LED手術(shù)無影燈調(diào)光電路的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

0   引言

隨著LED照明技術(shù)的日新月異，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，從照明延伸到工業(yè)照明、汽車照明以及醫(yī)用照明等領(lǐng)域，LED手術(shù)無影燈便是醫(yī)院手術(shù)室必用設(shè)備之一，在醫(yī)生手術(shù)過程中發(fā)揮重要的照明作用^[1]。與傳統(tǒng)手術(shù)照明燈具相比，LED手術(shù)無影燈具有節(jié)能環(huán)保、高光效、無熱輻射、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，不僅壽命延長到3萬多小時(shí)，而且光照均勻，光質(zhì)好，不會(huì)散發(fā)出過量的熱，能避免手術(shù)區(qū)域中的組織干燥影響手術(shù)結(jié)果，相同照度下節(jié)能量更在70%以上。本文所介紹的電路集單片機(jī)、調(diào)光控制模塊于一體，可以實(shí)現(xiàn)LED亮度的無級(jí)調(diào)控，操作者可根據(jù)自身對(duì)亮度的適應(yīng)性隨意調(diào)節(jié)，使其達(dá)到理想的舒適度，并且該電路具有參數(shù)記憶模式，可根據(jù)個(gè)人的設(shè)置需求進(jìn)行存儲(chǔ)記憶，方便了操作者的使用。

作者簡(jiǎn)介：孔強(qiáng)強(qiáng)（1985—），男，工程師，主要從事LED產(chǎn)品的光電性能、EMC檢測(cè)、設(shè)計(jì)等工作。

1   調(diào)光電路硬件設(shè)計(jì)

LED手術(shù)無影燈電路結(jié)構(gòu)框圖見圖1，采用大功率LED光源，設(shè)計(jì)參數(shù)為輸出電流400 mA，精度±5%，PWM線性調(diào)光范圍為0~100%、具有輸出過流、過載保護(hù)功能。

從圖1可以看出，該電路集成電源管理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器模塊、人機(jī)交互模塊以及調(diào)光控制模塊。中央控制器采用德州儀器（TI）公司的低功耗、高性能MSP430F1232單片機(jī)^[2]作為核心控制器，用于進(jìn)行調(diào)光數(shù)據(jù)的設(shè)置與處理；電源管理模塊的作用是保證整個(gè)電路工作電壓的穩(wěn)定，保證無影燈亮度的穩(wěn)定性及設(shè)備的安全性；人機(jī)交互模塊負(fù)責(zé)LED無影燈照明亮度的調(diào)節(jié)與設(shè)置，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換傳遞給中央控制器；調(diào)光控制模塊通過接收來自單片機(jī)產(chǎn)生的PWM控制信號(hào)，與DC/DC變換控制器LM3404以及外圍電路組成本設(shè)計(jì)的調(diào)光控制模塊，達(dá)到對(duì)LED手術(shù)無影燈的亮度調(diào)節(jié)。本文針對(duì)調(diào)光控制模塊電路進(jìn)行了詳細(xì)描述。

圖1 LED手術(shù)無影燈電路結(jié)構(gòu)框圖

1.1 LM3404介紹

單片機(jī)MSP430F1232產(chǎn)生的PWM控制信號(hào)與DC/DC變換控制器LM3404以及外圍電路組成本設(shè)計(jì)的調(diào)光控制模塊。LM3404是由德州儀器（TI）公司研發(fā)設(shè)計(jì)的內(nèi)部集成開關(guān)電源控制的芯片，是一款由可控電流源衍生的降壓型穩(wěn)壓器，可驅(qū)動(dòng)大功率、高亮度發(fā)光二極管串，可以接受范圍在DC 6 V~DC 42 V的輸入電壓[3]。

根據(jù)實(shí)際使用中手術(shù)對(duì)亮度和照度的需要，操作者對(duì)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以維持通過LED陣列的恒定電流水平[3]。表1為LM3404管腳說明，該芯片具有以下特點(diǎn)：①使用DC 6~42 V的寬電壓范圍；②內(nèi)部集成N溝道MOSFET，最大輸出電流可達(dá)1.5 A，滿足輸出電流400 mA的要求；③內(nèi)部MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間可通過外接電阻控制，以適應(yīng)不同負(fù)載時(shí)輸出電壓的波動(dòng)；④根據(jù)PWM信號(hào)的占空比大小實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率LED發(fā)光亮度的調(diào)節(jié)；⑤包含開路、短路、過溫等多種保護(hù)電路，保證電路的安全性；⑥可實(shí)現(xiàn)無電解電容的電路設(shè)計(jì)，確保電路壽命更長。

圖2為LM3404的外圍應(yīng)用電路圖，其中：VIN+通過R5與LM3404的Ron引腳相連，以使LM3404內(nèi)部的MOSFET開關(guān)管通過R2調(diào)節(jié)導(dǎo)通與關(guān)斷的時(shí)間；L1為儲(chǔ)能電感，R3與R4為電流采樣電阻，完成電路的輸出電流采樣；當(dāng)內(nèi)部MOSFET開關(guān)管處于高頻開關(guān)狀態(tài)時(shí)，通過L1將輸出到負(fù)載的電流穩(wěn)定在設(shè)定輸出值，電流通過VIN+、開關(guān)管MOSFET、儲(chǔ)能電感L1、LED、電流采樣電阻R4與R5、最終返回GND，通過L1電感的電流線性上升。在此過程中，L1存儲(chǔ)能量；當(dāng)MOSFET開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，通過L1電感的電流由續(xù)流二極管D1提供給續(xù)流回路，L1儲(chǔ)存的能量釋放，為負(fù)載處提供工作電流，用以維持負(fù)載處電流的恒定；LM3404輸出采樣電流控制端CS根據(jù)采樣電阻的電壓變化來調(diào)節(jié)流過LED電流的大小，控制芯片恒流輸出；Q1為外接N溝道MOSFET，其漏極與LM3404的調(diào)光設(shè)置端DIM引腳相連，其源極則與電路的GND端相連，其柵極則與單片機(jī)的調(diào)光控制PWM信號(hào)相連接，通過調(diào)節(jié)PWM占空比大小最終實(shí)現(xiàn)對(duì)LED手術(shù)無影燈照明亮度的調(diào)節(jié)。在滿足調(diào)光功能的基礎(chǔ)上，還應(yīng)考慮到醫(yī)用設(shè)備電氣安全和電磁兼容的重要性，防止因醫(yī)療環(huán)境中其他電子電氣設(shè)備的相互干擾引起的安全故障。因此，在電路設(shè)計(jì)中采用Modbus冗余校驗(yàn)法，排除錯(cuò)誤干擾信號(hào)；采用完全的電氣隔離，增大電子器件的爬電距離和電氣間隙，以阻止電路各部分的相互影響；采用過壓和過流自動(dòng)保護(hù)電路，當(dāng)電壓或電流超過規(guī)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切斷電源，以保證設(shè)備的安全。

圖2 LM3404外圍電路圖

1.3 PWM調(diào)光信號(hào)的產(chǎn)生

高亮度發(fā)光二極管串的電流主要通過對(duì)LM3404的DIM端口進(jìn)行PWM調(diào)節(jié)，實(shí)際電流占設(shè)定電流值的比例取決于PWM的占空比^[3]。在電路初次啟動(dòng)完成上電后，作為中央控制器的單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)產(chǎn)生的PWM調(diào)光信號(hào)占空比為固定設(shè)定值，LED手術(shù)無影燈照明的亮度為初始亮度。

由于大功率LED會(huì)隨著使用時(shí)間的增加產(chǎn)生光衰，為使LED手術(shù)無影燈的光照強(qiáng)度在設(shè)計(jì)壽命時(shí)間內(nèi)始終保持最優(yōu)的照明效果，克服光衰造成的照度下降問題，該調(diào)光電路在工作一段時(shí)間后，單片機(jī)會(huì)根據(jù)實(shí)際工作時(shí)長由設(shè)定程序來補(bǔ)償調(diào)整PWM調(diào)光信號(hào)的占空比，保證LED光源的發(fā)光強(qiáng)度。另外，為適應(yīng)不同操作者對(duì)照明亮度的需求，操作者可根據(jù)自身習(xí)慣及醫(yī)療環(huán)境要求通過人機(jī)交互設(shè)定照明亮度，關(guān)閉照明燈具后單片機(jī)會(huì)將最后設(shè)定的亮度數(shù)值存儲(chǔ)于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中；當(dāng)用戶再次開啟該LED手術(shù)無影燈照明時(shí)，單片機(jī)會(huì)按最后保存的照明模式進(jìn)行控制輸出。

2   電路軟件程序設(shè)計(jì)

軟件程序的設(shè)計(jì)除考慮功能性的實(shí)現(xiàn)外，還應(yīng)考慮到電路后期的升級(jí)與維護(hù)，因此在軟件程序設(shè)計(jì)中采用模塊化的方式。本軟件設(shè)計(jì)主要包含主程序模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊以及PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)節(jié)模塊等。主程序的功能主要是完成電路的初始化、中斷程序設(shè)置，當(dāng)完成電路預(yù)先程序設(shè)定后，主控程序會(huì)進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)，在該狀態(tài)下單片機(jī)會(huì)隨時(shí)被各種中斷程序喚醒，并對(duì)中斷事件進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)執(zhí)行。

PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)節(jié)程序的功能是實(shí)現(xiàn)電路的調(diào)光連續(xù)性以及照度舒適性的調(diào)光功能，程序流程如下：電路上電后單片機(jī)首先判斷是否為初次上電工作，如果是，調(diào)光輸出按初始設(shè)計(jì)PWM值進(jìn)行設(shè)置，否則單片機(jī)讀取外部存儲(chǔ)模塊中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，按最后1次PWM設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器對(duì)PWM占空比輸出進(jìn)行精確設(shè)置。如果操作者需要對(duì)照明亮度進(jìn)行調(diào)整，則可通過人機(jī)交互模塊進(jìn)行重新設(shè)置，設(shè)置完成后單片機(jī)對(duì)該次設(shè)置的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)保存，方便操作者的使用。

圖3 不同輸出電壓下輸出電流測(cè)試曲線

3   實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及驗(yàn)證

在輸入電壓分別為：DC 18 V、DC 24 V、DC 36 V，輸出電壓分別為：DC 8 V、DC 10 V、DC 12 V，PWM調(diào)光占空比為100%條件下測(cè)試，不同輸入輸出電壓下輸出電流測(cè)試數(shù)據(jù)如表1，輸出電流測(cè)試曲線見圖3。

從表1和圖3的測(cè)試結(jié)果可以看出，在不同輸入輸出電壓，占空比100%情況下，輸出電流的誤差在±2%之內(nèi)，完全符合設(shè)計(jì)要求±5%的電流精度要求。

在輸入電壓為分別為DC 18 V、DC 24 V、DC 36 V，輸出電壓為DC 10 V，PWM調(diào)光占空比為0~100%間隔10%的條件下測(cè)試輸出電流線性特性。不同輸入電壓、占空比條件下輸出電流測(cè)試數(shù)據(jù)如表2，不同輸入電壓、占空比條件下輸出電流測(cè)試曲線見圖4。

圖4 不同占空比下輸出電流測(cè)試曲線

從表2和圖4的測(cè)試結(jié)果可以看出，在額定輸出電壓DC 10 V下，不同輸入電壓，占空比由0~100%調(diào)節(jié)，輸出電流的線性度基本吻合，符合設(shè)計(jì)要求。

4   結(jié)語

該LED手術(shù)無影燈調(diào)光電路集單片機(jī)、數(shù)字PWM調(diào)光于一體，采用LED恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)，具有人機(jī)交互方便、調(diào)光精度高、自適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，調(diào)光控制輸出電流線性度良好、性能穩(wěn)定可靠，給使用者帶來了較大便利，該LED手術(shù)無影燈調(diào)光照明電路已應(yīng)用在山東濟(jì)寧某醫(yī)療器械公司產(chǎn)品中，取得了良好的使用效果和社會(huì)效益，具有較高的推廣價(jià)值和廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景^[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1] 霍彥明,王志遠(yuǎn),譚俊廷,等.智能化LED手術(shù)無影燈的仿真及設(shè)計(jì)[J]河北工業(yè)科技,2011(3): 100-103.

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年8月期）