新型大功率藍光LED光源驅動(dòng)電路設計

摘要：為了采集水下目標的圖像信息，降低水下成像系統的成本，通過(guò)采用大功率藍光LED代替傳統的激光器做光源，結合CCD成像技術(shù)，調節光束的發(fā)散角來(lái)照射水下目標場(chǎng)景，將目標全部或目標的關(guān)鍵特征部位照亮，實(shí)現對水下目標的成像。設計了基于IRIS4011構成的大功率藍光LED的恒壓恒流驅動(dòng)電路。本驅動(dòng)電路穩定可靠地控制LED在額定功率下工作，通過(guò)水下成像實(shí)驗，采集到了水下目標的信息，實(shí)驗結果表明窄小的視場(chǎng)范圍內跟蹤和接收目標信息，很大程度上減小了后向散射光對成像質(zhì)量的影響，并提高了系統的信噪比和作用距離。
關(guān)鍵詞：水下成像；大功率；藍光LED；恒壓恒流；驅動(dòng)電路

譽(yù)為“綠色照明”的半導體(LED)照明技術(shù)發(fā)展迅猛，LED具有功耗低、使用壽命長(cháng)、尺寸小、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對高強度藍光LED的不斷研發(fā)產(chǎn)生了好幾代亮度越來(lái)越高的器件，在1990年左右推出的基于碳化硅裸片材料的LED的效率大約是0．04lm／W，發(fā)出的光強度很少有超過(guò)15 mcd的。20世紀90年代中期出現了第一個(gè)基于GaN的實(shí)用LED?，F在還有許多公司在用不同的基底(如藍寶石和碳化硅)生產(chǎn)GaN LED，這些LED能夠發(fā)出綠色、藍色或紫羅蘭等顏色的光。高亮度藍色LED的發(fā)明使真彩廣告顯示屏的實(shí)現成為可能，這樣的顯示屏能夠顯示真彩、全運動(dòng)的視頻圖像。隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前能生產(chǎn)功率高達100 W，光通量可達2 000 lm大功率高亮度的藍光LED。因此它作為一種有著(zhù)廣
泛應用前景的技術(shù)，有必要對其做深入的研究。水下成像系統是建立在海水對藍綠光(480～540 nm)低損耗窗口的基礎上所建立的一種的水下成像系統。它不但能用于普通水中，而且能用于渾濁水中，甚至在漆黑的海底也能進(jìn)行觀(guān)察。本文主要是基于大功率藍光LED水下成像系統的研究。大功率藍光LED(≥50 W)光源驅動(dòng)電路是基于大功率蘭光LED的水下成像系統的研究與分析的重要組成部分。

1 基本原理和電路設計
對水下成像系統而言，光源的選擇至關(guān)重要，光源的穩定性、均勻性、響應速度及其光波波長(cháng)范圍是系統成像的關(guān)鍵。采用藍光LED所發(fā)出光光經(jīng)過(guò)水介質(zhì)——目標反射——水介質(zhì)——接收光學(xué)系統，最終在成像傳感器(CCD,ICCD)上成像。這就決定了LED必須工作在快脈沖驅動(dòng)方式下，目前市場(chǎng)上的驅動(dòng)電路一般均丁作在慢脈沖驅動(dòng)模式(μs量級)，遠不能滿(mǎn)足我們的要求。因此，我們必須自己解決快脈沖驅動(dòng)電路這一難題，尤其是實(shí)現以ns量級的大功率快脈沖來(lái)驅動(dòng)大功率的LED?；谶@種實(shí)驗實(shí)際需求，我們研究開(kāi)發(fā)了此種快脈沖驅動(dòng)電路。該電路的基本功能是產(chǎn)生低頻、快速、大功率驅動(dòng)電流脈沖信號，輸出脈沖的頻率與周期精確度高，穩定性好，脈沖信號寬度在20～100 ns內分5檔可調，輸出在50 Hz的基準頻率下工作。脈沖信號通過(guò)驅動(dòng)電路，輸出一個(gè)快脈沖信號驅動(dòng)輸出電流開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生一個(gè)大電流脈沖信號驅動(dòng)一個(gè)大功率LED。為了達到設計要求和目的，我們采用晶振電路產(chǎn)生高精度頻率／周期基準脈沖作為內置信號源，通過(guò)對基準脈沖進(jìn)行多次分頻，產(chǎn)生所需頻率的輸出脈沖信號，這樣可以獲得頻率穩定的脈沖信號，同時(shí)實(shí)現了頻率選擇。經(jīng)過(guò)分頻后的脈沖信號再經(jīng)過(guò)脈沖寬度成形電路實(shí)現脈寬調節，然后經(jīng)過(guò)電流開(kāi)關(guān)電路，產(chǎn)生大電流脈沖，使LED發(fā)光。該驅動(dòng)電路主要由以下幾個(gè)部分組成：信號源、分頻電路、頻率選擇、脈沖寬度電路、TTL輸出、驅動(dòng)電路和電流開(kāi)關(guān)電路。其框圖如圖1所示。

2 主要單元電路與原理
如前所述，該電路主要由信號源電路、分頻電路、頻率選擇、脈沖寬度成形電路、驅動(dòng)電路、大功率電流開(kāi)關(guān)等單元電路組成。內置的信號源產(chǎn)生的信號經(jīng)過(guò)分頻、脈寬成形之后，送入驅動(dòng)電路產(chǎn)生驅動(dòng)信號，驅動(dòng)大功率電流開(kāi)關(guān)控制大功率藍光LED光源電路工作。同步的TTL輸出信號可作為檢測信號或其他電路的觸發(fā)與驅動(dòng)信號。
2．1 信號源電路
用石英晶體與非對稱(chēng)式多諧振蕩器的耦合電容串連起來(lái)，就可以組成石英晶體多諧振蕩器，該電路的振蕩頻率取決于石英晶體的固有頻率f0，與外接電阻參數無(wú)關(guān)，耦合電容起到微調與補償振蕩頻率的作用。我們采用固有頻率f0為10 MHz的石英晶體構成內置信號源，其輸出脈沖的頻率／周期精確度高，穩定性好。