调光方式对医用红光LED 温升的影响

贾志超，赵 丽，何 林

（天津职业技术师范大学天津市信息传感与智能控制重点实验室，天津 300222）

LED 因其优良的特性在医疗领域展现出很好的应用价值，在心血管系统疾病光疗研究中，红光LED具有较好的效果[1]，可穿戴式光疗设备是目前的研究重点之一。如何降低LED 温升是光疗设备研制中重点考虑的问题之一，LED 温度过高将影响使用寿命，造成光衰，对人体皮肤也会造成损伤[2-3]。PWM 和模拟调光作为两种典型调光方式，目前，对这两种调光方式在LED 色温和驱动电源设计影响方面研究较多，但缺乏对不同调光方式下LED 温升影响差异的研究，PWM 调光时，输入电流大于平均等效电流，仅靠改变信号占空比进行调光，可能会造成多余电流加剧温升的结果[4]。针对以上问题，进行实验对比，研究两种调光模式下LED 温升率的差异，通过同时改变输入电流和PWM 信号占空比，即混合调光的方式，找到输入电流和PWM 占空比最小的温升组合。

1 LED调光与温升

在LED 光疗研究中，往往需要进行不同光照度的照射实验，从而研究得到最佳治疗效果的光照参数。目前，LED 调光方式主要分为模拟调光和PWM调光两种。

1.1 模拟调光

模拟调光通过改变流过LED 的电流值对发光亮度进行调节，该调光方式可实现电流值的连续变化，使得LED 发光亮度连续变化，故也称为线性调光。模拟调光电路较为简单，可通过调节串联电阻值或改变模拟输入电压值的方式实现。但模拟调光改变电流值，会使LED 发生色偏[5-6]。

1.2 PWM调光

PWM 调光通过脉冲宽度调制信号控制流过LED 电流的通断，调节PWM 信号占空比，就可得到相应的等效平均电流。该模式下流过LED 的电流在峰值和零之间变化，PWM 调光模式可实现的调光比较高，LED 不存在色偏，驱动器的转换效率高，但该调光模式需要配备PWM 发生装置，增加驱动成本，信号频率在200 Hz～20 kHz 时会引起噪声[7]。

1.3 LED温升分析

在理想状态下，等效输入电流一定时，PWM 调光和模拟调光在LED 发光与温升方面是一致的。但LED 属于PN 结光电器件，根据其发光原理，LED 接通正向电流时，电子和空穴复合不能完全产生光子，这部分泄露电流将产生热量，另外，光子也无法完全射出芯片外部而累积产生大量热量[8-10]，因此，LED温升与输入电流是密切相关的。

进入LED 的电能一部分用于发光，另一部分则转化为热能[11]，设LED 电功率为P，光功率为P0，转化为热能的功率为Pt，则三者关系可描述为:

光功率效率ζ可描述为:

同样等效电流时，PWM 调光模式下流过LED 的电流要大于模拟调光模式，电流增大时，LED 发光效率会下降，温升也会升高，相同电功率输入时，PWM调光的电光转换效率低于模拟调光模式，但PWM 调光时LED 通电时间小于模拟调光，故理论上难以推断两种调光模式下LED 温升大小及快慢[12-14]。

2 实验设备及测试方法

2.1 调光电路设计

基于BUCK 降压结构，采用MT7201 降压恒流驱动芯片，搭建PWM 调光电路，如图1 所示。通过给引脚ADJ 输入脉 冲信号对LED 进行PWM 调光，R为采样电阻，改变采样电阻阻值可改变流过LED 的电流：

在电源输入端接入电容，与电阻串联，可减少电源输入对驱动芯片输入端的冲击[15-16]。BUCK 结构中电感值的选择要考虑功率开关的导通、关断时间等，可参考式（4）、式（5）：

式中，TON和TOFF分别为功率开关打开和关断时间，均大于200 ns，VD为二极管压降，VLED为LED 压降，Iavg为LED 平均电流，RS为采样电阻，RL为电感阻抗，RLX为功率开关导通电阻，ΔI为电感峰值电流，VIN为输入电压，L为电感值。输出的最大电流应小于电感饱和电流[17]，该电路电感值为47 μH，满足实验要求。MT7201 芯片输入电压要求在6～50 V，该实验均在输入12 V 条件下进行。

图1 LED PWM调光电路图

2.2 实验设备

使用SIGLENTSPD3303S 可编程直流电源对系统电路进行供电，该电源具有恒压和恒流输出两个功能，因此，直接接LED 时可以通过改变恒流输出值进行模拟调光。PWM 信号由UTG8162D 波形发生器产生，该设备可手动设定信号输出的频率、幅值、占空比等参数。

实验采用心血管系统疾病光疗研究中使用的波长620～625 nm、功率为3 W 的红光LED，额定电流700 mA。通过VICTOR 温度表DM6801A 检测LED散热片的温度，RD-2000F 宽波段分光谱辐射计检测LED 发光的辐照度。实验在室温29±1 ℃，无明显风的条件下进行。

2.3 驱动电流选择

输入电流的增大，会加剧LED 温升，进而降低LED 光效，造成光照的衰减。因此，LED 驱动电流要有合理的选择，在满足光照度的前提下，要尽可能选择小电流来降低温升。通过对10 个LED 在不同电流驱动下的辐照度进行测试，为医用红光LED 的电流选择做出参考。测试结果如图2 所示，驱动电流在100～400 mA 递增时，LED 光辐照度逐渐增大，但增大的比例逐渐降低，当电流增至500 mA 以上时，光的辐照度不仅没有增大反而降低，尤其在600 mA和700 mA 时辐照度发生大幅度下降，这是由于随着电流增大，LED 温升加剧，LED 光效降低，光衰增大。因此，后续实验将在不超过500 mA 的等效电流下进行测试。

图2 辐照度与电流的关系

3 结果与分析

3.1 不同调光频率的温升测试

PWM 调光时，通过LED 闪烁频率的改变来调节亮度，为了使人眼观察不到闪烁，PWM 信号频率应大于100 Hz，一般采用200～1 000 Hz，通过实验验证不同频率对LED 温升是否有影响，结果如图3 所示。相同平均等效电流下，不同频率调光的LED 温升无明显差异，因此，在选择PWM 调光频率时不考虑其对温升的影响，实验中PWM 频率均选择200 Hz。

3.2 不同调光方式的温升对比

图3 调光频率与LED温升的关系

在PWM 调光模式下，对LED 输入600 mA 恒电流，设定PWM 信号频率为200 Hz，调节信号占空比为83.3%、66.7%、50%、33.3%、16.7%，使平均电流分别为500 mA、400 mA、300 mA、200 mA、100 mA。在模拟调光模式下，分别改变LED 输入电流为500 mA、400 mA、300 mA、200 mA、100 mA。检测不同平均电流下LED 的温升变化，每隔1 min 记录一次温度，检测10 min，结果如图4 所示。

由图4 可见，在500 mA 到100 mA 5 个不同平均电流下，PWM 模式时温度依次上升大约34.6 ℃、28.3 ℃、20.7 ℃、14.6 ℃、7 ℃，模拟调光时温度依次上升大约39.3 ℃、29.6 ℃、21 ℃、12.4 ℃、5.8 ℃，两种调光方式的温升差异基本在5 ℃以内，且500 mA 时温升差异最大。从图2 明显可以看出，占空比大于50%时，模拟调光下LED 温升高于PWM 调光，占空比小于50%时，结果相反。

温升速率为温升与达到该温升值的时间比值，单位℃/min，LED 驱动系统往往有过温保护功能，当LED 温度过高时，为了保护受照射体表和LED 器件，需要关断或调小电流来抑制温升带来的不良后果，LED 温升率较低时，可以延长其使用时间而不至于过早对其启用过温保护。由图4 可以看出，LED 温度在通电5 min 后基本趋于稳定，因此，计算前5 min 的平均温升速率可近似代表LED 温升速率。通过计算，在500 mA 到100 mA 5 个不同平均电流下，PWM 调光模式与模拟调光模式下LED 温升速率如图5 所示。可以看出，平均电流为400 mA和500 mA，即占空比小于50%时，PWM 调光的温升速率高于模拟调光；平均电流为100 mA 和200 mA，即占空比大于50%时，结果相反；平均电流为300 mA，即占空比等于50%时，两种调光模式下LED 温升速率差异微小。且平均电流为500 mA 时，两种调光的温升速率差异最大。

3.3 混合调光结果

图4 两种调光方式下LED温升对比

混合调光方式，即通过同时改变LED 输入电流和PWM 信号占空比的方式进行调光。LED 输入平均电流从100～500 mA，步进为100 mA。由于电流较低时LED 温升很小不易进行实验比较，故平均电流最低选择为100 mA，LED 输入电流最小为200 mA，最大设置为600 mA，步进为100 mA。不同平均电流下，LED 输入电流与PWM 信号占空比组合如表1 所示。

图5 两种调光方式下LED温升速率对比

表1 LED输入电流与PWM信号占空比组合

检测不同占空比与输入电流组合下LED 温升情况，结果如图6 所示。

由图5 可见，LED 平均电流一定时，PWM 调光的信号占空比与LED 温升并不成线性关系，对比可得5 种平均电流下，PWM 占空比与输入电流最小温升组合如表2 所示。

4 结论

该实验通过对比PWM 调光和模拟调光下LED温升，研究两者对LED温升的影响差异，针对混合调光方式，研究对比不同LED平均电流时，多种PWM 占空比和LED输入电流组合下的LED温升情况。实验表明：

1）600 mA 电流输入，PWM 占空比小于50%时，LED 温升和温升速率要高于同等等效电流的模拟调光，PWM 占空比大于50%时，结果相反；

2）LED 光的辐照度在一定范围内随电流的增大而增大，但电流过高造成的温升过大会致使辐照度急剧衰减，出现电流增大辐照度降低的现象；

3）同一LED 平均输入电流下，PWM 调光占空比与LED 温升并不成线性关系，即并非占空比越大，温升越小；

4）PWM 调光信号频率对LED 温升无显著影响；

图6 不同PWM占空比与输入电流组合下LED温升情况

5）在该实验条件下，5 种平均电流的PWM 占空比与输入电流最小LED 温升组合可参考2。

LED 用于治疗心血管系统疾病时，对光源波长有一定的要求，模拟调光时往往会在调光电阻上消耗较多电能，不仅加剧驱动系统发热，增加功耗，电流的连续变化还会引起LED 主波长发生改变，引起色温变化。此外，PWM 调光范围更宽，精度更高，因此，PWM 调光模式相对模拟调光更适合医用红光LED 的调光，实验研究得出模拟调光和PWM 调光对LED 温升的影响差异，对穿戴式LED 光疗设备研制中调光方式的选择具有参考价值。由实验可知，可降低温升的PWM 占空比和LED 输入电流的最优组合，对LED 驱动电源系统的参数设计具有重要参考意义。在实际光疗研究应用中，可对LED 进行PWM和模拟并行混合调光，选择最优的输入电流与PWM调光占空比组合，并结合散热设计来促进LED 温升的降低，以达到延长LED 照射时间并保护受照射的皮肤不被烫伤，而且降低模拟调光所造成的色温偏移程度。

表2 PWM调光占空比与输入电流最小温升组合