大功率白光LED医用冷光源控制系统设计

焦素敏

(河南工业大学信息科学与工程学院，河南 郑州 450001)

1 引言

随着医用光学仪器的发展和普及，特别是关节镜、腹腔镜等医用内窥镜在临床微创手术中的广泛应用，对医用冷光源的数量和特性要求越来越高。医用冷光源的基本功能是产生冷光，可供采用光学纤维导光束的各种内窥镜作为光源，为进行内腔观察和检查提供亮度照明。医用冷光源不仅要有足够的光通量，高色温，而且要工作可靠，使用安全。初期使用的大功率卤钨灯光效率和色温都低，所观察或显示的图像颜色偏红，色还原性较差，冲击电流大。目前使用的氙灯和金属卤化物灯虽然都具有高色温，但都属于气体放电灯，需要万伏以上高压放电，启动电磁干扰大，氙灯的光效低，金属卤化物灯平均寿命短［1，2］。随着 LED技术的不断发展，高光效、高色温、长寿命、节能环保的大功率白光LED已广泛应用于道路交通和矿山照明等领域，但在医用上仍处于研发试用阶段。大功率LED要成为医用冷光源的主体，安全、高效、方便、灵活的驱动调光控制研究是推广应用大功率LED作为医用冷光源的关键技术。

2 系统总体结构

2.1 大功率白光LED的主要特性

本系统采用Luminus生产的大功率白光LED系列产品CBT-90-W65S作为控制对象，单颗HBLED最大功率为50 W，额定电流13.5 A，色温6500K，其主要特性有以下几点。

(1)电流大

常用照明LED单体功率为1W，3W，5W，8W和10W，而医用大功率LED单体功率高达50W，由图1所示大功率LED的伏安特性知，功率为50W时的工作电流可达13.5A，电压3.7V，是典型的低电压、大电流工作器件。

图1 大功率LED正向伏安特性

(2)光通量高

大功率LED输出的光通量与其正向电流基本成正比，图2所示为大功率LED相对输出光通量与正向电流的关系特性曲线。设正向电流9A时输出相对光通量为1，这时的光通量为1750～2100lm;则正向电流为13.5A时 (相对光通量约1.34)单体LED输出光通量可达2350～2800lm。

图2 光通量与电流关系

(3)寿命长

大功率白光LED的PN结温度与使用寿命的关系曲线如图3所示。如果能够有效地控制LED的结温较低，则可以大大延长白光LED的发光寿命。本系统选用的大功率白光LED采用高导热铜基板封装结构，封装热阻仅为0.9度/W，散热效果好，可有效降低结温，延长其使用寿命［3］。

图3 LED结温与使用寿命关系

2.2 系统总体结构

根据上述大功率白光LED的工作特性，按照医用冷光源在临床中的应用需求，本系统应能够提供高达13.5A的驱动电流，并能对电流大小进行控制以实现调光，同时为了延长光源的使用寿命，应具有对LED结温进行检测和控制的措施。为此，本系统采用硬件电路和软件编程相结合的方法实现对大功率LED的驱动和调光。系统中的医用开关电源将市电转换成+5V和 －12V两种直流电压，给单片机、驱动调光芯片和风扇供电。用AVR单片机作为控制核心，实现对驱动调光芯片LM3433的PWM输出控制、对按键输入信号的检测处理和报警显示输出控制，以及对LED光源PN结温度的检测和控制。本控制系统总体结构图如图4所示。

图4 大功率白光LED控制系统总体结构图

3 系统硬件设计

3.1 驱动与调光电路

大功率白光LED的驱动电源直接影响LED的白光质量、光效和使用寿命。LED驱动方式有恒压源驱动和恒流源驱动。恒压源驱动可靠性差，因为LED正向导通后，外加电压的细小变动将引起正向电流的很大变化。为了保证LED的亮度恒定和防止其过流烧坏，恒流驱动是理想的方法。

为适应临床诊断治疗时对亮度的调整需求，医用冷光源必须具有调光功能，同时保证白光质量不变。由于LED输出光通量与LED电流成正比，所以控制LED的发光亮度，实质就是控制它的正向电流的大小。常用的调光方式有模拟调光和PWM调光。模拟调光通过改变LED电流实现发光亮度调节，其最大优点是调光时无噪声，缺点是调光时系统能耗加大，易出现LED色偏现象，白光质量差。PWM调光是在PWM信号的控制下快速开启或断开LED电流，通过改变LED高频脉冲电流的占空比来调节LED平均电流，从而实现发光亮度调节。由于PWM调光只改变占空比，而LED导通时流过的电流保持不变，可有效避免白光色彩发生变化，故而要采用PWM调光。而常用PWM开关型直流变换器因驱动电流小，无法满足医用冷光源需要［4］。

基于以上考虑，本文选用美国半导体公司(National Semiconductor Corporation)的LM3433作为LED驱动器，这是一款具有脉冲宽度调制(PWM)调光控制功能的DC/DC buck型共阳电流模式高亮度LED驱动器。用它构成的驱动调光硬件电路如图5所示。图中R3和C1用来设定开关管Q1～Q4的工作频率500kHz～1MHz，当选用的电流检测电阻R1为0.005欧时，调节电位计VR1使ADJ端电压为2.25V时可使LED的电流达到13.5A。场效应管Q5和Q6与LED并联实现并行调光，相对于串行调光方案，使光源在高调光频率下有较宽调光范围。DIM引脚用来输入来自单片机输出的30kHz的PWM调光信号，能产生高速PWM调光频率，通过改变PWM信号的占空比来调节LED的亮度，实现100～0%调光范围，有效避免200Hz～20kHz频率容易使周围电感和电容产生人耳听见的噪声［5］。

图5 驱动调光电路

3.2 单片机控制电路

图6 单片机控制电路

本系统采用AVR单片机作为控制核心，用来实现对按键信号的采集，LCD显示控制，LED温度检测和调光输出等控制任务。单片机选用ATEMEL公司的一款采用 RISC指令的8位单片机 ATmega48。ATmega48是一款高速、低功耗的单片机，有丰富的片内资源，如内部晶振、EEPROM、RTC、WATCH DOG、A/D转换器、PWM等，单片机控制电路原理图如图6所示［6］。当单片机 ATmega48接收到调光控制按键S1～S3的信息时，经过处理产生PWM调光信号，由单片机OC2口传递给LM3433的DIM输入端，使PWM输出发生改变，从而调节LED发光亮度。S1、S2分别是亮度调节的加减键，用来设定LED发光亮度，S3是记忆键，按下S3键，系统按照上次设定好的状态工作，LCD显示器可用来实现LED亮度的分级显示，工作时间等信息。

随着LED功率的提高，热流密度相应增加，致使芯片内PN结结温升高，这种由于温度升高而产生的各种热效应会严重影响LED器件的使用寿命和可靠性［7］。本系统除了选用热阻为0.18度/W 的铜管散热器，还增加了过热保护，贴面封装的NTC热敏电阻 (Rt)NCP15XH103J03RC直接焊接在LED散热铜基板上，与PN结之间热阻为0.83度/W，通过单片机接口ADC1将反映温度高低的电压变化量送入单片机内部进行AD转换，当结温超过150℃，自动降低亮度，同时有报警显示。

4 系统软件设计

软件程序的设计主要包括初始化管理模块、按键处理模块、温度超限处理模块和显示模块。单片机软件部分主程序流程如图7所示。系统上电后首先对I/O口、内部AD、定时器Time0及LCD显示进行初始化，然后读取EEPROM中的时间累计数据，控制LCD显示累计使用时间。再利用中断方式对系统工作电压、温度和按键进行检测判断处理［8］。

图7 单片机主程序流程

5 结语

本文针对医用冷光源的临床应用需求，设计并实现了基于AVR单片机控制的大功率LED光源驱动调光控制系统。系统不但实现了对单颗电流高达13.5A的大功率LED的恒流驱动，有效提高了光源输出的电流稳定性，还实现了对LED的高频PWM调光控制，调光范围大，满足临床需要。系统还增加了LED冷光源PN结温度过热保护功能，从而延长其使用寿命，保证手术顺利进行。经过临床使用说明，大功率白光LED医用冷光源不仅色温高，光输出大，可靠性高，还具有高效节能、环保、智能等优点，是医用冷光源的理想选择。

［1］虞启琏，邱庆军，蒋景英．新型医用冷光源_金属卤化物灯光源 ［J］．中国医疗器械信息，1999，5(3)［2］董明军等．氙灯在医用冷光源中的应用 ［J］．中国医疗设备，2008，23(2)

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

［4］周志敏，纪爱华．白光LED驱动电路设计与应用实例．［M］．北京:人民邮电出版社，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，陈玉阳，袁川等．LED温度特性的测试 ［J］．照明工程学报，2007，18(1):18～20

［8］马潮．AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践 ［M］．北京:北京航空航天大学出版社，2007:24～43