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Microcontroladores con controladores LED para Inspirar Nuevos Diseños

El incremento de los costes de energía y el debate global sobre la polución medioambiental – entre otras cosas – debido a las emisiones de CO2, está haciendo a la sociedad más consciente de la necesidad de adaptar los hábitos de consumo de energía. Una manera obvia es utilizar en la medida de lo posible, menos dispositivos que consumen gran cantidad de energía. Además, las regulaciones gubernamentales de todo el mundo están aplicando medidas de ahorro energético a través de la prohibición, paso a paso, de fuentes de luz eficientes tales como lámparas incandescentes, obligando a la industria a invertir en el desarrollo de fuentes de luz eficientes de energía alternativa.

 

La tendencia del mercado de la iluminación actual se define por la tecnología LED, que ofrece ventajas significativas sobre las fuentes de luz tradicionales. Los LEDs son conocidos por su bajo consumo y larga vida útil. Los avances tecnológicos en la última década han mejorado continuamente la eficacia luminosa (Lumen / Watt) de LEDs y los costes de producción son cada vez menores. Estas características técnicas, catalizadas por los acontecimientos económicos, ecológicos y las restricciones políticas para el sector, están impulsando la propagación de los LEDs en la industria de la iluminación a un gran ritmo.

 

Para Renesas Electronics, el segmento de la iluminación es uno de los mercados clave con un enfoque creciente en todo el mundo. El compromiso de Renesas es ofrecer gran alcance y productos de iluminación “state-of-the-art” (controladores LED inteligentes) para la industria, permitiendo diseñar y crear productos de  iluminación capaces de satisfacer la actual situación económica y las exigencias ecológicas.

 

Renesas ofrece una amplia gama de componentes dedicados y semiconductores avanzados para aplicaciones de iluminación. El espectro va desde su última familia de ASSP RL78/I1A, pasando por drivers de LED discretos como el R2A20134 y R2A20135, e incluyendo una amplia variedad de MOSFETs y optoacopladores complementados por soluciones de comunicaciones especializadas en iluminación. Estos productos cubren todos los aspectos del diseño de la iluminación LED, reemplazando bombillas incandescentes y tubos fluorescentes no sólo en iluminación comercial de eventos bajo techo y al aire libre, sino también para aplicaciones de iluminación arquitectónica, iluminación de calles, y aplicaciones de iluminación doméstica.

 

En este artículo se describen brevemente las características de la familia específica para aplicaciones de iluminación RL78/I1A, sus herramientas de desarrollo, y las perspectivas de la tecnología. Los drivers discretos de LED R2A20134, R2A20135, y demás componentes no serán tratados más aquí.

 

RL78/I1A MCU ASSP para aplicaciones de iluminación

  

 

RL78/I1A es un ASSP de la última serie de microcontroladores Renesas RL78 que combina las mejores características de sus anteriores núcleos estándar de microcontroladores industriales, el 78K0 y el R8C, y ofrece un rendimiento superior.

Esta nueva generación de microcontroladores de 16 bits tiene el menor consumo de energía de su clase en el mundo. Cuenta con dos configuraciones diferentes de flash ROM, y – en función de la temperatura ambiente – puede funcionar opcionalmente a 24 o 32MHz. El MCU está disponible en 20, 30, 32 y 38 pines (SOIC, SSOP y QFN).

El RL78/I1A integra todas las funciones y los recursos necesarios para una aplicación de iluminación LED típica integrada, por tanto es una solución mono-chip de baja potencia, bajo coste y sin penalizar la eficiencia.

 

Integra funciones específicas para aplicaciones de iluminación como DALI (Digital Addressable Lighting Interface), DMX512 (Digital Multiplex), RDM (Remote Device Management), ZigBee y Power Line Communications (PLC). Los transceivers on-chip DALI se complementan con otras interfaces principales estándar como UART, SPI y I2C.

 

La funcionalidad y la inteligencia integrada en el chip reducen la necesidad de componentes externos adicionales (BOM). La simplificación de la lista de materiales facilita a su vez el proceso de consecución de piezas, las pruebas del sistema, el proceso de producción y aumenta la fiabilidad de todo el sistema, son por tanto, argumentos contundentes para muchos diseños de aplicaciones LED y de balastos donde el espacio es limitado.

 

                        Figura 1: Diagrama de bloques del RL78/I1A

     

El RL78/I1A ofrece control multi-canal de LED. El diseñador tiene la opción de seleccionar un analógico de 10 bits o un PWM de 16 bits para regular cada canal individualmente. Además, el oscilador integrado de alta precisión (± 1%) facilita la temporización del PWM a frecuencias de hasta 64 MHz requeridas para la regulación fina de luz y mejorar los ajustes de «temperatura de color». El uso de frecuencias más altas en el PWM permite el uso de inductores de menor tamaño (ahorro de espacio) y proporciona más ancho de banda para el control de corriente constante necesario para el funcionamiento adecuado del LED.

 

Otros RL78/I1A habilitan la función de control del PFC (Power Factor Correction) para el control de la etapa de potencia, y los diferentes modos de operación, incluyendo CRM (Modo Conducción Crítica) y DCM (modo discontinuo de la conducción). Del mismo modo, el MCU soporta la demanda del mercado de funciones como alto CRI (índice de reproducción cromática) y control CCT (Temperatura de color correlacionada), así como la detección automática y la compensación de la degradación de la energía del lumen del LED.

 

El microcontrolador muestra un aumento considerable de su rendimiento gracias a su elegante arquitectura interna donde los comparadores y ADCs integrados están entrelazados con canales PWM y los amplificadores operacionales están directamente vinculados a los ADCs. Esto se traduce en una menor carga de proceso de la CPU y un código de menor tamaño, mientras se mantiene el control automático del sistema incluyendo la gestión de los LED, control de PFC, comunicación DALI, procesamiento de datos de sensores, protección contra sobreintensidad de corriente y “arranque suave”.

 

El circuito de “arranque suave” integrado permite reducir al mínimo la corriente de entrada a través de los LED, proporcionando así protección para los mismos LED y el circuito de alimentación. Además, esta función contribuye a la reducción de las emisiones electromagnéticas y también al tamaño del código en el nivel de aplicación. Los diseñadores de sistemas LED querrían imitar el funcionamiento de una lámpara incandescente la cual no se encienda y apague instantáneamente, sino que lo haga de manera gradual, y que esto se haga a nivel de hardware. 

 

Las nuevas características, como el modo Snooze implementado en el RL78/I1A, permiten ultra-bajo consumo de corriente (0.22μA) al mismo tiempo que aseguran la comunicación DALI, conversiones A / D y la gestión de memoria flash, que funciona en segundo plano, mientras que la CPU está ocupada con otras tareas. Es importante tener en cuenta que no se pierde información cuando la interrupción para DALI despierta la CPU del modo de suspensión.

 

Figura 2: Diagrama de bloques del RL78/I1A y su integración típica como un LED driver

       

 

La arquitectura interna de la familia de microcontroladores RL78 permite a la mayoría de las funciones requeridas  por la aplicación ser  ejecutadas por hardware y en un código de programa altamente optimizado permitiendo una huella de memoria mínima. Esto no sólo mantiene el coste del sistema bajo, sino también un código menor que permite un testeo más rápido de la aplicación y menos esfuerzos de depuración. Una vez más, esto contribuye de manera positiva a la optimización general de los costes del sistema para el diseñador.

 

Este conjunto de características técnicas son muy valiosas en el proceso de toma de decisión del MCU correcto para una aplicación de iluminación. Comparativas de mercado entre Renesas y la competencia, han puesto de manifiesto que el RL78/I1A es potencialmente capaz de lograr 20% de ahorro en cuanto a costes en lista de materiales en un una aplicación típica con LED drivers.

 

La ventaja de usar microcontroladores con respecto a IC dedicados, radica en el hecho de que los microcontroladores son flexibles en su uso, versátiles en términos de características y, por último pero no menos importante, muy adaptable en cuanto a software. La posibilidad de la reconfiguración de los microcontroladores simplemente reprogramando el firmware de la aplicación permite a los diseñadores desarrollar una plataforma de hardware con opciones de adaptación a las necesidades locales y para las diferentes tareas de iluminación. Esto no sólo ahorra tiempo y costes de desarrollo, sino que también reduce el tiempo de comercialización. Además se simplifica la gestión de las actualizaciones del sistema, las tareas de mantenimiento y la supervisión.

 

Estructura de soporte de Renesas

Renesas tiene una red de atención al cliente en todo el mundo que abarca la comercialización, ventas, ingeniería, calidad, y por último pero no menos importante la logística. Sólo en Europa, Renesas está presente con sus 20 oficinas en 14 países. La sede europea se encuentra en Düsseldorf, Alemania.

 

Expertos en ventas, marketing e ingeniería en estas ubicaciones, ofrecen “pre-y-post” apoyo al cliente. El apoyo va desde el concepto de aplicación y la fase de evaluación comparativa hasta la fase de producción.

 

Soporte para herramientas de desarrollo del RL78/I1A lighting MCU

  

Para el diseño y desarrollo de la aplicación, Renesas ofrece una amplia gama de herramientas de desarrollo hardware y software “state of the art”, notas de aplicación y formación de las herramientas de desarrollo in situ. Además, 3rd parties de Europa y de otros continentes ofrecen herramientas de desarrollo para productos de Renesas.

 

Herramientas de desarrollo (hardware)

 

Las herramientas de desarrollo en cuanto a hardware, van desde placas de evaluación sencillas y emuladores de bajo coste serie (E1 Emulator) hasta emuladores en tiempo real In-Circuit (IECUBE).

 

 

Placas de evaluación: El kit de demostración de la familia RL78/I1A puede ser utilizado por los clientes para obtener un “conocimiento inicial” del producto. El kit incluye la placa base del RL78/I1A con 3 canales de LED, DALI y DMX, que permite al cliente evaluar las características específicas del ASSP y las herramientas especializadas en iluminación incluidas en el kit. Se trata de una completa herramienta que permite a los clientes obtener una sensación inicial de las características del producto sin tener que hacer el esfuerzo de diseñar su propio hardware y software.

 

Emulador E1: La interfaz serie de bajo coste para depuración on-chip (E1 Emulator) es una poderosa herramienta de desarrollo y depuración que permite programación on-board, ejecución del programa, manipulación de memoria y registros, etc. El emulador E1 tiene una sencilla interfaz de 4-pin entre el host y el dispositivo. La comunicación serie en modo de depuración se lleva a cabo mediante un solo pin del dispositivo. El emulador E1 soporta herramientas de software estándar, como compilador C y ensamblador, y cuenta con una potente interfaz gráfica de usuario (GUI).

 

In-Circuit Emulator: El emulador In-Circuit (IECUBE: QB-RL78I1A-TxxSP) es un potente emulador en tiempo real y una herramienta de depuración con funciones de traza en tiempo real y una interfaz gráfica de usuario fácil de usar. El IECUBE soporta tanto herramientas software propietarias de Renesas como herramientas software de terceras partes – por ejemplo, IAR Systems ® (Suecia).

 

Todas las herramientas hardware utilizan un  PC compatible IBM® estándar como host.

 

Herramientas de desarrollo (software)

 

Como complemento a las herramientas de hardware mencionadas, existen también lenguajes de simulación y software de depuración de Renesas y 3rd parties. En Europa, se promociona el IAR Embedded Workbench ® (EWRL78-FULL-EE) de IAR Systems ®.

 

El IAR Embedded Workbench ®, un IDE con una potente interfaz gráfica, apoya el desarrollo de aplicaciones. La suite de depuración consiste en un compilador C propietario de IAR, ensamblador, y depuradores C-Spy e interfaces con emuladores de Renesas IECUBE y E1.

 

Para la configuración inicial del dispositivo y con fines de evaluación, Renesas también ofrece una herramienta de desarrollo basada en una GUI gratuita llamada AppliletEZ. Esta herramienta ayuda al usuario en la configuración del chip de las funciones necesarias en el RL78/I1A para la aplicación de iluminación sin que el cliente necesite saber la estructura de los registros del MCU a nivel de bits. Externamente saca un código C pre-compilado simplemente pulsando un botón. Esto es una bendición para clientes que empiezan a trabajar con MCUs de Renesas, especialmente si no están familiarizados con ellos.

 

Para facilitar aún más el desarrollo / depuración de aplicaciones de iluminación, en Renesas existe un conjunto completo de herramientas para el usuario con interfaz gráfica para comunicaciones DALI y DMX.

 

 

 

Perspectivas

Renesas está trabajando en estrecha colaboración con los principales actores y consorcios pertinentes de la industria para identificar las tendencias y los requisitos fundamentales que persiguen el objetivo de servir al mercado productos y tecnología punta.

Para cumplir con estos objetivos auto-establecidos, además de la inversión propia que la compañía realiza en investigación y desarrollo, se trabaja activamente con diversos comités de normalización en Europa, definiendo conceptos futuros para la industria de iluminación. De esta manera, los avances en la tecnología y las características específicas están definidas también por la necesidad de mantener una mejor protección del medio ambiente – aspecto importante para un entorno global sostenible.

 

Se está observando que el mercado se está moviendo hacia los controladores LED que operan directamente desde la red. El RL78/I1A con su controlador PFC on-chip tendría una clara ventaja en términos de costes del sistema y el espacio para  balastos de iluminación por encima de 25W. En la salida, sin embargo, los niveles más altos de tensión requeridos dependerán en gran medida de lo que el diseñador tenga como objetivo lograr con la aplicación. Aquí los clientes tendrán que adquirir un compromiso entre los objetivos específicos de la aplicación y las especificaciones de salida del controlador del que se disponga. Sin embargo, con la flexibilidad de las soluciones de iluminación disponibles y futuras, los productos dedicados a iluminación de Renesas serían capaces de cubrir la mayor parte de los requisitos de las futuras aplicaciones.

 

Un factor potencial para la mejora de la eficiencia es considerar técnicas especiales de diseño y características de los controladores LED junto con el software – en otras palabras, proporcionar más inteligencia a los drivers. Estos controladores inteligentes podrían hacerse cargo de las tareas de comunicación, gestión de sensores, dirigir oscurecimiento, gestionar controles mejorados etc. Renesas considera que el desarrollo de este tipo de controladores inteligentes muy importante.

A medio plazo, estos controladores inteligentes serían incluso fundamentales para mejorar el brillo y el ciclo de vida de los OLEDs. Se está trabajando intensamente en Renesas para mejorar aún más el grado de compensación de la degradación de la salida de luz del LED / OLED durante el ciclo de vida, el control PWM (regulación más fina), y en la mezcla de color más precisa para aplicaciones específicas.

 

Todos estos factores son importantes en aplicaciones de alumbrado público y doméstico, donde no sólo la longevidad, el brillo y las funciones de regulación desempeñan un papel, sino también la percepción subjetiva de la comodidad de la «temperatura del color» de la luz por las personas. Así, además de considerar los costes y los problemas de eficiencia energética y el diseño del controlador LED, los ingenieros también tendrán que tener en cuenta la aplicación de destino – como, doméstica, lugares públicos o de alumbrado público – para la que se requiera la fuente de luz LED.

 

 

Los ingenieros de Renesas están trabajando incansablemente en procesos innovadores para optimizar la arquitectura interna, habilitando y permitiendo diseños de sistemas de iluminación para balastos con mayor inteligencia y una mayor densidad de integración funcional. El objetivo general es contar con componentes electrónicos para iluminación de balastos con mejor tecnología, eficiencia de costes y compromiso ambiental.