
3.1 LED 驱动电路设计
对于单节电池供电的LED 照明设备，首先要选用升压芯片为LED 提供电源以保证LED 的正常导通。这里我们选用了TPS61200，其工作电压为0.3~5.5V，工作电流最大可承受1800mA，并且在升压转换中可达到90%的转化效率，完全能够满足该方案的设计要求。该照明设备选用白光LED，其导通压降典型值为3.2~3.5V，所以升压电路的升压输出值设计为3.6V。另外由于LED 的温度特性，为保证LED 的发光稳定性，必须实现LED 的恒流驱动且流过LED 的电流变化范围小于5mA，即需要设计Iled = 48mA±2mA。
图 2. TPS61200 典型应用电路
如图 2 所示的TPS61200 典型应用电路[2]，其是一种输出电压可设定的电路。输出电压VOUT 与外接电阻分压器R1 和R2 有关，如下式所示：
式中，VFB=500mV，R2 可设定为51Kohm，则可根据该公式计算出R1 值。根据我们的设计要求，LED 驱动电压VOUT=3.6V，通过上式计算可求出R1=316Kohm。但这种算法是基于实现恒压输出的。
为实现 LED 恒流驱动，即实现亮度恒定的设计要求，我们需设计电流反馈实现恒流控制。如图3 所示的电路图。参考文献3 的LED 恒流控制计算公式，[3]
电流反馈电阻RF 的取值为1.5ohm。在设定RF=1.5ohm和R2=51Kohm的条件下，计算出反馈电阻R1=373Kohm；通过实测验证及调节并按标称电阻取值，R1=374Kohm。
图 3. 白光LED 恒流驱动控制
在图 3 中，EN 端是芯片TPS61200 的使能端，用以控制TPS61200。在本设计中，EN 端接按键和MSP430 的GPIO 使能端，用以控制升压电路的开通或关闭。系统的进一步功耗控制，也是基于单片机MSP430F2011 通过对TPS61200 的使能控制来实现的。
另外，PS 端、UVLO 端接VIN，PS 端高电平表示在重负载条件下工作（此时振荡器按固定频率工作）；UVLO 接VIN，表示在VIN＜250 mV 时，使电源关闭，VOUT=0V，并锁存；VAUX 接0.1uF 接地，此电容器在启动时向其充电到一定值后开关管才导通，这样它对开关管起缓冲；即软启动的作用，能够减小内置开关的开关应力以提高可靠性。
3.2 基于比较器实现按键以及电池电压检测
前面提到MSP430 由TPS61200 的输出供电，但由于系统功耗要求，TPS61200 在待机模式下不能工作。如何通过长按按键开启系统，并能够在释放按键后系统也能正常工作？同时，该按键在系统正常工作时也能够实现LED照明状态和灯光闪烁示警信号状态切换等满足照明设备的多种应用要求。如图4 所示基于比较器实现按键以及电池电压检测原理图。系统在待机状态（关机）时，当按键被长按。Button Enable 信号端产生等同于电池输入电压的高电平信号，该信号端连接TPS61200 的使能端引脚6（可参考图3）。这样TPS61200 进入工作状态，VOUT 引脚输出3.6V，并给MSP430F2011 供电。从而使MSP430F2011 进入工作状态，程序开始运行并使P1.7 置高通过GPIOEnable 信号驱动TPS61200 的使能端并保持其一直处于工作状态。这样，按键即使被释放后，也能保证系统一直处于工作状态。
在单片机控制系统中，大部分设计是采用GPIO 实现按键。但在本文设计中由于单片机在待机状态下没有供电即单片机不能正常工作，所以按键的判断很难通过GPIO 的方式实现。这里，采用MSP430F2011 的片上的比较器来实现的。MSP430 单片机的片上比较器内部可以产生用于比较的模拟电压参考VCC、1/2VCC、1/4VCC、固定电压0.55V 等。因此本设计采用内部提供0.55V 的基准电压来实现按键的检测，根据系统工作电压的特点，当按键被按时，其最低0.6V 的输入大于内部0.55V 的基准电压，从而在比较器输出端产生高电平，实现按键的检测。特别要注意的是，这个内部基准电压会随着供电电压变化和温度变化有小范围的变化，所以软件的滤波对于按键的判断还是非常有必要的，尤其是在最低电池电压条件下。
对于电池供电类应用，一般需具有电池电压检测功能。如图4 所示，当检测到电池输入电压低于设定的低电压报警阈值时，单片机MSP430F2011 通过GPIO Enable 信号输出低电平至TPS61200 的EN 引脚，以关断TPS61200。考虑到MSP430F2011 的片上资源，电池电压检测电路也采用单片机片上比较器，其和按键分时复用一个比较器。
4 系统控制流程及软件设计
4.1 记忆功能实现
本文设计的照明设备有两种工作状态，LED 照明状态和灯光闪烁示警状态，通过按键短按可在两种状态之间切换。对于每个状态，MSP430 能够记录当前状态以便下次开机时进入上一次的工作状态。
