LED阵列光源黄疸光疗仪系统设计

舒刘琴，于莉媛,，杨 磊，赵 波，张二阳，李牧野，陈沪立，彭 路

(1.天津工业大学 电气工程与自动化学院 天津 300387; 2.天津工业大学 教育部大功率半导体照明应用系统工程研究中心,天津 300387)

引言

黄疸是新生儿常见的症状，是新生儿血液中过量的Z-Z型胆红素异构体分子引起的。光疗法由于简便且疗效好在临床上成为一种常用的方法[1,2]。在光线照射下，患儿的皮肤和组织中的Z-Z型胆红素异构体分子和Z-E型胆红素异构体分子在光照下可以转化成光红素，并通过胆汁、体液、尿液排出体外就达到了治疗目的。

由于LED光源的优越性，国内外对LED光源黄疸光疗仪进行了相关研究[3-7]。Lisenko和Kugeiko[8]通过小白鼠实验将卤素灯光源的光疗仪与LED光疗仪相比较，发现LED光疗仪使小白鼠体内胆红素降解的速度更快。Agati等[9]通过临床实验将蓝光灯和蓝绿光灯相比较，发现蓝绿光的治疗效果比单纯的蓝光好。

本文提出一种基于蓝绿光LED光源的黄疸光疗仪系统，采用BP1361芯片构成恒流驱动模块，STM32F1RCT6单片机和TFTLCD可触摸液晶显示屏组成人机交互模块，使用EMWIN设计人机交互界面，并对系统进行测试。

1 光疗仪系统设计

LED光源的黄疸光疗仪主要包括光源模块、恒流驱动模块、人机交互模块、电源模块等。

1)光源模块。根据黄疸患儿体征和理想光疗标准，我们提出设计光斑面积为S=300 mm×600 mm，受照面总辐照度E≥30 μW/cm2/nm,光均匀度≥80%。对于绿光，根据理想光疗标准设EG=2 mW/cm2，视见函数约为0.5，光通量Φ=1 024.5 lm。蓝光与绿光的比值约为1.5，所以我们定义蓝光的光通量为1 536.8 lm，应用主波长为490 nm左右的光源，光谱形式如图2所示。经过光源匹配研究，选择3 W主波长为480 nm蓝光LED和3 W主波长为520 nm的绿光LED，光通量分别为90 lm和160 lm。光源阵列由20个功率为3 W蓝光LED和8个功率为3 W绿光LED组成，如图3所示，其中4、10～12、17～19、25为主波长为绿光LED，其他的为蓝光LED，采用铝基板做灯板以达到较好的散热效果。

图1 光谱形式及光谱匹配

图2 LED阵列排布形式

图3 恒流驱动电路

图4 LED阵列电路原理图

2)恒流驱动模块。BP1361是一款降压恒流驱动芯片，BP1361外部采用极少的元器件就可以驱动多个高亮度LED。BP1361恒流驱动电路输入电压范围在5～30 V之间，输出电流的大小通过采样电阻设定，最大输出电流可达750 mA。BP1361电流精度高达±3%。BP1361通过DIM引脚接收0.5～2.5 V的模拟调光以及100 Hz～20 kHz以上的PWM调光。本光疗系统需要三路驱动电路，八个绿色LED串联为一路，20个蓝光LED分成两路，每路10个LED，驱动电压为28 V、28 V、22 V，驱动电流为0.6 A。采用BP1361设计的恒流驱动电路如图3和图4所示。电路的输入电源为30 V，同时向DIM输入单片机产生的PWM使能信号。BP1361与电感L、采样电阻RS形成一个自振荡的降压型恒流LED控制器。RS是电流采样电阻，决定了LED的电流；C是旁路电容，用来承受较大的电流，减小对输入电源的冲击。

图6 电源模块

3)人机交互模块。显示控制模块采用ARM Cortex-M3内核STM32F1RCT6单片机和TFTLCD液晶显示屏组成，STM32F1RCT6芯片可以在特定的I/O口产生PWM使能信号。由PA3、PA6、PA8三个引脚输出PWM信号，输入到三个驱动电路，与BP1361的DIM端相连，通过对PWM占空比的控制来调节光源模块的亮度。光疗仪中安装有DS18B20温度传感器、DHT11温湿度传感器、光敏电阻，实时监测箱内的温湿度和亮度信息，TFTLCD液晶显示屏直接与单片机相连进行数据的传输与显示。显示界面由SEGGER公司开发、Emwin设计，在界面中显示治疗箱内的温度、湿度、亮度信息，并在显示屏上显示曲线，右侧可通过触摸液晶屏控制光源模块亮度、治疗时间。整个EmWin界面的设计过程包括：使用GUIBuilder软件绘制界面并且输出程序、对输出的程序进行修改后加入工程、修改main函数、下载调试、添加其他文件并调试。涉及的控件包括：用来显示动态曲线Graph控件、用来显示温度湿度和亮度值的Edit控件以及选择亮度和治疗时间的BUTTON控件，如图5所示。

图5 人机交互界面

4)电源模块。电源采用100 W的开关电源，该电源能将220 V的交流电转换为36 V的直流电。根据图6，将36 V的直流电源转换为30 V的直流电并连接至恒流驱动模块的VIN引脚上。

图7 灯板点亮效果图

2 系统测试

整个光疗系统光源模块点亮效果如图7所示。对光源照度的均匀度进行测试，在距离光源50 cm进行测试，得到照度分布如表1所示，可以看出照明区域内光辐照度总体平稳，经计算其均匀度达到86%，并且平均辐照度E>30 μW·cm-2·nm-1。

对恒流驱动电路进行测试，当输入电压在8～30 V之间变化时，使用万用表测试BP1361输出端的电流，相关的数据如表2所示，输出电流大小稳定在700 mA左右，满足驱动LED阵列的要求。对恒流驱动电路的系统效率与电压之间的关系进行测试，当输入电压在11～30 V之间变化时，其效率大于80%。对应的数据在表3中。

图8是200 Hz条件下占空比在10%～100%变化时的PWM调光曲线，具体数据如表4所示，当占空比从0不断上升至100%时，输出电流也从0逐渐上升，达到最大电流708 mA。

表1 50 cm处受照面辐照度

表2 恒流驱动电路输出电压和电流

表3 恒流驱动电路的输入电压和对应的效率

图8 恒流驱动电路占空比与电流的关系

表4 恒流驱动电路占空比与电流大小

3 结论

我们设计的LED光源黄疸光疗仪由LED光源阵列、BP1361为核心的恒流驱动电路、STM32F1RCT6为核心的控制部分，以及以EmWin为界面的人机交互模块和电源五个部分。我们对LED光源黄疸光疗仪系统进行了调试，并对恒流驱动模块设计进行了测试，其输出电流稳定在700 mA，效率大于80%，满足光源模块的需求。本文通过设计更加便捷的控制界面，使得黄疸光疗仪系统更加人性化，有利于光疗仪的使用。