基于LM3404 的LED 手术无影灯亮度控制器研究＊

陈 思，孟传良

(贵州大学 计算机科学与技术学院，贵州 贵阳 550025)

LED 耗能低、发光效率高、寿命长、响应速度快、体积小、无污染，正在引起一场照明革命，将成为替代传统光源的新型光源。

传统的手术无影灯采用卤素灯泡作光源，寿命短、发热量大、能耗高，带来了手术过程的风险高、医护人员发热出汗影响手术操作，患者伤口温度升高影响愈合等等问题。运用LED 技术开发的大功率LED 手术无影灯，具有安全稳定、节能环保、色温和光强无级可调等优点，实现了通过调节色温满足手术状态下人体不同组织在不同色温条件下的显色特性要求，有效地解决了手术照明系统体积庞大且能耗高的问题，有利于提高手术室的空气净化质量，更适合层流手术室净化气流的要求，降低手术室净化维护成本，最大限度地满足临床手术照明的客观要求，是现代手术室的一大革新［1］。

1 适合LED 手术无影灯的亮度调节方法分析

手术无影灯不但要求光质好，无频闪，而且还要求亮度能够连续调节，以适应不同科室的手术照明需要，以及不同主刀医生的偏好，达到最理想的照度，在长时间注视下眼睛不易疲劳。根据YY0627 医疗行业手术无影灯标准，中心照度范围规范为40 klex～160 klex。为此，首先研究手术无影灯的亮度调节方式。

1.1 LED 的伏安特性及调光的基本原理

大功率LED 属于低电压，大电流器件，高亮度LED 正向导通时结压降一般在3.0～4.3 V 之间，其伏安特性关系为:

式中，IF:LED 正向电流;IS:饱和导通电流;VF:PN 结正向电压。

图1 是philips lumileds 公司的1W 大功率LED产品典型的伏安特性。由图1 中的伏安特性曲线可知，当LED 驱动电压为3.44 伏时，对应的LED正向工作电流约为为350 mA;当驱动电压变为3.5 V 时，工作电流变为500 mA;如果驱动电压再增加的话，流过LED 电流会急剧增加，因为曲线的斜率在增加，电压微小的增加会引起LED 电流很大的增加，相应地LED 亮度也成正比增加。

图1 philips lumileds 公司的1W 大功率LED 产品典型伏安特性

1.2 几种调光方式比较

1.2.1 模拟恒压调光方式

图2(a)是模拟恒压调光方式原理图。根据图1 的曲线可知，采用模拟恒压调光方式对电源的要求很苛刻，一个是要求输出的电压稳定度要很高，第二是定量调节模拟电源的输出参数要准确，这样的电压源成本太高。否则就会引起流过LED 的电流急剧变化，相应地引起LED 发光不稳定，甚至引起LED 损坏。在简易LED 恒压驱动中可以串联一个电阻R 限流，如图2(b)所示。但电阻R 白白消耗能量，还引起发热，采用这种模拟恒压方法调节LED 发光强度不可取。

图2 模拟恒压调光方式原理图

1.2.2 模拟恒流调光方式

事实上，工程上大量采用模拟恒流方式驱动LED 照明，例如LED 路灯等。图3 是模拟恒流调光方式原理图。调节可调电流源输出的电流就可以调节LED 的亮度。模拟恒流调光方式存在的问题是定量地大范围改变恒流源的输出电流有难度，带来的设备成本很高，因此，这种方法用于大范围调节LED 照明亮度不可取，但对于不调节亮度的LED 路灯或者照明灯是最适合的方法。

图3 模拟恒压调光方式原理图

1.2.3 PWM 调光方式

PWM 调光方式又称为数字调光方式，它的原理图如图4 所示。通过PWM 波的高电平开启LED(亮)，PWM 波的低电平关闭LED(灭)，在LED 开启期间流过LED 的电流是额定的恒定电流Imax。PWM 波的1 个高电平和1 个低电平的持续时间之和就是一个PWM 周期，如果PWM 波的频率在24 Hz 以上，人眼就看不到LED 的闪烁，视觉感觉到的就是LED 光线的平均亮度。因此，可以通过改变PWM 波的高、低电平的持续时间比例来调节LED 的亮度。PWM 波的高电平持续时间又称为PWM 波的脉宽，脉宽越宽人眼感觉LED 越亮;反之越暗。

图4 PWM 调光方式原理图

图5 示意了具有同等亮度感觉的模拟恒流调光与PWM 调光的驱动电流波形。改变PWM 的脉宽就可以改变流过LED 的平均电流。设LED 开启时的最大电流为Imax。PWM 波的周期为T，PWM 波的脉宽为tw，则当占空比为D=tw ∕T时，流过LED 的平均电流Id为:

由(2)式可知，当T 不变时，只要改变PWM 脉冲宽度tw，就可以改变流过LED 的平均电流，从而调节LED 的亮度。工程上改变PWM 的脉宽很容易，如果是8 位的定时器，可以获得256 个档次的亮度，足够用于LED 手术无影灯的亮度调节需要了。

图5 具有同等亮度感觉的模拟恒流调光与PWM 调光的驱动电流波形示意图

另一方面，PWM 调光是在tw 期间使LED 发出额定的高亮度光线，这时LED 的色温不会改变，因为LED 的物理特性就是在小电流驱动的低亮度发光时色温会改变，这是模拟调光方式的缺陷。手术无影灯对色温要求很高，因此不适用模拟调光。

2 LED 手术无影灯的LED 配置

图6 贵阳市科技局立项支持的LED 手术无影灯简图

3 用LM3404 构成PWM LED 恒流驱动器

LM3404 芯片是美国National Semiconductor 公司专门为驱动大功率高亮度LED 研制的降压型调节器，它以受控电流源为核心，能够输出的最大恒定电流达到1 A，足够驱动3 W 以内的LED 灯珠以串联的形式照明工作。LM3404 输入的驱动电压范围从6 V 到42 V，LM3404HV 的输入驱动电压则高达75 V。

3.1 LM3404 构成的PWM LED 恒流驱动器电路设计

LM3404 构成的PWM LED 恒流驱动器电路设计图如图7 所示。LM3404 芯片的使能控制信号通过NPN 三极管Q1 作电平转换，控制LM3404 的RON 使能。由于Q1 具有反相作用，因此，单片机输出“0”(低电平)LM3404 使能，输出“1”(高电平)LM3404 禁止。单片机输出的PWM 信号加载到DIM 引脚，单片机输出的PWM 信号为“1”(高电平)时LM3404 输出额定驱动电流，输出PWM 信号为“0”(低电平)时LM3404 输出电流为0.电阻R3 是LM3404 输出电流的采样电阻，决定输出到LED 串的额定电流。

3.2 LM3404 构成的PWM LED 恒流驱动器电路参数计算

(1)开关频率选取和导通电阻R1 的计算

驱动电路的开关频率fsw 选取为185 kHz，根据检验，在这个频率下电路的转换效率较高，并且电感值和电容值也不大，电路板的体积不大。

R1的计算公式:

其中，n 是被驱动的LED 灯珠串的个数;Vf是LED 灯珠在1 W 下的正向结压降;200 mV 是芯片设计的输出电流在采样电阻R3上的压降。

对于LED 灯珠串的个数是6 个，所用的LED灯珠在1W 下的正向结压降为3.3 V，可以计算出Vo=20 V。代入(3)式，得到，R1=806 KΩ。

(2)输出电流滤波电感L1、C5 的选取

输出电流滤波电感L1、C5 的选取原则是使输出电流纹波减小，兼顾电路板的体积。根据经验，选取电感L1=100 uH，C5=1 uF。

(3)计算输出电流采样电阻R3

根据芯片厂商给出的计算公式:

已知IF=330 mA，所以，R3=0.6 Ω。

(4)输入滤波电容C1、C2 选取

输入滤波电容的作用是滤出LED 供电电源的干扰，减小多个LED PWM 调光亮度控制器之间的干扰。根据经验和兼顾电路板的体积，总输入滤波电容选取为2 uF，用两个电容并联的目的是在PCB上安排方便，并且高频特性也比采用一个两倍容量的电容好。

(5)使能限流电阻R2 的估算

根据使能引脚RON 的禁用电平为0～0.8 V的要求，在单片机输出“1”时，三极管Q1 必须饱和导通。由于Q1 的集电极电阻特别大，因此，R2 选取几KΩ～几十KΩ 都可以正常工作。因此选取R2为10 kΩ。

具有完整参数的LM3404 PWM LED 恒流驱动器设计如图7 所示。该亮度控制器已经在项目研制的LED 手术无影灯上应用。

4 结束语

图7 LM3404 PWM LED 恒流驱动器电路设计

LED 具有较高的发光效率 耐冲击不易破碎无汞污染 且其发出的光不含红外和紫外成分的辐射污染［2］。是手术无影灯的最好光源。项目选取PWM 数字调光方式获得了接近无级的亮度调节，并且没有色温偏离，是最佳的选择。手术无影灯的可靠性和安全性相对别的LED 照明设备高得多，因此对亮度控制器的要求也特别高，选取美国National Semiconductor 公司的LM3404 产品得到可靠性保证。电路设计了Q1 反相器使能方式，在单片机不工作时正好使LM3404 芯片使能，LED 不需要PWM 信号也仍然点亮，可以在单片机出故障的情况下不灭灯。

［1］刘力，闵苏.智能无障碍led 手术无影灯［J］.中国医疗设备，2010(7):75.

［2］盛卫锋，姜薇艳.新型led 手术无影灯［J］.微型机与应用，2010(19):19－21.

［3］居大鹏.LED 驱动器的调光技术［J］.电子产品世界，2010(11):34－36.

［4］程长安，王晋，尚向荣.白光LED 的PWM 驱动方式分析［J］.电子设计工程，2010(2):109－111.