大功率藍光LED光源驅動(dòng)電路設計

　　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)15mcd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)GaNLED，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100W，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20～100ns內分5檔可調，輸出在50Hz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。

圖1 電路結構原理框圖

　　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。

　　2．2 分頻電路和脈沖成形電路

　　由晶振電路我們得到10MHz的脈沖信號，進(jìn)行5次10分頻和一次2分頻就得到了我們所需要的50Hz基準脈沖。所有的分頻都是由10進(jìn)制計數器74HC390來(lái)完成。成形電路采用DS1040-100可編程脈沖信號成形器件，該集成電路有一個(gè)輸入端，和兩個(gè)極性相反的輸出端，頻率選擇電路將頻率為50Hz輸出信號送入DS1040的輸入端，輸出脈沖信號的寬度是由DS1040-100上的3個(gè)控制端（P0、P1、P2）來(lái)控制的。通過(guò)設置撥碼開(kāi)關(guān)選擇，選擇20、40、60、80、100ns等5種不同寬度的脈沖信號，成形信號穩定性好，滿(mǎn)足水下成像系統的需要。

　　2．3 驅動(dòng)電路

　　基于IRIS4011的電路由輸入保護電路，EMI抑制電路，輸入整流濾波電路，直流變換電路，輸出濾波電路，輔助供電電路，二次恒壓／恒流反饋電路組成。輸入電壓：85～264VAC；輸入頻率47～63Hz；輸出電壓5～24VDC；輸出電流2．5A；恒流精度±2．5％；最大輸出功率：60W。利用變壓器的電感與瓷片電容實(shí)現準諧振工作模式，電路簡(jiǎn)單，可靠性高。準諧振控制模式，能提高電路的轉換效率，降低EMI干擾。用放大器來(lái)實(shí)現恒壓、恒流控制，可以得到很高的控制精度。在輸出電流比較大的電路中，必須用放大器控制形式才能提高控制精度與提高電路轉換效率。限于篇幅，把電路圖分成2部分，具體的電路如圖2所示。

　　圖2 驅動(dòng)電源電路　2．4 輸出電流開(kāi)關(guān)電路

　　通過(guò)成形電路的信號，控制大功率藍光LED發(fā)光，驅動(dòng)信號控制電流開(kāi)關(guān)。電流開(kāi)關(guān)選用一種大功率高頻三極管，為了滿(mǎn)足LED驅動(dòng)電流的需求，將4只三極管并聯(lián)，使流過(guò)LED的脈沖電流最大達到2．5A，保證了LED在額定功率下工作，達到穩定光源的目的。在輸入驅動(dòng)信號的作用下，三極管進(jìn)入導通狀態(tài)，LED兩端產(chǎn)生一定的壓降，大電流流過(guò)LED，使大功率藍光LED發(fā)光，作為距離選通水下成像系統的光源，電路如圖3所示。

　　圖3 電流開(kāi)關(guān)電路

　　3 結論

　　水下成像系統是基于大功率藍光LED光源主動(dòng)照明和CCD技術(shù)相結合，通過(guò)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。而大功率藍光LED光源的驅動(dòng)電路是成像系統關(guān)鍵技術(shù)之一。本文設計的大功率藍光LED光源驅動(dòng)電路已通過(guò)測試，已經(jīng)應用于成像系統的實(shí)驗。通過(guò)對內置脈沖發(fā)生器輸出信號、LED驅動(dòng)電路信號的測試，表明光源驅動(dòng)電路各項性能

　　達到實(shí)驗要求：經(jīng)實(shí)驗現場(chǎng)進(jìn)行驗證，電源驅動(dòng)電路工作穩定，滿(mǎn)足水下成像系統對光源的要求。大功率藍光LED光源的驅動(dòng)電路在設計上采用晶振電路構成內置信號源，保證了所產(chǎn)生的脈沖信號的頻率精確度和穩定度。頻率選擇通過(guò)面板的手動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行設置，并聯(lián)使用大功率的高速三極管，解決了大功率藍光LED光源高速驅動(dòng)的問(wèn)題。