大功率白光LED醫用冷光源控制系統設計

焦素敏

(河南工業大學信息科學與工程學院，河南 鄭州 450001)

1 引言

隨著醫用光學儀器的發展和普及，特別是關節鏡、腹腔鏡等醫用內窺鏡在臨床微創手術中的廣泛應用，對醫用冷光源的數量和特性要求越來越高。醫用冷光源的基本功能是產生冷光，可供采用光學纖維導光束的各種內窺鏡作為光源，為進行內腔觀察和檢查提供亮度照明。醫用冷光源不僅要有足夠的光通量，高色溫，而且要工作可靠，使用安全。初期使用的大功率鹵鎢燈光效率和色溫都低，所觀察或顯示的圖像顏色偏紅，色還原性較差，沖擊電流大。目前使用的氙燈和金屬鹵化物燈雖然都具有高色溫，但都屬于氣體放電燈，需要萬伏以上高壓放電，啟動電磁干擾大，氙燈的光效低，金屬鹵化物燈平均壽命短［1，2］。隨著 LED技術的不斷發展，高光效、高色溫、長壽命、節能環保的大功率白光LED已廣泛應用于道路交通和礦山照明等領域，但在醫用上仍處于研發試用階段。大功率LED要成為醫用冷光源的主體，安全、高效、方便、靈活的驅動調光控制研究是推廣應用大功率LED作為醫用冷光源的關鍵技術。

2 系統總體結構

2.1 大功率白光LED的主要特性

本系統采用Luminus生產的大功率白光LED系列產品CBT-90-W65S作為控制對象，單顆HBLED最大功率為50 W，額定電流13.5 A，色溫6500K，其主要特性有以下幾點。

(1)電流大

常用照明LED單體功率為1W，3W，5W，8W和10W，而醫用大功率LED單體功率高達50W，由圖1所示大功率LED的伏安特性知，功率為50W時的工作電流可達13.5A，電壓3.7V，是典型的低電壓、大電流工作器件。

圖1 大功率LED正向伏安特性

(2)光通量高

大功率LED輸出的光通量與其正向電流基本成正比，圖2所示為大功率LED相對輸出光通量與正向電流的關系特性曲線。設正向電流9A時輸出相對光通量為1，這時的光通量為1750～2100lm;則正向電流為13.5A時 (相對光通量約1.34)單體LED輸出光通量可達2350～2800lm。

圖2 光通量與電流關系

(3)壽命長

大功率白光LED的PN結溫度與使用壽命的關系曲線如圖3所示。如果能夠有效地控制LED的結溫較低，則可以大大延長白光LED的發光壽命。本系統選用的大功率白光LED采用高導熱銅基板封裝結構，封裝熱阻僅為0.9度/W，散熱效果好，可有效降低結溫，延長其使用壽命［3］。

圖3 LED結溫與使用壽命關系

2.2 系統總體結構

根據上述大功率白光LED的工作特性，按照醫用冷光源在臨床中的應用需求，本系統應能夠提供高達13.5A的驅動電流，并能對電流大小進行控制以實現調光，同時為了延長光源的使用壽命，應具有對LED結溫進行檢測和控制的措施。為此，本系統采用硬件電路和軟件編程相結合的方法實現對大功率LED的驅動和調光。系統中的醫用開關電源將市電轉換成+5V和 －12V兩種直流電壓，給單片機、驅動調光芯片和風扇供電。用AVR單片機作為控制核心，實現對驅動調光芯片LM3433的PWM輸出控制、對按鍵輸入信號的檢測處理和報警顯示輸出控制，以及對LED光源PN結溫度的檢測和控制。本控制系統總體結構圖如圖4所示。

圖4 大功率白光LED控制系統總體結構圖

3 系統硬件設計

3.1 驅動與調光電路

大功率白光LED的驅動電源直接影響LED的白光質量、光效和使用壽命。LED驅動方式有恒壓源驅動和恒流源驅動。恒壓源驅動可靠性差，因為LED正向導通后，外加電壓的細小變動將引起正向電流的很大變化。為了保證LED的亮度恒定和防止其過流燒壞，恒流驅動是理想的方法。

為適應臨床診斷治療時對亮度的調整需求，醫用冷光源必須具有調光功能，同時保證白光質量不變。由于LED輸出光通量與LED電流成正比，所以控制LED的發光亮度，實質就是控制它的正向電流的大小。常用的調光方式有模擬調光和PWM調光。模擬調光通過改變LED電流實現發光亮度調節，其最大優點是調光時無噪聲，缺點是調光時系統能耗加大，易出現LED色偏現象，白光質量差。PWM調光是在PWM信號的控制下快速開啟或斷開LED電流，通過改變LED高頻脈沖電流的占空比來調節LED平均電流，從而實現發光亮度調節。由于PWM調光只改變占空比，而LED導通時流過的電流保持不變，可有效避免白光色彩發生變化，故而要采用PWM調光。而常用PWM開關型直流變換器因驅動電流小，無法滿足醫用冷光源需要［4］。

基于以上考慮，本文選用美國半導體公司(National Semiconductor Corporation)的LM3433作為LED驅動器，這是一款具有脈沖寬度調制(PWM)調光控制功能的DC/DC buck型共陽電流模式高亮度LED驅動器。用它構成的驅動調光硬件電路如圖5所示。圖中R3和C1用來設定開關管Q1～Q4的工作頻率500kHz～1MHz，當選用的電流檢測電阻R1為0.005歐時，調節電位計VR1使ADJ端電壓為2.25V時可使LED的電流達到13.5A。場效應管Q5和Q6與LED并聯實現并行調光，相對于串行調光方案，使光源在高調光頻率下有較寬調光范圍。DIM引腳用來輸入來自單片機輸出的30kHz的PWM調光信號，能產生高速PWM調光頻率，通過改變PWM信號的占空比來調節LED的亮度，實現100～0%調光范圍，有效避免200Hz～20kHz頻率容易使周圍電感和電容產生人耳聽見的噪聲［5］。

圖5 驅動調光電路

3.2 單片機控制電路

圖6 單片機控制電路

本系統采用AVR單片機作為控制核心，用來實現對按鍵信號的采集，LCD顯示控制，LED溫度檢測和調光輸出等控制任務。單片機選用ATEMEL公司的一款采用 RISC指令的8位單片機 ATmega48。ATmega48是一款高速、低功耗的單片機，有豐富的片內資源，如內部晶振、EEPROM、RTC、WATCH DOG、A/D轉換器、PWM等，單片機控制電路原理圖如圖6所示［6］。當單片機 ATmega48接收到調光控制按鍵S1～S3的信息時，經過處理產生PWM調光信號，由單片機OC2口傳遞給LM3433的DIM輸入端，使PWM輸出發生改變，從而調節LED發光亮度。S1、S2分別是亮度調節的加減鍵，用來設定LED發光亮度，S3是記憶鍵，按下S3鍵，系統按照上次設定好的狀態工作，LCD顯示器可用來實現LED亮度的分級顯示，工作時間等信息。

隨著LED功率的提高，熱流密度相應增加，致使芯片內PN結結溫升高，這種由于溫度升高而產生的各種熱效應會嚴重影響LED器件的使用壽命和可靠性［7］。本系統除了選用熱阻為0.18度/W 的銅管散熱器，還增加了過熱保護，貼面封裝的NTC熱敏電阻 (Rt)NCP15XH103J03RC直接焊接在LED散熱銅基板上，與PN結之間熱阻為0.83度/W，通過單片機接口ADC1將反映溫度高低的電壓變化量送入單片機內部進行AD轉換，當結溫超過150℃，自動降低亮度，同時有報警顯示。

4 系統軟件設計

軟件程序的設計主要包括初始化管理模塊、按鍵處理模塊、溫度超限處理模塊和顯示模塊。單片機軟件部分主程序流程如圖7所示。系統上電后首先對I/O口、內部AD、定時器Time0及LCD顯示進行初始化，然后讀取EEPROM中的時間累計數據，控制LCD顯示累計使用時間。再利用中斷方式對系統工作電壓、溫度和按鍵進行檢測判斷處理［8］。

圖7 單片機主程序流程

5 結語

本文針對醫用冷光源的臨床應用需求，設計并實現了基于AVR單片機控制的大功率LED光源驅動調光控制系統。系統不但實現了對單顆電流高達13.5A的大功率LED的恒流驅動，有效提高了光源輸出的電流穩定性，還實現了對LED的高頻PWM調光控制，調光范圍大，滿足臨床需要。系統還增加了LED冷光源PN結溫度過熱保護功能，從而延長其使用壽命，保證手術順利進行。經過臨床使用說明，大功率白光LED醫用冷光源不僅色溫高，光輸出大，可靠性高，還具有高效節能、環保、智能等優點，是醫用冷光源的理想選擇。

［1］虞啟璉，邱慶軍，蔣景英．新型醫用冷光源_金屬鹵化物燈光源 ［J］．中國醫療器械信息，1999，5(3)［2］董明軍等．氙燈在醫用冷光源中的應用 ［J］．中國醫療設備，2008，23(2)

［3］Luminus． Product Datasheet-PhlatLight?White LED Illumination Products CBT-90 Series，2009-4-24

［4］周志敏，紀愛華．白光LED驅動電路設計與應用實例．［M］．北京:人民郵電出版社，2009年9月:48～88

［5］National semiconductor．LM3433 common anode capable high brightness LED driver with high frequency dimming．［2007-11-26］

［6］Atmel．8-bit AVR microcontroller with 8k bytes in-system programmable flash．www．atmel．com/literature

［7］梅毅，陳玉陽，袁川等．LED溫度特性的測試 ［J］．照明工程學報，2007，18(1):18～20

［8］馬潮．AVR單片機嵌入式系統原理與應用實踐 ［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2007:24～43