一種基于LM3402的新型LED無(wú)影燈控制系統設計方案

　　無(wú)影燈是用來(lái)照明外科手術(shù)部位不可缺少的重要設備，要求能以最佳地觀(guān)察處于切口和體腔中不同深度、大小、對比度低的物體。因此，除需要“無(wú)影”以外，還需要光照度均勻、光質(zhì)好，能夠很好地區分血液與人體其他組織、臟器的色差。此外，無(wú)影燈還須能長(cháng)時(shí)間地持續工作，而不散發(fā)出過(guò)量的熱，因為過(guò)熱會(huì )使手術(shù)者不適，也會(huì )使處在外科手術(shù)區域中的組織干燥[1]。

　　目前手術(shù)燈一般都采用環(huán)形節能燈或鹵素燈，但隨著(zhù)發(fā)光二極管LED技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是高亮度白光LED的發(fā)展，LED無(wú)影燈徹底解決了環(huán)形節能燈自身存在的先天缺陷，是環(huán)形節能燈的升級換代產(chǎn)品。目前，LED無(wú)影燈的優(yōu)越性逐漸被顯微鏡使用者所了解和接受，使用成本亦較環(huán)形節能燈低，減少了每1~2 個(gè)月就需更換環(huán)形燈管的麻煩。

　　目前，在技術(shù)上已成功解決了大功率LED的封裝、恒流驅動(dòng)、散熱以及照度控制等問(wèn)題，可實(shí)現無(wú)影燈照度的多級調控，調光靈活、方便。LED無(wú)影燈的優(yōu)點(diǎn)有[1-2]：

　　(1)出色的冷光效果：采用新型的LED冷光源作為手術(shù)照明，是真正冷光源，醫生頭部和傷口區域幾乎無(wú)溫升。

　　(2)光質(zhì)好：白光LED具有區別于普通手術(shù)用無(wú)影燈光源的色品特點(diǎn)，可以增加血液與人體其他組織、臟器的色差，使得手術(shù)中醫生的視覺(jué)更加清晰，在流淌、滲透的血液中人體的各個(gè)組織、臟器更容易被區分出來(lái)，這是普通手術(shù)用無(wú)影燈所不具備的。

　　(3)亮度無(wú)級調節：采用數字方式無(wú)級調控LED的亮度，操作者可根據自身對亮度的適應性隨意調節亮度，使其達到最為理想的舒適度，使長(cháng)時(shí)間工作的眼睛不易產(chǎn)生疲勞感。

　　(4)無(wú)頻閃：因為L(cháng)ED無(wú)影燈為純直流供電，無(wú)頻閃，不易使眼睛產(chǎn)生疲勞感，亦不會(huì )對工作區域的其他設備產(chǎn)生諧波干擾。

　　(5)光照度均勻：采用特殊的光學(xué)系統，360°均勻照射在被觀(guān)察物體上，無(wú)虛影產(chǎn)生，清晰度高。

　　(6)壽命長(cháng)：LED無(wú)影燈平均壽命長(cháng)(35 000 h)，遠大于環(huán)形節能燈(1 500~2 500 h)，壽命為節能燈的十倍以上。

　　(7)節能環(huán)保：LED具有較高的發(fā)光效率，耐沖擊，不易破碎、無(wú)汞污染，且其發(fā)出的光不含紅外和紫外成分的輻射污染。

　　1 系統結構

　　1.1 總體結構

　　由于單個(gè)LED的發(fā)光效率不能滿(mǎn)足手術(shù)無(wú)影燈的光照強度和均勻性的要求，因此需要用多個(gè)LED組成陣列，并要求排列合理,分布均勻，使得每個(gè)目標平面的光照度符合要求，以此來(lái)決定LED的數量以及分布規則。雖然LED的發(fā)光效率高，產(chǎn)生的熱量少，但是如此多的LED在一個(gè)密封的箱體內，還是會(huì )產(chǎn)生大量的熱量，溫度甚至會(huì )高達60℃~80℃，所以必須合理設計散熱器以及散熱通道，以有效地降低系統熱阻。

　　LED手術(shù)無(wú)影燈由多個(gè)燈頭組成，成花瓣狀，固定在平衡臂懸掛系統上，定位穩定，能做垂直或循環(huán)移動(dòng)，可滿(mǎn)足手術(shù)中不同高度和角度的需求。整個(gè)無(wú)影燈有 144個(gè)高亮度白色LED，8個(gè)串聯(lián)成一組，即稱(chēng)為高亮度發(fā)光二極管串HBLEDs(High Brightness Lighting Emitting Diode)，以18組并聯(lián)而成。每組相互獨立，若有一組損壞，其他照樣能夠繼續工作，所以對手術(shù)的影響較小。每組由一個(gè)LM3402單獨進(jìn)行恒流驅動(dòng)，并根據用戶(hù)需要，接受一個(gè)微處理器(CMU)P89LPC932的PWM脈寬調節控制，可無(wú)級調節，流過(guò)每個(gè)LED的電流約為120~320 mA。LED無(wú)影燈電氣原理圖如圖1所示。

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　　1.2 操作面板

　　操作面板上有4個(gè)按鈕(環(huán)境照明、關(guān)閉、調亮和調暗按鈕)和8個(gè)LED指示燈。按下環(huán)境照明按鈕，表示只需腔鏡環(huán)境照明，只留下其中一路的3個(gè)LED用于照明，而關(guān)閉其余LED發(fā)光二極管串;按下關(guān)閉按鈕，將熄滅所有8路LED發(fā)光二極管串，再次按下此按鈕，則可以回到原照度顯示狀態(tài)，掉電或重啟也可回到設定照度狀態(tài);調亮和調暗按鈕用于改變無(wú)影燈的照度，對應8個(gè)指示燈，指示8擋亮度，從左到右每增加一擋就增加一個(gè)指示LED點(diǎn)亮，無(wú)影燈處于關(guān)燈狀態(tài)時(shí)，最右邊2個(gè)指示LED點(diǎn)亮。所有操作信息均是通過(guò)RS485總線(xiàn)傳輸給驅動(dòng)板MCU。

　　1.3 驅動(dòng)板

　　驅動(dòng)板是整個(gè)無(wú)影燈控制器的核心，主要由一個(gè)MCU P89LPC932和18路LM2402恒流穩壓電路組成，還包含RS485通信電路。

　　P89LPC932是由飛利浦公司生產(chǎn)的低功耗的MCU，電源電壓3.3 V，可低功耗運行，適合于許多要求高集成度、低成本的場(chǎng)合，可以滿(mǎn)足多方面的性能要求。P89LPC932采用了高性能的處理器結構，指令執行時(shí)間只需 2~4個(gè)時(shí)鐘周期，6倍于標準80C51器件。此外，P89LPC932還集成了許多系統級的功能，這樣可大大減少元件的數目、電路板面積以及系統的成本，內部有2個(gè)定時(shí)器，可作為一個(gè)具有256個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期的PWM發(fā)生器使用[3]。

　　LM3402是一款由可控電流源衍生的降壓型穩壓器，可驅動(dòng)串聯(lián)的大功率、高亮度發(fā)光二極管串，可以接受范圍在6 V~42 V的輸入電壓。當使用引腳兼容的LM3402HV時(shí)，輸入電壓的上限可達到75 V。根據手術(shù)對照度的需要，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。圖2為L(cháng)M3402的典型應用電路示意圖，其中RSNS 為電流設定電阻，平均電流IF≈0.2/RSNS，RON取值與發(fā)光二極管串中的LED數量有關(guān)，8個(gè)LED時(shí)可取值300 kΩ。經(jīng)檢測，恒流標稱(chēng)值為250 mA時(shí)(RSNS=0.8 Ω)，電流波動(dòng)在±20 mA以?xún)?，完全能夠滿(mǎn)足手術(shù)光感要求[4]。