LED手术无影灯的关键电路设计

2014-10-21郭要强刘路

电子世界 2014年23期

郭要强刘路

【摘要】介绍了一种基于STC12C5A60S2型单片机为核心的控制模块和以HV9910B为核心的驱动电路组成的新型LED手术无影灯控制系统，分析了LED驱动电路的组成和MCU的控制方法。本文设计中的LED无影灯相比于传统无影灯来说功耗更低、显色性能更好、安全度更高、舒适度更好，更加符合医院手术室的功能特点。

【关键词】手术无影灯;控制模块;LED驱动电路;MCU

Abstract：This paper introduced a new LED astral lamp system based on the STC12C5A60S2 microcontroller as the control module and the HV9910B as the core of the drive circuit.It mainly analyzes the structure of the LED drive circuit and the control method of MCU.This LED astral lamp has lower power consumption，higher coloration，safer performance and better comfort，so it is in line with the functional characteristics of the hospital operating room by compare with the traditional astral lamps.

Key words：astral lamp;control module;LED drive circuit;MCU

手术灯以及医院用的照明设备主要是要与医院的功能特点相结合，提高医院手术治疗工作效率，同时还要能够对病人的病情给以正确的诊断、治疗创造条件，而LED手术无影灯正好是专为医院手术室在手术治疗过程中设计使用的。

一、研究背景

目前医院手术和检查照明等医疗专用的照明灯基本上都使用的是卤素灯或环形节能灯作为光源，它主要是通过多面反射镜将光线反射到手术部位，尽管其技术指标基本上能够满足医院临床手术的要求，但是仍然存在一些缺陷，如工作状态下的温度过高，色温不可调，不能满足临床手术中对不同组织的显色特性的客观要求，该光源的手术灯整体系统功耗较大，卤素灯光源使用寿命短，发出的光谱中含有紫外到红外的光线，长时间使用这种手术灯会使病人产生灼热与不适，甚至对病人的皮肤和手术部位会造成伤害。

现代LED手术无影灯都是采用环保型、节能、大功率灯珠作为光源，其在功能和性能上相比于传统卤素灯光源的手术灯来说有很大的优势，从基本性能上来说LED手术无影灯具有以下优势[2]：

（1）节能与环保：传统卤素手术灯的功耗一般是400W左右，发热很高，LED手术无影灯功耗为180W左右，产生的热量几乎为零。LED手术无影灯对环境不会造成污染，同时更省电节能，同等亮度条件下普通白炽灯的耗电量是LED手术无影灯的10倍，卤素灯的是LED手术无影灯的20倍。

（2）安全性高：本次设计中的LED手术无影灯电源是采用低压直流供电及其电源组件，具有很好的过压、短路保护功能，彻底消除光源、电源烧毁等安全隐患，最大程度的保证医生和病人的人身安全。

（3）高效、舒适：LED手术无影灯色温为4300K的手术灯光，显色指数达到94，更有利于医生快速地有效地分辨手术伤口部位的各种组织、器官;同时冷光源灯珠为直流供电，无频闪，能够有效缓解医生的视觉疲劳。

（4）技术性能高：LED无影灯具有超长的使用寿命，光源的寿命高于60000小时，是传统手术灯的30-50倍。亮度高，中心照度大于140000LUX，采用MCU专用亮度控制系统，用数字式LEVEL对输出亮度进行30%～100%的无级调节，使得无影灯在调低亮度的同时还能保持其准确的色温，帮助医生准确识别各组织脏器。光源采用精密光学系统设计和多层透镜原理发光，每个光源芯片实现一次聚光，固定聚焦深度高于800mm，光斑均匀，d50和50%d10几乎重合，光斑均匀度>90%，无影效果好，清晰度高。

（5）稳定性高：LED芯片采用美国原装进口，超长寿命得以良好保障，而且抗震，防摔，耐冲击，耐腐蚀。手术灯反应迅速，采用软开关技术，即开即亮，没有启动时间。

（6）操作方便：配置轻巧平衡臂悬挂系统的LED手术无影灯，采用国际通用的六维万向关节联动，移动轻巧，定位准确，360°的全方位设计，没有照射死角，可满足手术中的任何高度和角度。

二、系统结构

（一）总体结构

该LED手术无影灯是由LED灯头、MCU控制系统、平衡臂悬挂系统和电源驱动组件组成。其中灯头为4个，3个成花瓣状，中心成圆形状，固定在平衡臂悬挂系统上，能做垂直或循环移动，可满足手术中不同高度和角度的需求。灯头采用大功率灯珠作为光源，应用固态冷光源LED照明技术，寿命长，温升低，无频闪;采用PWM连续可调亮度技术，实现LED手术无影灯亮度连续调节[3]。

（二）电路设计思路

电路输入级由全波整流桥和一个滤波电容组成，完成对交流电的整流滤波。控制级由HV9910B芯片搭建，经输入级滤波后的电压输入到芯片的Vin，作为电路的输入电压VI，其峰值是310V，均值為190V。VDD、LD、PWMD端通过电容器接GND端，以维持相应引脚的片内电压。

由GATE端输出频率一定的方波脉冲信号作为开关信号控制开关管，其频率由RT端所接的电阻设定，脉冲宽度由CS端采样电阻RCS反馈的LED电流信号控制。电感L1在电路中起着至关重要的作用，为驱动电路提供滤波和储能以及续流供电，以保持负载中电流的均衡性，恢复二极管完成构建续流通路的作用。在开关信号开通半周内，由前级滤波后的电势向LED负载直接供电，并给L1充电;在开关信号关断半周内，由充满能量的L1给快恢复二极管、LED组成的回路供能，实现在一个周期内完成对LED的持续驱动。总体设计思路框图如图2.1所示。

图2.1 总体设计思路框图

三、关键电路设计

（一）LED驱动电路的设计

导通后的LED的I-V特性曲線不是线性的[4]，所以LED正向电压不能过高，不然电流非常大，发热量剧增，会损坏二极管。当LED工作电流值不同时，其发光强度也不同，因此LED的驱动电路一般选择恒流驱动模式，相应的LED阵列亦采用串联方式连接，驱动电流一般设为LED额定电流的70%-85%以保护LED。同时采用PWM脉宽调节控制，PWM开关电路由4部分组成，即输入整流滤波、PWM控制、开关器件和输出滤波。根据PWM方式开关电路设计的LED驱动电路框图如图3.1所示。

图3.1 LED驱动电路框图

HV9910B是PWM高效率LED驱动IC，它允许电压从直流电压为8V-450V而对HBLED有效控制。LED串是受到恒定电流的控制而不是电压，如此可提供持续稳定的光输出和提高可靠度。对一个LED串的输出电流能被编程设定在0和它的最大值之间的任何值，它由输入到HV9910B的线性调光器的外部控制电压所控制。

图3.2 LED恒流驱动电路

由芯片HV9910B控制的LED恒流驱动电路如图3.2所示，HV9910B作为开环电流LED驱动IC，可通过编程实现恒定电源模式或关断时间模式，其非常适合于降压LED驱动器，由于HV9910B在开环电流模式，在不需要任何补偿的情况下能达到很好的输出电流。PWM调光响应仅受限于电感电流的起伏频率，能够承受很短的升降时间。

图3.3 单片机MCU控制以及外部存储模块电路

（二）控制板电路设计

控制板是整个无影灯控制器的核心，主要由一个STC12C5A60S2和X25045监控芯片组成。

STC12C5A60S2系列单片机是一种单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍，内部集成MAX810专用复位电路。4路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。

X25045是一种三合一功能监控芯片，具有EEPROM，电压跌落检测、看门狗复位等功能，用SPI总线与单片机处理器通信，是最有存储检测的单片机系统的最佳选择。单片机MCU控制以及外部存储模块电路如图3.3所示。

采用新型的LED冷光源，智能化LED手术无影灯具有发光效率高、发热量低、热辐射低、能耗低、寿命长、可靠性高以及易于设计各项安全保护措施等显著优点。采用LED恒流驱动技术，再加上智能化控制接口，给医生的手术工作带来了较大便利，具有较好的应用前景。

参考文献

[1]朱根娣，刘敏娟.新型手术无影灯的光照度特性的研究[J].中国医疗器械杂志，2009（3）：183-187.

[2]鲁广洲.LED手术无影灯-节能照明潮产品[J].中国医院建筑与装备，2012.

[3]王声学，吴广宁等.LED原理及其照明应用[J].灯与照明，2006：32-35.

[4]邱云峰，尹杰等.大功率LED高频驱动电路的设计[J].灯与照明，2010.

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