調(diào)光方式對醫(yī)用紅光LED 溫升的影響

賈志超，趙 麗，何 林

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市信息傳感與智能控制重點實驗室，天津 300222）

LED 因其優(yōu)良的特性在醫(yī)療領(lǐng)域展現(xiàn)出很好的應(yīng)用價值，在心血管系統(tǒng)疾病光療研究中，紅光LED具有較好的效果[1]，可穿戴式光療設(shè)備是目前的研究重點之一。如何降低LED 溫升是光療設(shè)備研制中重點考慮的問題之一，LED 溫度過高將影響使用壽命，造成光衰，對人體皮膚也會造成損傷[2-3]。PWM 和模擬調(diào)光作為兩種典型調(diào)光方式，目前，對這兩種調(diào)光方式在LED 色溫和驅(qū)動電源設(shè)計影響方面研究較多，但缺乏對不同調(diào)光方式下LED 溫升影響差異的研究，PWM 調(diào)光時，輸入電流大于平均等效電流，僅靠改變信號占空比進(jìn)行調(diào)光，可能會造成多余電流加劇溫升的結(jié)果[4]。針對以上問題，進(jìn)行實驗對比，研究兩種調(diào)光模式下LED 溫升率的差異，通過同時改變輸入電流和PWM 信號占空比，即混合調(diào)光的方式，找到輸入電流和PWM 占空比最小的溫升組合。

1 LED調(diào)光與溫升

在LED 光療研究中，往往需要進(jìn)行不同光照度的照射實驗，從而研究得到最佳治療效果的光照參數(shù)。目前，LED 調(diào)光方式主要分為模擬調(diào)光和PWM調(diào)光兩種。

1.1 模擬調(diào)光

模擬調(diào)光通過改變流過LED 的電流值對發(fā)光亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，該調(diào)光方式可實現(xiàn)電流值的連續(xù)變化，使得LED 發(fā)光亮度連續(xù)變化，故也稱為線性調(diào)光。模擬調(diào)光電路較為簡單，可通過調(diào)節(jié)串聯(lián)電阻值或改變模擬輸入電壓值的方式實現(xiàn)。但模擬調(diào)光改變電流值，會使LED 發(fā)生色偏[5-6]。

1.2 PWM調(diào)光

PWM 調(diào)光通過脈沖寬度調(diào)制信號控制流過LED 電流的通斷，調(diào)節(jié)PWM 信號占空比，就可得到相應(yīng)的等效平均電流。該模式下流過LED 的電流在峰值和零之間變化，PWM 調(diào)光模式可實現(xiàn)的調(diào)光比較高，LED 不存在色偏，驅(qū)動器的轉(zhuǎn)換效率高，但該調(diào)光模式需要配備PWM 發(fā)生裝置，增加驅(qū)動成本，信號頻率在200 Hz～20 kHz 時會引起噪聲[7]。

1.3 LED溫升分析

在理想狀態(tài)下，等效輸入電流一定時，PWM 調(diào)光和模擬調(diào)光在LED 發(fā)光與溫升方面是一致的。但LED 屬于PN 結(jié)光電器件，根據(jù)其發(fā)光原理，LED 接通正向電流時，電子和空穴復(fù)合不能完全產(chǎn)生光子，這部分泄露電流將產(chǎn)生熱量，另外，光子也無法完全射出芯片外部而累積產(chǎn)生大量熱量[8-10]，因此，LED溫升與輸入電流是密切相關(guān)的。

進(jìn)入LED 的電能一部分用于發(fā)光，另一部分則轉(zhuǎn)化為熱能[11]，設(shè)LED 電功率為P，光功率為P0，轉(zhuǎn)化為熱能的功率為Pt，則三者關(guān)系可描述為:

光功率效率ζ可描述為:

同樣等效電流時，PWM 調(diào)光模式下流過LED 的電流要大于模擬調(diào)光模式，電流增大時，LED 發(fā)光效率會下降，溫升也會升高，相同電功率輸入時，PWM調(diào)光的電光轉(zhuǎn)換效率低于模擬調(diào)光模式，但PWM 調(diào)光時LED 通電時間小于模擬調(diào)光，故理論上難以推斷兩種調(diào)光模式下LED 溫升大小及快慢[12-14]。

2 實驗設(shè)備及測試方法

2.1 調(diào)光電路設(shè)計

基于BUCK 降壓結(jié)構(gòu)，采用MT7201 降壓恒流驅(qū)動芯片，搭建PWM 調(diào)光電路，如圖1 所示。通過給引腳ADJ 輸入脈 沖信號對LED 進(jìn)行PWM 調(diào)光，R為采樣電阻，改變采樣電阻阻值可改變流過LED 的電流：

在電源輸入端接入電容，與電阻串聯(lián)，可減少電源輸入對驅(qū)動芯片輸入端的沖擊[15-16]。BUCK 結(jié)構(gòu)中電感值的選擇要考慮功率開關(guān)的導(dǎo)通、關(guān)斷時間等，可參考式（4）、式（5）：

式中，TON和TOFF分別為功率開關(guān)打開和關(guān)斷時間，均大于200 ns，VD為二極管壓降，VLED為LED 壓降，Iavg為LED 平均電流，RS為采樣電阻，RL為電感阻抗，RLX為功率開關(guān)導(dǎo)通電阻，ΔI為電感峰值電流，VIN為輸入電壓，L為電感值。輸出的最大電流應(yīng)小于電感飽和電流[17]，該電路電感值為47 μH，滿足實驗要求。MT7201 芯片輸入電壓要求在6～50 V，該實驗均在輸入12 V 條件下進(jìn)行。

圖1 LED PWM調(diào)光電路圖

2.2 實驗設(shè)備

使用SIGLENTSPD3303S 可編程直流電源對系統(tǒng)電路進(jìn)行供電，該電源具有恒壓和恒流輸出兩個功能，因此，直接接LED 時可以通過改變恒流輸出值進(jìn)行模擬調(diào)光。PWM 信號由UTG8162D 波形發(fā)生器產(chǎn)生，該設(shè)備可手動設(shè)定信號輸出的頻率、幅值、占空比等參數(shù)。

實驗采用心血管系統(tǒng)疾病光療研究中使用的波長620～625 nm、功率為3 W 的紅光LED，額定電流700 mA。通過VICTOR 溫度表DM6801A 檢測LED散熱片的溫度，RD-2000F 寬波段分光譜輻射計檢測LED 發(fā)光的輻照度。實驗在室溫29±1 ℃，無明顯風(fēng)的條件下進(jìn)行。

2.3 驅(qū)動電流選擇

輸入電流的增大，會加劇LED 溫升，進(jìn)而降低LED 光效，造成光照的衰減。因此，LED 驅(qū)動電流要有合理的選擇，在滿足光照度的前提下，要盡可能選擇小電流來降低溫升。通過對10 個LED 在不同電流驅(qū)動下的輻照度進(jìn)行測試，為醫(yī)用紅光LED 的電流選擇做出參考。測試結(jié)果如圖2 所示，驅(qū)動電流在100～400 mA 遞增時，LED 光輻照度逐漸增大，但增大的比例逐漸降低，當(dāng)電流增至500 mA 以上時，光的輻照度不僅沒有增大反而降低，尤其在600 mA和700 mA 時輻照度發(fā)生大幅度下降，這是由于隨著電流增大，LED 溫升加劇，LED 光效降低，光衰增大。因此，后續(xù)實驗將在不超過500 mA 的等效電流下進(jìn)行測試。

圖2 輻照度與電流的關(guān)系

3 結(jié)果與分析

3.1 不同調(diào)光頻率的溫升測試

PWM 調(diào)光時，通過LED 閃爍頻率的改變來調(diào)節(jié)亮度，為了使人眼觀察不到閃爍，PWM 信號頻率應(yīng)大于100 Hz，一般采用200～1 000 Hz，通過實驗驗證不同頻率對LED 溫升是否有影響，結(jié)果如圖3 所示。相同平均等效電流下，不同頻率調(diào)光的LED 溫升無明顯差異，因此，在選擇PWM 調(diào)光頻率時不考慮其對溫升的影響，實驗中PWM 頻率均選擇200 Hz。

3.2 不同調(diào)光方式的溫升對比

圖3 調(diào)光頻率與LED溫升的關(guān)系

在PWM 調(diào)光模式下，對LED 輸入600 mA 恒電流，設(shè)定PWM 信號頻率為200 Hz，調(diào)節(jié)信號占空比為83.3%、66.7%、50%、33.3%、16.7%，使平均電流分別為500 mA、400 mA、300 mA、200 mA、100 mA。在模擬調(diào)光模式下，分別改變LED 輸入電流為500 mA、400 mA、300 mA、200 mA、100 mA。檢測不同平均電流下LED 的溫升變化，每隔1 min 記錄一次溫度，檢測10 min，結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可見，在500 mA 到100 mA 5 個不同平均電流下，PWM 模式時溫度依次上升大約34.6 ℃、28.3 ℃、20.7 ℃、14.6 ℃、7 ℃，模擬調(diào)光時溫度依次上升大約39.3 ℃、29.6 ℃、21 ℃、12.4 ℃、5.8 ℃，兩種調(diào)光方式的溫升差異基本在5 ℃以內(nèi)，且500 mA 時溫升差異最大。從圖2 明顯可以看出，占空比大于50%時，模擬調(diào)光下LED 溫升高于PWM 調(diào)光，占空比小于50%時，結(jié)果相反。

溫升速率為溫升與達(dá)到該溫升值的時間比值，單位℃/min，LED 驅(qū)動系統(tǒng)往往有過溫保護(hù)功能，當(dāng)LED 溫度過高時，為了保護(hù)受照射體表和LED 器件，需要關(guān)斷或調(diào)小電流來抑制溫升帶來的不良后果，LED 溫升率較低時，可以延長其使用時間而不至于過早對其啟用過溫保護(hù)。由圖4 可以看出，LED 溫度在通電5 min 后基本趨于穩(wěn)定，因此，計算前5 min 的平均溫升速率可近似代表LED 溫升速率。通過計算，在500 mA 到100 mA 5 個不同平均電流下，PWM 調(diào)光模式與模擬調(diào)光模式下LED 溫升速率如圖5 所示?？梢钥闯?，平均電流為400 mA和500 mA，即占空比小于50%時，PWM 調(diào)光的溫升速率高于模擬調(diào)光；平均電流為100 mA 和200 mA，即占空比大于50%時，結(jié)果相反；平均電流為300 mA，即占空比等于50%時，兩種調(diào)光模式下LED 溫升速率差異微小。且平均電流為500 mA 時，兩種調(diào)光的溫升速率差異最大。

3.3 混合調(diào)光結(jié)果

圖4 兩種調(diào)光方式下LED溫升對比

混合調(diào)光方式，即通過同時改變LED 輸入電流和PWM 信號占空比的方式進(jìn)行調(diào)光。LED 輸入平均電流從100～500 mA，步進(jìn)為100 mA。由于電流較低時LED 溫升很小不易進(jìn)行實驗比較，故平均電流最低選擇為100 mA，LED 輸入電流最小為200 mA，最大設(shè)置為600 mA，步進(jìn)為100 mA。不同平均電流下，LED 輸入電流與PWM 信號占空比組合如表1 所示。

圖5 兩種調(diào)光方式下LED溫升速率對比

表1 LED輸入電流與PWM信號占空比組合

檢測不同占空比與輸入電流組合下LED 溫升情況，結(jié)果如圖6 所示。

由圖5 可見，LED 平均電流一定時，PWM 調(diào)光的信號占空比與LED 溫升并不成線性關(guān)系，對比可得5 種平均電流下，PWM 占空比與輸入電流最小溫升組合如表2 所示。

4 結(jié)論

該實驗通過對比PWM 調(diào)光和模擬調(diào)光下LED溫升，研究兩者對LED溫升的影響差異，針對混合調(diào)光方式，研究對比不同LED平均電流時，多種PWM 占空比和LED輸入電流組合下的LED溫升情況。實驗表明：

1）600 mA 電流輸入，PWM 占空比小于50%時，LED 溫升和溫升速率要高于同等等效電流的模擬調(diào)光，PWM 占空比大于50%時，結(jié)果相反；

2）LED 光的輻照度在一定范圍內(nèi)隨電流的增大而增大，但電流過高造成的溫升過大會致使輻照度急劇衰減，出現(xiàn)電流增大輻照度降低的現(xiàn)象；

3）同一LED 平均輸入電流下，PWM 調(diào)光占空比與LED 溫升并不成線性關(guān)系，即并非占空比越大，溫升越??；

4）PWM 調(diào)光信號頻率對LED 溫升無顯著影響；

圖6 不同PWM占空比與輸入電流組合下LED溫升情況

5）在該實驗條件下，5 種平均電流的PWM 占空比與輸入電流最小LED 溫升組合可參考2。

LED 用于治療心血管系統(tǒng)疾病時，對光源波長有一定的要求，模擬調(diào)光時往往會在調(diào)光電阻上消耗較多電能，不僅加劇驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)熱，增加功耗，電流的連續(xù)變化還會引起LED 主波長發(fā)生改變，引起色溫變化。此外，PWM 調(diào)光范圍更寬，精度更高，因此，PWM 調(diào)光模式相對模擬調(diào)光更適合醫(yī)用紅光LED 的調(diào)光，實驗研究得出模擬調(diào)光和PWM 調(diào)光對LED 溫升的影響差異，對穿戴式LED 光療設(shè)備研制中調(diào)光方式的選擇具有參考價值。由實驗可知，可降低溫升的PWM 占空比和LED 輸入電流的最優(yōu)組合，對LED 驅(qū)動電源系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計具有重要參考意義。在實際光療研究應(yīng)用中，可對LED 進(jìn)行PWM和模擬并行混合調(diào)光，選擇最優(yōu)的輸入電流與PWM調(diào)光占空比組合，并結(jié)合散熱設(shè)計來促進(jìn)LED 溫升的降低，以達(dá)到延長LED 照射時間并保護(hù)受照射的皮膚不被燙傷，而且降低模擬調(diào)光所造成的色溫偏移程度。

表2 PWM調(diào)光占空比與輸入電流最小溫升組合