一種顯微鏡LED光源驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

蔡子龍，牛耀琪，瞿安連

（華中科技大學(xué) 生物物理與生物化學(xué)研究所，湖北 武漢 430074）

光學(xué)顯微鏡是現(xiàn)代生命科學(xué)研究中必不可少的設(shè)備之一，傳統(tǒng)的顯微鏡光源大多采用氙燈、汞燈進(jìn)行照明，但是其壽命短而且大多只能機(jī)械調(diào)光，很難滿足日新月異的光學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展。近年來，隨著LED制造工藝的不斷改進(jìn)，單片LED芯片的功率不斷提高，100W以上的LED已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，LED以其壽命長(zhǎng)、單色性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、聚光方案簡(jiǎn)單、調(diào)光迅速靈活等特點(diǎn)[1]，很好地替代已有的照明系統(tǒng)，為熒光顯微成像和光遺傳控制等生物實(shí)驗(yàn)提供便利。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 驅(qū)動(dòng)方式

LED的驅(qū)動(dòng)方式有很多種，最簡(jiǎn)單的方式是采用電阻限流恒壓的方式驅(qū)動(dòng)，但是LED的電流與電壓成指數(shù)型關(guān)系，微小的電壓變化都會(huì)引起LED很大的電流波動(dòng)，并且LED的光照強(qiáng)度與電流相關(guān)，因而大多數(shù)LED驅(qū)動(dòng)器都采用恒流方式。

大功率LED一般采用開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)，因?yàn)榫€性恒流源效率很低，需要很大功率的散熱系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)大功率輸出。開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)器可以大致分為AC/DC和DC/DC方式[2-3]。AC/DC方式電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接通過電網(wǎng)電壓變換后驅(qū)動(dòng)LED，但是缺點(diǎn)在于無法實(shí)現(xiàn)從零電流到最大電流的靈活調(diào)光并且需要復(fù)雜的EMC設(shè)計(jì)；DC/DC雖然成本有所提高，但是能夠很好調(diào)光并能減少交流噪聲的干擾，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)大多是低頻的小信號(hào)檢測(cè)，必須要充分考慮高頻噪聲的干擾。

1.2 調(diào)光方式

常見的調(diào)光方式有PWM調(diào)光和模擬調(diào)光兩種方式。PWM調(diào)光是通過高速的開關(guān)LED實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)，這樣能實(shí)現(xiàn)很高的電流精度，但為了避開肉眼分辨速度和儀器的響應(yīng)，PWM的頻率一般需要10 kHz以上，而快速的大電流變化很容易會(huì)引起高頻噪聲和電磁輻射；模擬調(diào)光是通過調(diào)節(jié)誤差放大器閾值電壓實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的控制，實(shí)現(xiàn)了電壓對(duì)電流的調(diào)節(jié)，不存在PWM調(diào)光的噪聲和輻射問題，但電流的改變會(huì)引起LED頻譜的變化，對(duì)于顏色敏感的場(chǎng)合不宜使用模擬調(diào)光，而且有一些驅(qū)動(dòng)芯片的模擬調(diào)光還存在控制電壓和負(fù)載電流的非線性以及電流無法調(diào)零等問題。

光學(xué)顯微鏡的照射對(duì)象是生物樣本，生物樣本有時(shí)存在比肉眼更高的光敏感性，而且某些成像儀器也存在很高的光強(qiáng)分辨能力，因而PWM調(diào)光不適用于顯微鏡。模擬調(diào)光雖然存在頻譜變化的問題，而單色LED的頻譜偏移僅僅幾個(gè)納米[4]，這對(duì)生物樣本來說是微不足道的，而非線性和其他問題可以通過選用合適的LED驅(qū)動(dòng)器來避免。

1.3 整體方案設(shè)計(jì)

為了滿足照明強(qiáng)度的要求，顯微鏡光源選用1 A/44 V的大功率LED。由于LED額定電壓較大，選用boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用12 V直流輸入。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

本設(shè)計(jì)選用linear公司的一款DC/DC驅(qū)動(dòng)器LT3755，該器件采用電流控制方式，能實(shí)時(shí)采樣負(fù)載電流實(shí)現(xiàn)反饋控制。通過內(nèi)部信號(hào)調(diào)理實(shí)現(xiàn)了0～1.2 V大電壓模擬調(diào)光，增強(qiáng)了抗干擾能力，并擁有很好的控制電壓－負(fù)載電流線性度。該器件同時(shí)實(shí)現(xiàn)了過壓保護(hù)和過流保護(hù)等功能。

2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 開關(guān)頻率的設(shè)置

開關(guān)頻率的選擇要適中。在相同負(fù)載情況下，增大開關(guān)頻率可以減少儲(chǔ)能電感的大小，即減少了電感的體積，但高頻也會(huì)導(dǎo)致開關(guān)管的功耗和電感上的損耗，此時(shí)寄生效應(yīng)會(huì)起很大作用，電磁兼容性更難處理。

LT3755可以通過外部電阻RT設(shè)置開關(guān)頻率，開關(guān)頻率與RT成反比關(guān)系，RT與內(nèi)部電容形成RC振蕩器，因而RT不能懸空，只能接電阻。

2.2 采樣電阻的選擇

LT3755有2個(gè)采樣電阻，一個(gè)用于峰值電流的檢測(cè)，一個(gè)用于負(fù)載電流的檢測(cè)。峰值電流的閾值電壓約為108 mV[5]，假定系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率為η，則有：

采樣電阻為：

其中，Rsense為峰值采樣電阻值；VIN和IIN為輸入電壓和電流；VLED和ILED為負(fù)載電壓和電流。Rsense越小，電流紋波越大。

負(fù)載電流采樣電阻主要負(fù)責(zé)檢測(cè)輸出電流進(jìn)行反饋控制，需要滿足公式[6]：

2.3 電感的計(jì)算和選擇

電感是驅(qū)動(dòng)電路中的儲(chǔ)能設(shè)備，電感應(yīng)滿足以下條件：飽和電流必須要大于最大峰值電流，擁有很小的直流阻抗和較小的開關(guān)頻率電感衰減。根據(jù)boost拓?fù)涞墓ぷ髟韀2－3]，存在以下電壓電流關(guān)系：

根據(jù)上面兩公式有：

其中，LBOOST為升壓電感值；FOSC為開關(guān)頻率；ΔI為電感紋波電路；ΔVsense為開關(guān)管開通時(shí)采樣電阻上電壓的變化；D為開關(guān)管開通比。當(dāng)ΔVsense為20 mV時(shí)[5]，則設(shè)定電路紋波為：

2.4 輸入輸出電容的選擇

輸入電容能夠在開關(guān)管開通時(shí)為電感提供電流，防止輸入電壓產(chǎn)生過大的電壓“缺口”影響驅(qū)動(dòng)芯片的工作穩(wěn)定性，在驅(qū)動(dòng)芯片的電源引腳附近需要加去耦電容，防止高頻噪聲對(duì)芯片的影響。輸出電容主要是對(duì)輸出電壓進(jìn)行濾波，讓高頻電流流過電容，直流信號(hào)流過負(fù)載。在理想電容的情況下，電容應(yīng)該滿足下面條件[2－3]：

實(shí)際的電容都有等效串聯(lián)電阻 （ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL），這會(huì)降低濾效果，瓷片電容具有很小的ESR和ESL但電容值很??；電解電容有很大的容值但ESR和ESL較大，因此要折中選擇。在容值滿足的時(shí)候盡量采用瓷片電容，實(shí)際應(yīng)用中將電解電容和瓷片電容并聯(lián)使用會(huì)有較好的效果。

2.5 分立半導(dǎo)體器件的選擇

MOSFET的開關(guān)速度比晶體管要快，選擇開關(guān)管主要考慮開關(guān)管的耐壓VDS、耐流ID、導(dǎo)通電阻RON以及柵極電荷Qg，VDS和ID要大于額定參數(shù)的1.5倍，RON應(yīng)盡量小以減少導(dǎo)通功耗，Qg越小動(dòng)態(tài)功耗越小并能實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度[2]。

肖特基二極管要選擇足夠的反向耐壓和正向?qū)娏鞯钠骷?，肖特基二極管擁有很短的反向恢復(fù)時(shí)間，非常適合開關(guān)電源電路，能夠達(dá)到很高的開關(guān)頻率。

2.6 電路參數(shù)及實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上面的選擇和計(jì)算，驅(qū)動(dòng)的電路參數(shù)如下：

3 采樣電阻上的尖峰抑制

LT3755是一款電流控制型的驅(qū)動(dòng)器，而采樣電阻上的尖峰是電流控制型驅(qū)動(dòng)器經(jīng)常會(huì)碰到的問題。峰值采樣電阻上的波形反應(yīng)的是MOSFET開通時(shí)電感上的電流波形，理想的波形應(yīng)該如同圖3（A）所示，但是我們經(jīng)常看到實(shí)際的波形是有尖峰的，如圖3（B）和圖3（C）所示。這種波形產(chǎn)生的原因有：續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流、分布電容、引線電感和接地電感[6]。

當(dāng)尖峰電壓大于比較器的閾值電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)會(huì)認(rèn)為電感電流已經(jīng)達(dá)到設(shè)定峰值，而關(guān)斷開關(guān)管。解決的簡(jiǎn)單辦法是做一個(gè) RC 濾波[6－7]，將高頻尖峰濾除如圖 3（D），E，F(xiàn) 所示，但是濾波截止頻率不宜過低，否則會(huì)如圖3（G）所示電流峰值變成弧形，很難周期性的觸發(fā)電平以關(guān)斷MOSFET，造成電路工作不穩(wěn)定。

圖2 LED驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 LED driver circuit

圖3 采樣電阻波形和尖峰噪聲抑制Fig.3 Waveform of sampling resistor and peak noise suppression

4 調(diào)光測(cè)試

測(cè)試驅(qū)動(dòng)電路電流的控制精度。將控制電壓從0上升到1.2 V，每隔50 mV測(cè)量相應(yīng)的輸出電流，得到控制電壓與輸出電流的曲線。從圖4中可以看出，0～0.1 V區(qū)間沒有電流輸出，電源從控制電壓大于0.1 V開始才逐漸輸出電流，這樣保證了電路的完全關(guān)斷；0.1～1 V區(qū)間控制電壓跟輸出電流成線性關(guān)系，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)很高精度的電流控制；1－1.2 V區(qū)間，控制電壓和輸出電流成非線性關(guān)系，有效的線性控制方法是提高電路的最大驅(qū)動(dòng)電流，讓負(fù)載的額定電流處于驅(qū)動(dòng)的控制線性區(qū)域。

5 結(jié) 論

大功率LED因?yàn)槠鋲勖L(zhǎng)、單色性、控制靈活等特點(diǎn)，能夠很好的替代傳統(tǒng)顯微鏡光源。采用LT3755驅(qū)動(dòng)器通過DC－DC方式驅(qū)動(dòng)大功率LED，能夠很好的實(shí)現(xiàn)線性模擬調(diào)光和電流的高精度線性調(diào)節(jié)，通過二次電源設(shè)計(jì)和模擬調(diào)光方式能降低高頻噪聲和電磁輻射對(duì)系統(tǒng)的干擾。進(jìn)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試可知，在控制電壓0.1～1 V范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)很好的線性調(diào)光能力。

圖4 控制電壓與輸出電流的曲線Fig.4 Control voltage vs output current

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