一种显微镜LED光源驱动设计

蔡子龙，牛耀琪，瞿安连

（华中科技大学 生物物理与生物化学研究所，湖北 武汉 430074）

光学显微镜是现代生命科学研究中必不可少的设备之一，传统的显微镜光源大多采用氙灯、汞灯进行照明，但是其寿命短而且大多只能机械调光，很难满足日新月异的光学成像技术的发展。近年来，随着LED制造工艺的不断改进，单片LED芯片的功率不断提高，100W以上的LED已经进入市场，LED以其寿命长、单色性好、稳定性强、聚光方案简单、调光迅速灵活等特点[1]，很好地替代已有的照明系统，为荧光显微成像和光遗传控制等生物实验提供便利。

1 方案设计

1.1 驱动方式

LED的驱动方式有很多种，最简单的方式是采用电阻限流恒压的方式驱动，但是LED的电流与电压成指数型关系，微小的电压变化都会引起LED很大的电流波动，并且LED的光照强度与电流相关，因而大多数LED驱动器都采用恒流方式。

大功率LED一般采用开关电源驱动，因为线性恒流源效率很低，需要很大功率的散热系统才能实现大功率输出。开关电源驱动器可以大致分为AC/DC和DC/DC方式[2-3]。AC/DC方式电路结构简单，直接通过电网电压变换后驱动LED，但是缺点在于无法实现从零电流到最大电流的灵活调光并且需要复杂的EMC设计；DC/DC虽然成本有所提高，但是能够很好调光并能减少交流噪声的干扰，生物学实验大多是低频的小信号检测，必须要充分考虑高频噪声的干扰。

1.2 调光方式

常见的调光方式有PWM调光和模拟调光两种方式。PWM调光是通过高速的开关LED实现亮度调节，这样能实现很高的电流精度，但为了避开肉眼分辨速度和仪器的响应，PWM的频率一般需要10 kHz以上，而快速的大电流变化很容易会引起高频噪声和电磁辐射；模拟调光是通过调节误差放大器阈值电压实现负载电流的控制，实现了电压对电流的调节，不存在PWM调光的噪声和辐射问题，但电流的改变会引起LED频谱的变化，对于颜色敏感的场合不宜使用模拟调光，而且有一些驱动芯片的模拟调光还存在控制电压和负载电流的非线性以及电流无法调零等问题。

光学显微镜的照射对象是生物样本，生物样本有时存在比肉眼更高的光敏感性，而且某些成像仪器也存在很高的光强分辨能力，因而PWM调光不适用于显微镜。模拟调光虽然存在频谱变化的问题，而单色LED的频谱偏移仅仅几个纳米[4]，这对生物样本来说是微不足道的，而非线性和其他问题可以通过选用合适的LED驱动器来避免。

1.3 整体方案设计

为了满足照明强度的要求，显微镜光源选用1 A/44 V的大功率LED。由于LED额定电压较大，选用boost拓扑结构，采用12 V直流输入。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure diagram

本设计选用linear公司的一款DC/DC驱动器LT3755，该器件采用电流控制方式，能实时采样负载电流实现反馈控制。通过内部信号调理实现了0～1.2 V大电压模拟调光，增强了抗干扰能力，并拥有很好的控制电压－负载电流线性度。该器件同时实现了过压保护和过流保护等功能。

2 驱动电路设计

2.1 开关频率的设置

开关频率的选择要适中。在相同负载情况下，增大开关频率可以减少储能电感的大小，即减少了电感的体积，但高频也会导致开关管的功耗和电感上的损耗，此时寄生效应会起很大作用，电磁兼容性更难处理。

LT3755可以通过外部电阻RT设置开关频率，开关频率与RT成反比关系，RT与内部电容形成RC振荡器，因而RT不能悬空，只能接电阻。

2.2 采样电阻的选择

LT3755有2个采样电阻，一个用于峰值电流的检测，一个用于负载电流的检测。峰值电流的阈值电压约为108 mV[5]，假定系统的转换效率为η，则有：

采样电阻为：

其中，Rsense为峰值采样电阻值；VIN和IIN为输入电压和电流；VLED和ILED为负载电压和电流。Rsense越小，电流纹波越大。

负载电流采样电阻主要负责检测输出电流进行反馈控制，需要满足公式[6]：

2.3 电感的计算和选择

电感是驱动电路中的储能设备，电感应满足以下条件：饱和电流必须要大于最大峰值电流，拥有很小的直流阻抗和较小的开关频率电感衰减。根据boost拓扑的工作原理[2－3]，存在以下电压电流关系：

根据上面两公式有：

其中，LBOOST为升压电感值；FOSC为开关频率；ΔI为电感纹波电路；ΔVsense为开关管开通时采样电阻上电压的变化；D为开关管开通比。当ΔVsense为20 mV时[5]，则设定电路纹波为：

2.4 输入输出电容的选择

输入电容能够在开关管开通时为电感提供电流，防止输入电压产生过大的电压“缺口”影响驱动芯片的工作稳定性，在驱动芯片的电源引脚附近需要加去耦电容，防止高频噪声对芯片的影响。输出电容主要是对输出电压进行滤波，让高频电流流过电容，直流信号流过负载。在理想电容的情况下，电容应该满足下面条件[2－3]：

实际的电容都有等效串联电阻 （ESR）和等效串联电感（ESL），这会降低滤效果，瓷片电容具有很小的ESR和ESL但电容值很小；电解电容有很大的容值但ESR和ESL较大，因此要折中选择。在容值满足的时候尽量采用瓷片电容，实际应用中将电解电容和瓷片电容并联使用会有较好的效果。

2.5 分立半导体器件的选择

MOSFET的开关速度比晶体管要快，选择开关管主要考虑开关管的耐压VDS、耐流ID、导通电阻RON以及栅极电荷Qg，VDS和ID要大于额定参数的1.5倍，RON应尽量小以减少导通功耗，Qg越小动态功耗越小并能实现更快的开关速度[2]。

肖特基二极管要选择足够的反向耐压和正向导通电流的器件，肖特基二极管拥有很短的反向恢复时间，非常适合开关电源电路，能够达到很高的开关频率。

2.6 电路参数及实现

根据上面的选择和计算，驱动的电路参数如下：

3 采样电阻上的尖峰抑制

LT3755是一款电流控制型的驱动器，而采样电阻上的尖峰是电流控制型驱动器经常会碰到的问题。峰值采样电阻上的波形反应的是MOSFET开通时电感上的电流波形，理想的波形应该如同图3（A）所示，但是我们经常看到实际的波形是有尖峰的，如图3（B）和图3（C）所示。这种波形产生的原因有：续流二极管反向恢复电流、分布电容、引线电感和接地电感[6]。

当尖峰电压大于比较器的阈值电压时，驱动会认为电感电流已经达到设定峰值，而关断开关管。解决的简单办法是做一个 RC 滤波[6－7]，将高频尖峰滤除如图 3（D），E，F 所示，但是滤波截止频率不宜过低，否则会如图3（G）所示电流峰值变成弧形，很难周期性的触发电平以关断MOSFET，造成电路工作不稳定。

图2 LED驱动电路Fig.2 LED driver circuit

图3 采样电阻波形和尖峰噪声抑制Fig.3 Waveform of sampling resistor and peak noise suppression

4 调光测试

测试驱动电路电流的控制精度。将控制电压从0上升到1.2 V，每隔50 mV测量相应的输出电流，得到控制电压与输出电流的曲线。从图4中可以看出，0～0.1 V区间没有电流输出，电源从控制电压大于0.1 V开始才逐渐输出电流，这样保证了电路的完全关断；0.1～1 V区间控制电压跟输出电流成线性关系，在这个区间内能够实现很高精度的电流控制；1－1.2 V区间，控制电压和输出电流成非线性关系，有效的线性控制方法是提高电路的最大驱动电流，让负载的额定电流处于驱动的控制线性区域。

5 结 论

大功率LED因为其寿命长、单色性、控制灵活等特点，能够很好的替代传统显微镜光源。采用LT3755驱动器通过DC－DC方式驱动大功率LED，能够很好的实现线性模拟调光和电流的高精度线性调节，通过二次电源设计和模拟调光方式能降低高频噪声和电磁辐射对系统的干扰。进过实验测试可知，在控制电压0.1～1 V范围内能够实现很好的线性调光能力。

图4 控制电压与输出电流的曲线Fig.4 Control voltage vs output current

[1]周志敏，周纪海，纪爱华.LED驱动电路设计与应用[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[2]Pressman A I.Switching power supply design[M].2版.王志强等，译.北京：电子工业出版社，2005.

[3]Mack R A.Demystifying switching power supplies[M].谢运祥，等，译.北京：人民邮电出版社，2007.

[4]董伟，原遵东，卢小丰.LED的相对光谱亮度分布及漂移特性研究[J].计量技术，2009（8）:3－5.

DONG Wei，YUAN Zun-dong，LU Xiao-feng.Research on the relative spectral distribution and drift of LED[J].Measurement Technique，2009（8）:3－5.

[5]Linear Technology.LT3755/LT3755-1/LT3855-2-40VIN，75VOUT LED Controllers [EB/OL].[2008 REV D].http://cds.linear.com/docs/Datasheet/37551fd.pdf.

[6]Vishay Siliconix.Designing High-Frequency DC-to-DC Converters With the Si9114A Switchmode Controller[EB/OL].[2001－01－16].http://www.vishay.com/docs/70575/70575.pdf

[7]黄庆义，胡荣强，王闯瑞.基于UC3842的开关电源保护电路的改进[J].电源技术应用，2005（6）:44－46.

HUANG Qing-yi，HU Rong-qiang，WANG Chuang-rui.Protective circuit improvement of switching power supply based on UC3842[J].Power Supply Technologies and Applications，2005（6）:44－46.