黄疸光疗仪LED光源光学参数的动态可调研究

陈中行，郭震宁，林介本，薛冬冬，李建鹏，张佳宁，黄学龄

(1.华侨大学信息科学与工程学院，福建 厦门 360021；2.福建省光传输与变换重点实验室，福建 厦门 360021；3.泉州市世芯智能照明技术研究院有限公司，福建 泉州 362302)

引言

随着LED照明技术的不断成熟，在医疗领域的应用也越来越广泛，对LED的发光效果及稳定性等都有进一步的要求，故将调光功能应用在LED驱动器上是必然趋势[1]。目前，常用的新生儿黄疸光疗仪有荧光灯、卤素灯、蓝光光纤毯及高强度LED灯，我们所采用的黄疸光疗仪LED光源是根据LED的波段窄、易控制等特性，将体内胆红素的吸收光谱作为目标光谱，匹配出黄疸光疗仪LED光源的单色LED数量配比[2，3]。研究表明，当光照度超过饱和点时，光疗效果不再增加，目前光照强度的饱和点尚不明确[4]，由于光通量在一定范围内会随着电流的增大而增大[5]，因此可通过调节电流的方式调节LED光源光照度，以测验黄疸光疗仪LED光源光疗效果的饱和点。同时，在测验黄疸光疗仪降解胆红素的效果时，用四种不同峰值波长的单色LED模拟产生的实际光谱功率分布和目标光谱必然有所差别，而光谱会随着电流的变化而变化，比如，电流增大时，峰值波长在460 nm的蓝光LED光谱会先后发生蓝移和红移现象[6]，所以需要通过独立调节四种不同峰值波长的单色LED电流，使LED光源实际产生的光谱功率分布与目标光谱尽可能一致。针对以上情况本文主要设计了一种能够实现四通道控制的黄疸灯驱动电路，对四种不同峰值波长的单色LED灯进行独立脉宽调制调光。目前，PWM调光是主流调光方式，通过调节占空比来改变输出电流，并且输出电流状态只有最大额定工作电流和零电流两种状态，可以保证LED色温稳定。此外，PWM调光相对于可控硅调光与模拟调光更具有：在高频调光下不会出现频闪、调光范围宽广、提高LED驱动器效率等优势。

本研究设计一种可进行四路通道独立PWM调光的LED恒流驱动电路，对该驱动电路进行仿真验证，并且详细分析各个组成部分，最后做出电路板对该黄疸光疗仪LED光源进行PWM调光，在距离光源中心55 cm处测量光照度和光谱变化，验证该驱动电路的调光效果。

1 调光电路设计

1)MAX16823的主要特性。MAX16823芯片的外围引脚排列如图1所示。MAX16823是3通道、高亮度LED驱动器，其工作电压在5.5～40 V的电压范围，每个通道可为一串或多串LED提供5至70 mA范围内的可调恒定输出电流。该器件具有3个亮度调节输入，可在0 Hz～3 MHz频率范围内对每个通道独立进行PWM调光[7]。

图1 MAX16823外围引脚图Fig.1 MAX16823 Peripheral Pin Diagram

2)方波信号发生器。本次研究中LED光源的光强是由四个脉宽调制信号(PWM)控制的，PWM信号可用单片机产生，如STM32单片机、51单片机等，信号稳定可靠但是需要编写程序，在费用上也比较昂贵，采用NE555器件，在外围连接少量元件就可以PWM信号，通过改变电容和电阻参数就可以改变PWM信号的周期和占空比，并且占空比的可调范围可达0～99%宽范围，应用极其方便。本次研究采用四个NE555芯片输出四路独立的PWM信号，调整电容和电阻参数，使其输出高达1.4 kHz的PWM信号，从而避免LED的频闪现象，电路图如图2所示。

3)LED主要性能。本次研究的黄疸光疗仪LED光源采用的是贴片型2835 LED灯珠芯片，功率约为0.1 W，其综合性能好，在亮度、散热方面都有很强的优势，在市场上的竞争力不断加强，具体的采用的数量及光电参数如表1所示。

图2 方波信号发生器Fig.2 Square wave signal generator

发光颜色峰值波长/nm数量/个正向电流/mA正向电压/V反向电压/V光通量/lm湖蓝色4501220～303.0～3.251～1.5蓝色4651820～303.0～3.253.5～4.5蓝色4758820～303.0～6.251.5～2.5蓝绿色4955020～303.0～3.253.5～4.5

2 脉宽调制LED驱动电路仿真分析

1)搭建电路拓扑图。由于在Multisim10的元件库中没有MAX16823仿真模型，因此完成8个步骤在元件库中建立MAX16823新元件[8，9]，由于四种不同峰值波长的单色LED数量分别是12,18,50,88，并且根据MAX16823芯片工作电压不超过40 V、单通道最大输出电流为70 mA以及所采用的LED电参数等特性，故将LED的连接方式作如下处理：数量为12颗的作6串2并后接一个输出通道、数量为18颗的作6串3并后接一个输出通道、数量为88颗的作8串11并后接4个输出通道、数量为50颗的作7串6并外加单串8颗接3个输出通道。在此连接方式的情况下，在输入电压为25V的情况下采用3只MAX16823芯片即可驱动所有单色LED，并且可实现四种不同峰值波长的单色LED进行独立调光，具体电路图如3所示(在实际仿真中，由于器件数量较大，Multisim10无法仿真，因此将四种不同峰值波长的LED分开仿真，验证结果方案可行)。

图3 仿真电路总图Fig.3 Simulation circuit diagram

2) PWM调光电路仿真分析。按照图3搭建好电路图[7,10,11]NE555与R1，R2，R3，D1，D2，C1，C2构成占空比可调脉冲震荡电路，当电流经R1、R3上半部分、D1，流向C1时，给电容C1充电，记充电时间为T1，此时第3脚输出为高电平，直至VC1大于2/3VCC时，电容C1开始放电，电流经D2、R2、R3下半部分流向第7脚，记放电时间为T2，此时第3脚输出为低电平，直至VC1低于1/3VCC时，电容C1开始充电，第3脚输出又为高电平，以此反复循环输出高低电平。由此可知：

充电时间T1=0.7(R1+R3上)C1

(1)

放电时间T2=0.7(R2+R3下)C1

(2)

方波周期T=T1+T2=0.7(R1+R2+R3)C1=

7.14×10-4s

(3)

方波频率f=1/T=1400 Hz

(4)

(5)

即我们调节R3变阻器就可以改变方波占空比。

3 实验结果

图4 四种不同峰值波长的单色LED分布图Fig.4 Four different peak wavelength monochromatic LED distribution

图5 LED灯板实物图Fig.5 Actual picture of LED light board

2)调光电路测试。按照Multisim10的仿真电路制作出驱动电路板，如图8所示，调节四个电位器，即可改变占空比。选取四种不同峰值波长的单色LED各一串，通过将万用表串入MAX16823芯片输出端，调节滑动变阻器，改变PWM信号占空比，同时采用UTD2062CE示波器监控PWM波形变化，测试流过单色LED灯串的实际电流，如表2所示。仅在一种峰值波长的单色LED发光情况下，利用SPIC200-B彩色照度计测试在距离光源中心55 cm处测量不同占空比下的光照度变化，如表3，以验证调光电路的实际调光效果。在四种峰值波长的单色LED同时发光的情况下，利用SPIC200-B彩色照度计在距离光源中心55 cm处测量不同占空比下的光谱变化，具体占空比如表4所示，对应表4中光谱图序号描绘成曲线图，如图6所示。

表2 不同占空比下LED的实际电流

表3 不同占空比下LED的光照度

表4 调节占空比测量LED的光谱

图6 不同占空比下的LED光谱图Fig.6 LED spectra at different duty cycles

由表2、表3中数据可知，随着四路PWM信号占空比的增大，流经四种不通峰值波长单色LED的电流随之增大，光照度也随之增大，从而实现对四路不同峰值波长的单色LED独立调光。根据表4和图6可知，在四种峰值波长的单色LED同时发光的情况下，分别调节四通道单色LED的占空比， LED光源呈现的光谱有明显的变化，波峰个数以及半高宽皆会随着四路PWM占空比的变化而发生变化，从而实现对黄疸光疗仪LED光源调节光谱，并且更接近于目标光谱。具体的黄疸光疗仪LED光源光谱与体内胆红素吸收光谱对比图如图7所示，经调光实验知，当峰值波长为450、465、475、495 nm的灯珠串占空比都为80%或者分别为20%、80%、20%、20%时，黄疸光疗仪LED光源光谱更接近与体内胆红素吸收光谱，从而进一步增强降解胆红素的效果。实物图如图8所示，实际效果图如图9所示。

图7 黄疸光疗仪LED光源光谱与体内胆红素吸收光谱对比图Fig.7 Comparison of LED light source spectrum and in vivo bilirubin absorption spectrum of Huanghua light therapy instrument

图8 电路实物图Fig.8 Actual circuit diagram

图9 调光效果图Fig.9 Dimming effect picture

4 结论

我们设计了一种能够实现四路通道独立控制的调光电路，实现了对黄疸治疗仪LED光源光学参数的动态调节功能。电路采用了MAX16823芯片具有外围元件少、电路简单、三个独立的DIM输入等优点，并且采用NE555芯片作为四路PWM信号，实现0～99%范围的调光。实验结果证明：在距离光源中心55 cm处测量四种不同峰值波长的单色LED光照度调节范围分别为：0～35 lx、0～61 lx、0～215 lx、0～337 lx，并且在四种峰值波长的单色LED同时发光的情况下，峰值波长变化范围在20 nm左右，半高宽变化范围在50 nm左右，使对黄疸光疗仪LED光源光谱接近于目标光谱。在此调光电路下，黄疸光疗仪LED光源调光效果良好，基本满足光照度可调、光谱可调的目的。