無影燈調光電路設計及應用

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摘要：本文介紹了一款基于LM3404的LED手術無影燈恒流驅動調光電路，詳細論述了調光電路的硬件和軟件方案的設計及實測效果。電路采用單片機MSP430F1232控制LED驅動模塊，集成調光控制模塊，可實現對大功率LED手術無影燈進行無極調光的功能，并且含有參數記憶模式，具有智能化、精度高、穩定性強等優點，大大提高了LED手術無影燈的使用性能。

關鍵詞：LED手術無影燈；單片機；LM3404；調光控制

隨著LED照明技術的日新月異，其應用領域也越來越廣泛，從照明延伸到工業照明、汽車照明以及醫用照明等領域，LED手術無影燈便是醫院手術室必用設備之一，在醫生手術過程中發揮重要的照明作用[1]。與傳統手術照明燈具相比，LED手術無影燈具有節能環保、高光效、無熱輻射、壽命長等優點，不僅壽命延長到3萬多小時，而且光照均勻，光質好，不會散發出過量的熱，能避免手術區域中的組織干燥影響手術結果，相同照度下節能量更在70%以上。本文所介紹的電路集單片機、調光控制模塊于一體，可以實現LED亮度的無級調控，操作者可根據自身對亮度的適應性隨意調節，使其達到理想的舒適度，并且該電路具有參數記憶模式，可根據個人的設置需求進行存儲記憶，方便了操作者的使用。

1調光電路硬件設計

LED手術無影燈電路結構框圖見圖1，采用大功率LED光源，設計參數為輸出電流400mA，精度±5%，PWM線性調光范圍為0~100%、具有輸出過流、過載保護功能。從圖1可以看出，該電路集成電源管理模塊、數據存儲器模塊、人機交互模塊以及調光控制模塊。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[2]作為核心控制器，用于進行調光數據的設置與處理；電源管理模塊的作用是保證整個電路工作電壓的穩定，保證無影燈亮度的穩定性及設備的安全性；人機交互模塊負責LED無影燈照明亮度的調節與設置，經過A/D轉換傳遞給中央控制器；調光控制模塊通過接收來自單片機產生的PWM控制信號，與DC/DC變換控制器LM3404以及外圍電路組成本設計的調光控制模塊，達到對LED手術無影燈的亮度調節。本文針對調光控制模塊電路進行了詳細描述。1.1LM3404介紹。單片機MSP430F1232產生的PWM控制信號與DC/DC變換控制器LM3404以及外圍電路組成本設計的調光控制模塊。LM3404是由德州儀器（TI）公司研發設計的內部集成開關電源控制的芯片，是一款由可控電流源衍生的降壓型穩壓器，可驅動大功率、高亮度發光二極管串，可以接受范圍在DC6V~DC42V的輸入電壓[3]。根據實際使用中手術對亮度和照度的需要，操作者對轉換器的輸出電壓進行調節，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：①使用DC6~42V的寬電壓范圍；②內部集成N溝道MOSFET，最大輸出電流可達1.5A，滿足輸出電流400mA的要求；③內部MOSFET的導通時間可通過外接電阻控制，以適應不同負載時輸出電壓的波動；④根據PWM信號的占空比大小實現對大功率LED發光亮度的調節；⑤包含開路、短路、過溫等多種保護電路，保證電路的安全性；⑥可實現無電解電容的電路設計，確保電路壽命更長。VIN+通過R5與LM3404的Ron引腳相連，以使LM3404內部的MOSFET開關管通過R2調節導通與關斷的時間；L1為儲能電感，R3與R4為電流采樣電阻，完成電路的輸出電流采樣；當內部MOSFET開關管處于高頻開關狀態時，通過L1將輸出到負載的電流穩定在設定輸出值，電流通過VIN+、開關管MOSFET、儲能電感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存儲能量；當MOSFET開關管處于關斷狀態時，通過L1電感的電流由續流二極管D1提供給續流回路，L1儲存的能量釋放，為負載處提供工作電流，用以維持負載處電流的恒定；LM3404輸出采樣電流控制端CS根據采樣電阻的電壓變化來調節流過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的調光設置端DIM引腳相連，其源極則與電路的GND端相連，其柵極則與單片機的調光控制PWM信號相連接，通過調節PWM占空比大小最終實現對LED手術無影燈照明亮度的調節。在滿足調光功能的基礎上，還應考慮到醫用設備電氣安全和電磁兼容的重要性，防止因醫療環境中其他電子電氣設備的相互干擾引起的安全故障。因此，在電路設計中采用Modbus冗余校驗法，排除錯誤干擾信號；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保護電路，當電壓或電流超過規定值時，系統自動切斷電源，以保證設備的安全。1.3PWM調光信號的產生。高亮度發光二極管串的電流主要通過對LM3404的DIM端口進行PWM調節，實際電流占設定電流值的比例取決于PWM的占空比[3]。在電路初次啟動完成上電后，作為中央控制器的單片機進入工作狀態，此時產生的PWM調光信號占空比為固定設定值，LED手術無影燈照明的亮度為初始亮度。由于大功率LED會隨著使用時間的增加產生光衰，為使LED手術無影燈的光照強度在設計壽命時間內始終保持最優的照明效果，克服光衰造成的照度下降問題，該調光電路在工作一段時間后，單片機會根據實際工作時長由設定程序來補償調整PWM調光信號的占空比，保證LED光源的發光強度。另外，為適應不同操作者對照明亮度的需求，操作者可根據自身習慣及醫療環境要求通過人機交互設定照明亮度，關閉照明燈具后單片機會將最后設定的亮度數值存儲于外部數據存儲器中；當用戶再次開啟該LED手術無影燈照明時，單片機會按最后保存的照明模式進行控制輸出。

2電路軟件程序設計

軟件程序的設計除考慮功能性的實現外，還應考慮到電路后期的升級與維護，因此在軟件程序設計中采用模塊化的方式。本軟件設計主要包含主程序模塊、數據采集與處理模塊以及PWM驅動信號調節模塊等。主程序的功能主要是完成電路的初始化、中斷程序設置，當完成電路預先程序設定后，主控程序會進入低功耗待機狀態，在該狀態下單片機會隨時被各種中斷程序喚醒，并對中斷事件進行及時響應執行。PWM驅動信號調節程序的功能是實現電路的調光連續性以及照度舒適性的調光功能，程序流程如下：電路上電后單片機首先判斷是否為初次上電工作，如果是，調光輸出按初始設計PWM值進行設置，否則單片機讀取外部存儲模塊中的存儲數據，按最后1次PWM設定值進行調節控制，單片機內部定時器對PWM占空比輸出進行精確設置。如果操作者需要對照明亮度進行調整，則可通過人機交互模塊進行重新設置，設置完成后單片機對該次設置的數據進行自動保存，方便操作者的使用。

3實測數據及驗證

在輸入電壓分別為：DC18V、DC24V、DC36V，輸出電壓分別為：DC8V、DC10V、DC12V，PWM調光占空比為100%條件下測試，不同輸入輸出電壓下輸出電流測試數據如表1，輸出電流測試曲線見圖3。從表1和圖3的測試結果可以看出，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，完全符合設計要求±5%的電流精度要求。在輸入電壓為分別為DC18V、DC24V、DC36V，輸出電壓為DC10V，PWM調光占空比為0~100%間隔10%的條件下測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試數據如表2，不同輸入電從表2和圖4的測試結果可以看出，在額定輸出電壓DC10V下，不同輸入電壓，占空比由0~100%調節，輸出電流的線性度基本吻合，符合設計要求。

4結語

該LED手術無影燈調光電路集單片機、數字PWM調光于一體，采用LED恒流驅動技術，具有人機交互方便、調光精度高、自適應性強等特點。經過實際測試，調光控制輸出電流線性度良好、性能穩定可靠，給使用者帶來了較大便利，該LED手術無影燈調光照明電路已應用在山東濟寧某醫療器械公司產品中，取得了良好的使用效果和社會效益，具有較高的推廣價值和廣泛的市場應用前景[4]。

參考文獻：

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

[2]Msp430x1xxFamilyUser’sGuide[Z].TexasInstrumentsIncorporated,2006.

[3]盛衛鋒,姜微艷.新型LED手術無影燈[J].微型機與應用,2010(19):19-21.

[4]國建嶺.基于GPRS的智能路燈控制設備的設計[J].中國照明電器,2014(02):37-40.

作者:孔強強 宋慶軍 賈禮麗 國建嶺 單位:1..國家半導體及顯示產品質量檢驗中心 2.濟寧市第一人民醫院呼吸與危重癥醫學科 3.精進電動科技有限公司