陳 思，孟傳良

(貴州大學 計算機科學與技術(shù)學院，貴州 貴陽 550025)

LED 耗能低、發(fā)光效率高、壽命長、響應速度快、體積小、無污染，正在引起一場照明革命，將成為替代傳統(tǒng)光源的新型光源。

傳統(tǒng)的手術(shù)無影燈采用鹵素燈泡作光源，壽命短、發(fā)熱量大、能耗高，帶來了手術(shù)過程的風險高、醫(yī)護人員發(fā)熱出汗影響手術(shù)操作，患者傷口溫度升高影響愈合等等問題。運用LED 技術(shù)開發(fā)的大功率LED 手術(shù)無影燈，具有安全穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保、色溫和光強無級可調(diào)等優(yōu)點，實現(xiàn)了通過調(diào)節(jié)色溫滿足手術(shù)狀態(tài)下人體不同組織在不同色溫條件下的顯色特性要求，有效地解決了手術(shù)照明系統(tǒng)體積龐大且能耗高的問題，有利于提高手術(shù)室的空氣凈化質(zhì)量，更適合層流手術(shù)室凈化氣流的要求，降低手術(shù)室凈化維護成本，最大限度地滿足臨床手術(shù)照明的客觀要求，是現(xiàn)代手術(shù)室的一大革新［1］。

1 適合LED 手術(shù)無影燈的亮度調(diào)節(jié)方法分析

手術(shù)無影燈不但要求光質(zhì)好，無頻閃，而且還要求亮度能夠連續(xù)調(diào)節(jié)，以適應不同科室的手術(shù)照明需要，以及不同主刀醫(yī)生的偏好，達到最理想的照度，在長時間注視下眼睛不易疲勞。根據(jù)YY0627 醫(yī)療行業(yè)手術(shù)無影燈標準，中心照度范圍規(guī)范為40 klex～160 klex。為此，首先研究手術(shù)無影燈的亮度調(diào)節(jié)方式。

1.1 LED 的伏安特性及調(diào)光的基本原理

大功率LED 屬于低電壓，大電流器件，高亮度LED 正向?qū)〞r結(jié)壓降一般在3.0～4.3 V 之間，其伏安特性關系為:

式中，IF:LED 正向電流;IS:飽和導通電流;VF:PN 結(jié)正向電壓。

圖1 是philips lumileds 公司的1W 大功率LED產(chǎn)品典型的伏安特性。由圖1 中的伏安特性曲線可知，當LED 驅(qū)動電壓為3.44 伏時，對應的LED正向工作電流約為為350 mA;當驅(qū)動電壓變?yōu)?.5 V 時，工作電流變?yōu)?00 mA;如果驅(qū)動電壓再增加的話，流過LED 電流會急劇增加，因為曲線的斜率在增加，電壓微小的增加會引起LED 電流很大的增加，相應地LED 亮度也成正比增加。

圖1 philips lumileds 公司的1W 大功率LED 產(chǎn)品典型伏安特性

1.2 幾種調(diào)光方式比較

1.2.1 模擬恒壓調(diào)光方式

圖2(a)是模擬恒壓調(diào)光方式原理圖。根據(jù)圖1 的曲線可知，采用模擬恒壓調(diào)光方式對電源的要求很苛刻，一個是要求輸出的電壓穩(wěn)定度要很高，第二是定量調(diào)節(jié)模擬電源的輸出參數(shù)要準確，這樣的電壓源成本太高。否則就會引起流過LED 的電流急劇變化，相應地引起LED 發(fā)光不穩(wěn)定，甚至引起LED 損壞。在簡易LED 恒壓驅(qū)動中可以串聯(lián)一個電阻R 限流，如圖2(b)所示。但電阻R 白白消耗能量，還引起發(fā)熱，采用這種模擬恒壓方法調(diào)節(jié)LED 發(fā)光強度不可取。

圖2 模擬恒壓調(diào)光方式原理圖

1.2.2 模擬恒流調(diào)光方式

事實上，工程上大量采用模擬恒流方式驅(qū)動LED 照明，例如LED 路燈等。圖3 是模擬恒流調(diào)光方式原理圖。調(diào)節(jié)可調(diào)電流源輸出的電流就可以調(diào)節(jié)LED 的亮度。模擬恒流調(diào)光方式存在的問題是定量地大范圍改變恒流源的輸出電流有難度，帶來的設備成本很高，因此，這種方法用于大范圍調(diào)節(jié)LED 照明亮度不可取，但對于不調(diào)節(jié)亮度的LED 路燈或者照明燈是最適合的方法。

圖3 模擬恒壓調(diào)光方式原理圖

1.2.3 PWM 調(diào)光方式

PWM 調(diào)光方式又稱為數(shù)字調(diào)光方式，它的原理圖如圖4 所示。通過PWM 波的高電平開啟LED(亮)，PWM 波的低電平關閉LED(滅)，在LED 開啟期間流過LED 的電流是額定的恒定電流Imax。PWM 波的1 個高電平和1 個低電平的持續(xù)時間之和就是一個PWM 周期，如果PWM 波的頻率在24 Hz 以上，人眼就看不到LED 的閃爍，視覺感覺到的就是LED 光線的平均亮度。因此，可以通過改變PWM 波的高、低電平的持續(xù)時間比例來調(diào)節(jié)LED 的亮度。PWM 波的高電平持續(xù)時間又稱為PWM 波的脈寬，脈寬越寬人眼感覺LED 越亮;反之越暗。

圖4 PWM 調(diào)光方式原理圖

圖5 示意了具有同等亮度感覺的模擬恒流調(diào)光與PWM 調(diào)光的驅(qū)動電流波形。改變PWM 的脈寬就可以改變流過LED 的平均電流。設LED 開啟時的最大電流為Imax。PWM 波的周期為T，PWM 波的脈寬為tw，則當占空比為D=tw ∕T時，流過LED 的平均電流Id為:

由(2)式可知，當T 不變時，只要改變PWM 脈沖寬度tw，就可以改變流過LED 的平均電流，從而調(diào)節(jié)LED 的亮度。工程上改變PWM 的脈寬很容易，如果是8 位的定時器，可以獲得256 個檔次的亮度，足夠用于LED 手術(shù)無影燈的亮度調(diào)節(jié)需要了。

圖5 具有同等亮度感覺的模擬恒流調(diào)光與PWM 調(diào)光的驅(qū)動電流波形示意圖

另一方面，PWM 調(diào)光是在tw 期間使LED 發(fā)出額定的高亮度光線，這時LED 的色溫不會改變，因為LED 的物理特性就是在小電流驅(qū)動的低亮度發(fā)光時色溫會改變，這是模擬調(diào)光方式的缺陷。手術(shù)無影燈對色溫要求很高，因此不適用模擬調(diào)光。

2 LED 手術(shù)無影燈的LED 配置

圖6 貴陽市科技局立項支持的LED 手術(shù)無影燈簡圖

3 用LM3404 構(gòu)成PWM LED 恒流驅(qū)動器

LM3404 芯片是美國National Semiconductor 公司專門為驅(qū)動大功率高亮度LED 研制的降壓型調(diào)節(jié)器，它以受控電流源為核心，能夠輸出的最大恒定電流達到1 A，足夠驅(qū)動3 W 以內(nèi)的LED 燈珠以串聯(lián)的形式照明工作。LM3404 輸入的驅(qū)動電壓范圍從6 V 到42 V，LM3404HV 的輸入驅(qū)動電壓則高達75 V。

3.1 LM3404 構(gòu)成的PWM LED 恒流驅(qū)動器電路設計

LM3404 構(gòu)成的PWM LED 恒流驅(qū)動器電路設計圖如圖7 所示。LM3404 芯片的使能控制信號通過NPN 三極管Q1 作電平轉(zhuǎn)換，控制LM3404 的RON 使能。由于Q1 具有反相作用，因此，單片機輸出“0”(低電平)LM3404 使能，輸出“1”(高電平)LM3404 禁止。單片機輸出的PWM 信號加載到DIM 引腳，單片機輸出的PWM 信號為“1”(高電平)時LM3404 輸出額定驅(qū)動電流，輸出PWM 信號為“0”(低電平)時LM3404 輸出電流為0.電阻R3 是LM3404 輸出電流的采樣電阻，決定輸出到LED 串的額定電流。

3.2 LM3404 構(gòu)成的PWM LED 恒流驅(qū)動器電路參數(shù)計算

(1)開關頻率選取和導通電阻R1 的計算

驅(qū)動電路的開關頻率fsw 選取為185 kHz，根據(jù)檢驗，在這個頻率下電路的轉(zhuǎn)換效率較高，并且電感值和電容值也不大，電路板的體積不大。

R1的計算公式:

其中，n 是被驅(qū)動的LED 燈珠串的個數(shù);Vf是LED 燈珠在1 W 下的正向結(jié)壓降;200 mV 是芯片設計的輸出電流在采樣電阻R3上的壓降。

對于LED 燈珠串的個數(shù)是6 個，所用的LED燈珠在1W 下的正向結(jié)壓降為3.3 V，可以計算出Vo=20 V。代入(3)式，得到，R1=806 KΩ。

(2)輸出電流濾波電感L1、C5 的選取

輸出電流濾波電感L1、C5 的選取原則是使輸出電流紋波減小，兼顧電路板的體積。根據(jù)經(jīng)驗，選取電感L1=100 uH，C5=1 uF。

(3)計算輸出電流采樣電阻R3

根據(jù)芯片廠商給出的計算公式:

已知IF=330 mA，所以，R3=0.6 Ω。

(4)輸入濾波電容C1、C2 選取

輸入濾波電容的作用是濾出LED 供電電源的干擾，減小多個LED PWM 調(diào)光亮度控制器之間的干擾。根據(jù)經(jīng)驗和兼顧電路板的體積，總輸入濾波電容選取為2 uF，用兩個電容并聯(lián)的目的是在PCB上安排方便，并且高頻特性也比采用一個兩倍容量的電容好。

(5)使能限流電阻R2 的估算

根據(jù)使能引腳RON 的禁用電平為0～0.8 V的要求，在單片機輸出“1”時，三極管Q1 必須飽和導通。由于Q1 的集電極電阻特別大，因此，R2 選取幾KΩ～幾十KΩ 都可以正常工作。因此選取R2為10 kΩ。

具有完整參數(shù)的LM3404 PWM LED 恒流驅(qū)動器設計如圖7 所示。該亮度控制器已經(jīng)在項目研制的LED 手術(shù)無影燈上應用。

4 結(jié)束語

圖7 LM3404 PWM LED 恒流驅(qū)動器電路設計

LED 具有較高的發(fā)光效率 耐沖擊不易破碎無汞污染 且其發(fā)出的光不含紅外和紫外成分的輻射污染［2］。是手術(shù)無影燈的最好光源。項目選取PWM 數(shù)字調(diào)光方式獲得了接近無級的亮度調(diào)節(jié)，并且沒有色溫偏離，是最佳的選擇。手術(shù)無影燈的可靠性和安全性相對別的LED 照明設備高得多，因此對亮度控制器的要求也特別高，選取美國National Semiconductor 公司的LM3404 產(chǎn)品得到可靠性保證。電路設計了Q1 反相器使能方式，在單片機不工作時正好使LM3404 芯片使能，LED 不需要PWM 信號也仍然點亮，可以在單片機出故障的情況下不滅燈。

［1］劉力，閔蘇.智能無障礙led 手術(shù)無影燈［J］.中國醫(yī)療設備，2010(7):75.

［2］盛衛(wèi)鋒，姜薇艷.新型led 手術(shù)無影燈［J］.微型機與應用，2010(19):19－21.

［3］居大鵬.LED 驅(qū)動器的調(diào)光技術(shù)［J］.電子產(chǎn)品世界，2010(11):34－36.

［4］程長安，王晉，尚向榮.白光LED 的PWM 驅(qū)動方式分析［J］.電子設計工程，2010(2):109－111.