LED手術(shù)無(wú)影燈調光電路的設計及應用

0   引言

隨著(zhù)LED照明技術(shù)的日新月異，其應用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，從照明延伸到工業(yè)照明、汽車(chē)照明以及醫用照明等領(lǐng)域，LED手術(shù)無(wú)影燈便是醫院手術(shù)室必用設備之一，在醫生手術(shù)過(guò)程中發(fā)揮重要的照明作用^[1]。與傳統手術(shù)照明燈具相比，LED手術(shù)無(wú)影燈具有節能環(huán)保、高光效、無(wú)熱輻射、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，不僅壽命延長(cháng)到3萬(wàn)多小時(shí)，而且光照均勻，光質(zhì)好，不會(huì )散發(fā)出過(guò)量的熱，能避免手術(shù)區域中的組織干燥影響手術(shù)結果，相同照度下節能量更在70%以上。本文所介紹的電路集單片機、調光控制模塊于一體，可以實(shí)現LED亮度的無(wú)級調控，操作者可根據自身對亮度的適應性隨意調節，使其達到理想的舒適度，并且該電路具有參數記憶模式，可根據個(gè)人的設置需求進(jìn)行存儲記憶，方便了操作者的使用。

作者簡(jiǎn)介：孔強強（1985—），男，工程師，主要從事LED產(chǎn)品的光電性能、EMC檢測、設計等工作。

1   調光電路硬件設計

LED手術(shù)無(wú)影燈電路結構框圖見(jiàn)圖1，采用大功率LED光源，設計參數為輸出電流400 mA，精度±5%，PWM線(xiàn)性調光范圍為0~100%、具有輸出過(guò)流、過(guò)載保護功能。

從圖1可以看出，該電路集成電源管理模塊、數據存儲器模塊、人機交互模塊以及調光控制模塊。中央控制器采用德州儀器（TI）公司的低功耗、高性能MSP430F1232單片機^[2]作為核心控制器，用于進(jìn)行調光數據的設置與處理；電源管理模塊的作用是保證整個(gè)電路工作電壓的穩定，保證無(wú)影燈亮度的穩定性及設備的安全性；人機交互模塊負責LED無(wú)影燈照明亮度的調節與設置，經(jīng)過(guò)A/D轉換傳遞給中央控制器；調光控制模塊通過(guò)接收來(lái)自單片機產(chǎn)生的PWM控制信號，與DC/DC變換控制器LM3404以及外圍電路組成本設計的調光控制模塊，達到對LED手術(shù)無(wú)影燈的亮度調節。本文針對調光控制模塊電路進(jìn)行了詳細描述。

圖1 LED手術(shù)無(wú)影燈電路結構框圖

1.1 LM3404介紹

單片機MSP430F1232產(chǎn)生的PWM控制信號與DC/DC變換控制器LM3404以及外圍電路組成本設計的調光控制模塊。LM3404是由德州儀器（TI）公司研發(fā)設計的內部集成開(kāi)關(guān)電源控制的芯片，是一款由可控電流源衍生的降壓型穩壓器，可驅動(dòng)大功率、高亮度發(fā)光二極管串，可以接受范圍在DC 6 V~DC 42 V的輸入電壓[3]。

根據實(shí)際使用中手術(shù)對亮度和照度的需要，操作者對轉換器的輸出電壓進(jìn)行調節，可以維持通過(guò)LED陣列的恒定電流水平[3]。表1為L(cháng)M3404管腳說(shuō)明，該芯片具有以下特點(diǎn)：①使用DC 6~42 V的寬電壓范圍；②內部集成N溝道MOSFET，最大輸出電流可達1.5 A，滿(mǎn)足輸出電流400 mA的要求；③內部MOSFET的導通時(shí)間可通過(guò)外接電阻控制，以適應不同負載時(shí)輸出電壓的波動(dòng)；④根據PWM信號的占空比大小實(shí)現對大功率LED發(fā)光亮度的調節；⑤包含開(kāi)路、短路、過(guò)溫等多種保護電路，保證電路的安全性；⑥可實(shí)現無(wú)電解電容的電路設計，確保電路壽命更長(cháng)。

圖2為L(cháng)M3404的外圍應用電路圖，其中：VIN+通過(guò)R5與LM3404的Ron引腳相連，以使LM3404內部的MOSFET開(kāi)關(guān)管通過(guò)R2調節導通與關(guān)斷的時(shí)間；L1為儲能電感，R3與R4為電流采樣電阻，完成電路的輸出電流采樣；當內部MOSFET開(kāi)關(guān)管處于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)L1將輸出到負載的電流穩定在設定輸出值，電流通過(guò)VIN+、開(kāi)關(guān)管MOSFET、儲能電感L1、LED、電流采樣電阻R4與R5、最終返回GND，通過(guò)L1電感的電流線(xiàn)性上升。在此過(guò)程中，L1存儲能量；當MOSFET開(kāi)關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，通過(guò)L1電感的電流由續流二極管D1提供給續流回路，L1儲存的能量釋放，為負載處提供工作電流，用以維持負載處電流的恒定；LM3404輸出采樣電流控制端CS根據采樣電阻的電壓變化來(lái)調節流過(guò)LED電流的大小，控制芯片恒流輸出；Q1為外接N溝道MOSFET，其漏極與LM3404的調光設置端DIM引腳相連，其源極則與電路的GND端相連，其柵極則與單片機的調光控制PWM信號相連接，通過(guò)調節PWM占空比大小最終實(shí)現對LED手術(shù)無(wú)影燈照明亮度的調節。在滿(mǎn)足調光功能的基礎上，還應考慮到醫用設備電氣安全和電磁兼容的重要性，防止因醫療環(huán)境中其他電子電氣設備的相互干擾引起的安全故障。因此，在電路設計中采用Modbus冗余校驗法，排除錯誤干擾信號；采用完全的電氣隔離，增大電子器件的爬電距離和電氣間隙，以阻止電路各部分的相互影響；采用過(guò)壓和過(guò)流自動(dòng)保護電路，當電壓或電流超過(guò)規定值時(shí)，系統自動(dòng)切斷電源，以保證設備的安全。

圖2 LM3404外圍電路圖

1.3 PWM調光信號的產(chǎn)生

高亮度發(fā)光二極管串的電流主要通過(guò)對LM3404的DIM端口進(jìn)行PWM調節，實(shí)際電流占設定電流值的比例取決于PWM的占空比^[3]。在電路初次啟動(dòng)完成上電后，作為中央控制器的單片機進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)產(chǎn)生的PWM調光信號占空比為固定設定值，LED手術(shù)無(wú)影燈照明的亮度為初始亮度。

由于大功率LED會(huì )隨著(zhù)使用時(shí)間的增加產(chǎn)生光衰，為使LED手術(shù)無(wú)影燈的光照強度在設計壽命時(shí)間內始終保持最優(yōu)的照明效果，克服光衰造成的照度下降問(wèn)題，該調光電路在工作一段時(shí)間后，單片機會(huì )根據實(shí)際工作時(shí)長(cháng)由設定程序來(lái)補償調整PWM調光信號的占空比，保證LED光源的發(fā)光強度。另外，為適應不同操作者對照明亮度的需求，操作者可根據自身習慣及醫療環(huán)境要求通過(guò)人機交互設定照明亮度，關(guān)閉照明燈具后單片機會(huì )將最后設定的亮度數值存儲于外部數據存儲器中；當用戶(hù)再次開(kāi)啟該LED手術(shù)無(wú)影燈照明時(shí)，單片機會(huì )按最后保存的照明模式進(jìn)行控制輸出。

2   電路軟件程序設計

軟件程序的設計除考慮功能性的實(shí)現外，還應考慮到電路后期的升級與維護，因此在軟件程序設計中采用模塊化的方式。本軟件設計主要包含主程序模塊、數據采集與處理模塊以及PWM驅動(dòng)信號調節模塊等。主程序的功能主要是完成電路的初始化、中斷程序設置，當完成電路預先程序設定后，主控程序會(huì )進(jìn)入低功耗待機狀態(tài)，在該狀態(tài)下單片機會(huì )隨時(shí)被各種中斷程序喚醒，并對中斷事件進(jìn)行及時(shí)響應執行。

PWM驅動(dòng)信號調節程序的功能是實(shí)現電路的調光連續性以及照度舒適性的調光功能，程序流程如下：電路上電后單片機首先判斷是否為初次上電工作，如果是，調光輸出按初始設計PWM值進(jìn)行設置，否則單片機讀取外部存儲模塊中的存儲數據，按最后1次PWM設定值進(jìn)行調節控制，單片機內部定時(shí)器對PWM占空比輸出進(jìn)行精確設置。如果操作者需要對照明亮度進(jìn)行調整，則可通過(guò)人機交互模塊進(jìn)行重新設置，設置完成后單片機對該次設置的數據進(jìn)行自動(dòng)保存，方便操作者的使用。

圖3 不同輸出電壓下輸出電流測試曲線(xiàn)

3   實(shí)測數據及驗證

在輸入電壓分別為：DC 18 V、DC 24 V、DC 36 V，輸出電壓分別為：DC 8 V、DC 10 V、DC 12 V，PWM調光占空比為100%條件下測試，不同輸入輸出電壓下輸出電流測試數據如表1，輸出電流測試曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

從表1和圖3的測試結果可以看出，在不同輸入輸出電壓，占空比100%情況下，輸出電流的誤差在±2%之內，完全符合設計要求±5%的電流精度要求。

在輸入電壓為分別為DC 18 V、DC 24 V、DC 36 V，輸出電壓為DC 10 V，PWM調光占空比為0~100%間隔10%的條件下測試輸出電流線(xiàn)性特性。不同輸入電壓、占空比條件下輸出電流測試數據如表2，不同輸入電壓、占空比條件下輸出電流測試曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖4 不同占空比下輸出電流測試曲線(xiàn)

從表2和圖4的測試結果可以看出，在額定輸出電壓DC 10 V下，不同輸入電壓，占空比由0~100%調節，輸出電流的線(xiàn)性度基本吻合，符合設計要求。

4   結語(yǔ)

該LED手術(shù)無(wú)影燈調光電路集單片機、數字PWM調光于一體，采用LED恒流驅動(dòng)技術(shù)，具有人機交互方便、調光精度高、自適應性強等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)際測試，調光控制輸出電流線(xiàn)性度良好、性能穩定可靠，給使用者帶來(lái)了較大便利，該LED手術(shù)無(wú)影燈調光照明電路已應用在山東濟寧某醫療器械公司產(chǎn)品中，取得了良好的使用效果和社會(huì )效益，具有較高的推廣價(jià)值和廣泛的市場(chǎng)應用前景^[4]。

參考文獻：

[1] 霍彥明,王志遠,譚俊廷,等.智能化LED手術(shù)無(wú)影燈的仿真及設計[J]河北工業(yè)科技,2011(3): 100-103.

[2] Msp430x1xxFamily User’ sGuide[ Z ] . T e x a s Instruments Incorporated,2006.

[3] 盛衛鋒,姜微艷.新型LED手術(shù)無(wú)影燈[J] .微型機與應用,2010(19): 19-21.

[4] 國建嶺.基于GPRS的智能路燈控制設備的設計[J].中國照明電器, 2014(02):37-40.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年8月期）