大功率白光LED醫(yī)用冷光源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焦素敏

(河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

1 引言

隨著醫(yī)用光學(xué)儀器的發(fā)展和普及，特別是關(guān)節(jié)鏡、腹腔鏡等醫(yī)用內(nèi)窺鏡在臨床微創(chuàng)手術(shù)中的廣泛應(yīng)用，對(duì)醫(yī)用冷光源的數(shù)量和特性要求越來越高。醫(yī)用冷光源的基本功能是產(chǎn)生冷光，可供采用光學(xué)纖維導(dǎo)光束的各種內(nèi)窺鏡作為光源，為進(jìn)行內(nèi)腔觀察和檢查提供亮度照明。醫(yī)用冷光源不僅要有足夠的光通量，高色溫，而且要工作可靠，使用安全。初期使用的大功率鹵鎢燈光效率和色溫都低，所觀察或顯示的圖像顏色偏紅，色還原性較差，沖擊電流大。目前使用的氙燈和金屬鹵化物燈雖然都具有高色溫，但都屬于氣體放電燈，需要萬伏以上高壓放電，啟動(dòng)電磁干擾大，氙燈的光效低，金屬鹵化物燈平均壽命短［1，2］。隨著 LED技術(shù)的不斷發(fā)展，高光效、高色溫、長(zhǎng)壽命、節(jié)能環(huán)保的大功率白光LED已廣泛應(yīng)用于道路交通和礦山照明等領(lǐng)域，但在醫(yī)用上仍處于研發(fā)試用階段。大功率LED要成為醫(yī)用冷光源的主體，安全、高效、方便、靈活的驅(qū)動(dòng)調(diào)光控制研究是推廣應(yīng)用大功率LED作為醫(yī)用冷光源的關(guān)鍵技術(shù)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1 大功率白光LED的主要特性

本系統(tǒng)采用Luminus生產(chǎn)的大功率白光LED系列產(chǎn)品CBT-90-W65S作為控制對(duì)象，單顆HBLED最大功率為50 W，額定電流13.5 A，色溫6500K，其主要特性有以下幾點(diǎn)。

(1)電流大

常用照明LED單體功率為1W，3W，5W，8W和10W，而醫(yī)用大功率LED單體功率高達(dá)50W，由圖1所示大功率LED的伏安特性知，功率為50W時(shí)的工作電流可達(dá)13.5A，電壓3.7V，是典型的低電壓、大電流工作器件。

圖1 大功率LED正向伏安特性

(2)光通量高

大功率LED輸出的光通量與其正向電流基本成正比，圖2所示為大功率LED相對(duì)輸出光通量與正向電流的關(guān)系特性曲線。設(shè)正向電流9A時(shí)輸出相對(duì)光通量為1，這時(shí)的光通量為1750～2100lm;則正向電流為13.5A時(shí) (相對(duì)光通量約1.34)單體LED輸出光通量可達(dá)2350～2800lm。

圖2 光通量與電流關(guān)系

(3)壽命長(zhǎng)

大功率白光LED的PN結(jié)溫度與使用壽命的關(guān)系曲線如圖3所示。如果能夠有效地控制LED的結(jié)溫較低，則可以大大延長(zhǎng)白光LED的發(fā)光壽命。本系統(tǒng)選用的大功率白光LED采用高導(dǎo)熱銅基板封裝結(jié)構(gòu)，封裝熱阻僅為0.9度/W，散熱效果好，可有效降低結(jié)溫，延長(zhǎng)其使用壽命［3］。

圖3 LED結(jié)溫與使用壽命關(guān)系

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述大功率白光LED的工作特性，按照醫(yī)用冷光源在臨床中的應(yīng)用需求，本系統(tǒng)應(yīng)能夠提供高達(dá)13.5A的驅(qū)動(dòng)電流，并能對(duì)電流大小進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)調(diào)光，同時(shí)為了延長(zhǎng)光源的使用壽命，應(yīng)具有對(duì)LED結(jié)溫進(jìn)行檢測(cè)和控制的措施。為此，本系統(tǒng)采用硬件電路和軟件編程相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率LED的驅(qū)動(dòng)和調(diào)光。系統(tǒng)中的醫(yī)用開關(guān)電源將市電轉(zhuǎn)換成+5V和 －12V兩種直流電壓，給單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)調(diào)光芯片和風(fēng)扇供電。用AVR單片機(jī)作為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)調(diào)光芯片LM3433的PWM輸出控制、對(duì)按鍵輸入信號(hào)的檢測(cè)處理和報(bào)警顯示輸出控制，以及對(duì)LED光源PN結(jié)溫度的檢測(cè)和控制。本控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 大功率白光LED控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)與調(diào)光電路

大功率白光LED的驅(qū)動(dòng)電源直接影響LED的白光質(zhì)量、光效和使用壽命。LED驅(qū)動(dòng)方式有恒壓源驅(qū)動(dòng)和恒流源驅(qū)動(dòng)。恒壓源驅(qū)動(dòng)可靠性差，因?yàn)長(zhǎng)ED正向?qū)ê螅饧与妷旱募?xì)小變動(dòng)將引起正向電流的很大變化。為了保證LED的亮度恒定和防止其過流燒壞，恒流驅(qū)動(dòng)是理想的方法。

為適應(yīng)臨床診斷治療時(shí)對(duì)亮度的調(diào)整需求，醫(yī)用冷光源必須具有調(diào)光功能，同時(shí)保證白光質(zhì)量不變。由于LED輸出光通量與LED電流成正比，所以控制LED的發(fā)光亮度，實(shí)質(zhì)就是控制它的正向電流的大小。常用的調(diào)光方式有模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。模擬調(diào)光通過改變LED電流實(shí)現(xiàn)發(fā)光亮度調(diào)節(jié)，其最大優(yōu)點(diǎn)是調(diào)光時(shí)無噪聲，缺點(diǎn)是調(diào)光時(shí)系統(tǒng)能耗加大，易出現(xiàn)LED色偏現(xiàn)象，白光質(zhì)量差。PWM調(diào)光是在PWM信號(hào)的控制下快速開啟或斷開LED電流，通過改變LED高頻脈沖電流的占空比來調(diào)節(jié)LED平均電流，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)光亮度調(diào)節(jié)。由于PWM調(diào)光只改變占空比，而LED導(dǎo)通時(shí)流過的電流保持不變，可有效避免白光色彩發(fā)生變化，故而要采用PWM調(diào)光。而常用PWM開關(guān)型直流變換器因驅(qū)動(dòng)電流小，無法滿足醫(yī)用冷光源需要［4］。

基于以上考慮，本文選用美國(guó)半導(dǎo)體公司(National Semiconductor Corporation)的LM3433作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器，這是一款具有脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)光控制功能的DC/DC buck型共陽電流模式高亮度LED驅(qū)動(dòng)器。用它構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)調(diào)光硬件電路如圖5所示。圖中R3和C1用來設(shè)定開關(guān)管Q1～Q4的工作頻率500kHz～1MHz，當(dāng)選用的電流檢測(cè)電阻R1為0.005歐時(shí)，調(diào)節(jié)電位計(jì)VR1使ADJ端電壓為2.25V時(shí)可使LED的電流達(dá)到13.5A。場(chǎng)效應(yīng)管Q5和Q6與LED并聯(lián)實(shí)現(xiàn)并行調(diào)光，相對(duì)于串行調(diào)光方案，使光源在高調(diào)光頻率下有較寬調(diào)光范圍。DIM引腳用來輸入來自單片機(jī)輸出的30kHz的PWM調(diào)光信號(hào)，能產(chǎn)生高速PWM調(diào)光頻率，通過改變PWM信號(hào)的占空比來調(diào)節(jié)LED的亮度，實(shí)現(xiàn)100～0%調(diào)光范圍，有效避免200Hz～20kHz頻率容易使周圍電感和電容產(chǎn)生人耳聽見的噪聲［5］。

圖5 驅(qū)動(dòng)調(diào)光電路

3.2 單片機(jī)控制電路

圖6 單片機(jī)控制電路

本系統(tǒng)采用AVR單片機(jī)作為控制核心，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵信號(hào)的采集，LCD顯示控制，LED溫度檢測(cè)和調(diào)光輸出等控制任務(wù)。單片機(jī)選用ATEMEL公司的一款采用 RISC指令的8位單片機(jī) ATmega48。ATmega48是一款高速、低功耗的單片機(jī)，有豐富的片內(nèi)資源，如內(nèi)部晶振、EEPROM、RTC、WATCH DOG、A/D轉(zhuǎn)換器、PWM等，單片機(jī)控制電路原理圖如圖6所示［6］。當(dāng)單片機(jī) ATmega48接收到調(diào)光控制按鍵S1～S3的信息時(shí)，經(jīng)過處理產(chǎn)生PWM調(diào)光信號(hào)，由單片機(jī)OC2口傳遞給LM3433的DIM輸入端，使PWM輸出發(fā)生改變，從而調(diào)節(jié)LED發(fā)光亮度。S1、S2分別是亮度調(diào)節(jié)的加減鍵，用來設(shè)定LED發(fā)光亮度，S3是記憶鍵，按下S3鍵，系統(tǒng)按照上次設(shè)定好的狀態(tài)工作，LCD顯示器可用來實(shí)現(xiàn)LED亮度的分級(jí)顯示，工作時(shí)間等信息。

隨著LED功率的提高，熱流密度相應(yīng)增加，致使芯片內(nèi)PN結(jié)結(jié)溫升高，這種由于溫度升高而產(chǎn)生的各種熱效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響LED器件的使用壽命和可靠性［7］。本系統(tǒng)除了選用熱阻為0.18度/W 的銅管散熱器，還增加了過熱保護(hù)，貼面封裝的NTC熱敏電阻 (Rt)NCP15XH103J03RC直接焊接在LED散熱銅基板上，與PN結(jié)之間熱阻為0.83度/W，通過單片機(jī)接口ADC1將反映溫度高低的電壓變化量送入單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，當(dāng)結(jié)溫超過150℃，自動(dòng)降低亮度，同時(shí)有報(bào)警顯示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件程序的設(shè)計(jì)主要包括初始化管理模塊、按鍵處理模塊、溫度超限處理模塊和顯示模塊。單片機(jī)軟件部分主程序流程如圖7所示。系統(tǒng)上電后首先對(duì)I/O口、內(nèi)部AD、定時(shí)器Time0及LCD顯示進(jìn)行初始化，然后讀取EEPROM中的時(shí)間累計(jì)數(shù)據(jù)，控制LCD顯示累計(jì)使用時(shí)間。再利用中斷方式對(duì)系統(tǒng)工作電壓、溫度和按鍵進(jìn)行檢測(cè)判斷處理［8］。

圖7 單片機(jī)主程序流程

5 結(jié)語

本文針對(duì)醫(yī)用冷光源的臨床應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于AVR單片機(jī)控制的大功率LED光源驅(qū)動(dòng)調(diào)光控制系統(tǒng)。系統(tǒng)不但實(shí)現(xiàn)了對(duì)單顆電流高達(dá)13.5A的大功率LED的恒流驅(qū)動(dòng)，有效提高了光源輸出的電流穩(wěn)定性，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED的高頻PWM調(diào)光控制，調(diào)光范圍大，滿足臨床需要。系統(tǒng)還增加了LED冷光源PN結(jié)溫度過熱保護(hù)功能，從而延長(zhǎng)其使用壽命，保證手術(shù)順利進(jìn)行。經(jīng)過臨床使用說明，大功率白光LED醫(yī)用冷光源不僅色溫高，光輸出大，可靠性高，還具有高效節(jié)能、環(huán)保、智能等優(yōu)點(diǎn)，是醫(yī)用冷光源的理想選擇。

［1］虞啟璉，邱慶軍，蔣景英．新型醫(yī)用冷光源_金屬鹵化物燈光源 ［J］．中國(guó)醫(yī)療器械信息，1999，5(3)［2］董明軍等．氙燈在醫(yī)用冷光源中的應(yīng)用 ［J］．中國(guó)醫(yī)療設(shè)備，2008，23(2)

［3］Luminus． Product Datasheet-PhlatLight?White LED Illumination Products CBT-90 Series，2009-4-24

［4］周志敏，紀(jì)愛華．白光LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例．［M］．北京:人民郵電出版社，2009年9月:48～88

［5］National semiconductor．LM3433 common anode capable high brightness LED driver with high frequency dimming．［2007-11-26］

［6］Atmel．8-bit AVR microcontroller with 8k bytes in-system programmable flash．www．a(chǎn)tmel．com/literature

［7］梅毅，陳玉陽，袁川等．LED溫度特性的測(cè)試 ［J］．照明工程學(xué)報(bào)，2007，18(1):18～20

［8］馬潮．AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐 ［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007:24～43