新型大功率蓝光LED光源驱动电路设计

摘要：为了采集水下目标的图像信息，降低水下成像系统的成本，通过采用大功率蓝光LED代替传统的激光器做光源，结合CCD成像技术，调节光束的发散角来照射水下目标场景，将目标全部或目标的关键特征部位照亮，实现对水下目标的成像。设计了基于IRIS4011构成的大功率蓝光LED的恒压恒流驱动电路。本驱动电路稳定可靠地控制LED在额定功率下工作，通过水下成像实验，采集到了水下目标的信息，实验结果表明窄小的视场范围内跟踪和接收目标信息，很大程度上减小了后向散射光对成像质量的影响，并提高了系统的信噪比和作用距离。
关键词：水下成像；大功率；蓝光LED；恒压恒流；驱动电路

誉为“绿色照明”的半导体(LED)照明技术发展迅猛，LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点。通过对高强度蓝光LED的不断研发产生了好几代亮度越来越高的器件，在1990年左右推出的基于碳化硅裸片材料的LED的效率大约是0．04lm／W，发出的光强度很少有超过15 mcd的。20世纪90年代中期出现了第一个基于GaN的实用LED。现在还有许多公司在用不同的基底(如蓝宝石和碳化硅)生产GaN LED，这些LED能够发出绿色、蓝色或紫罗兰等颜色的光。高亮度蓝色LED的发明使真彩广告显示屏的实现成为可能，这样的显示屏能够显示真彩、全运动的视频图像。随着技术的不断进步，目前能生产功率高达100 W，光通量可达2 000 lm大功率高亮度的蓝光LED。因此它作为一种有着广
泛应用前景的技术，有必要对其做深入的研究。水下成像系统是建立在海水对蓝绿光(480～540 nm)低损耗窗口的基础上所建立的一种的水下成像系统。它不但能用于普通水中，而且能用于浑浊水中，甚至在漆黑的海底也能进行观察。本文主要是基于大功率蓝光LED水下成像系统的研究。大功率蓝光LED(≥50 W)光源驱动电路是基于大功率兰光LED的水下成像系统的研究与分析的重要组成部分。

1 基本原理和电路设计
对水下成像系统而言，光源的选择至关重要，光源的稳定性、均匀性、响应速度及其光波波长范围是系统成像的关键。采用蓝光LED所发出光光经过水介质——目标反射——水介质——接收光学系统，最终在成像传感器(CCD,ICCD)上成像。这就决定了LED必须工作在快脉冲驱动方式下，目前市场上的驱动电路一般均丁作在慢脉冲驱动模式(μs量级)，远不能满足我们的要求。因此，我们必须自己解决快脉冲驱动电路这一难题，尤其是实现以ns量级的大功率快脉冲来驱动大功率的LED。基于这种实验实际需求，我们研究开发了此种快脉冲驱动电路。该电路的基本功能是产生低频、快速、大功率驱动电流脉冲信号，输出脉冲的频率与周期精确度高，稳定性好，脉冲信号宽度在20～100 ns内分5档可调，输出在50 Hz的基准频率下工作。脉冲信号通过驱动电路，输出一个快脉冲信号驱动输出电流开关，产生一个大电流脉冲信号驱动一个大功率LED。为了达到设计要求和目的，我们采用晶振电路产生高精度频率／周期基准脉冲作为内置信号源，通过对基准脉冲进行多次分频，产生所需频率的输出脉冲信号，这样可以获得频率稳定的脉冲信号，同时实现了频率选择。经过分频后的脉冲信号再经过脉冲宽度成形电路实现脉宽调节，然后经过电流开关电路，产生大电流脉冲，使LED发光。该驱动电路主要由以下几个部分组成：信号源、分频电路、频率选择、脉冲宽度电路、TTL输出、驱动电路和电流开关电路。其框图如图1所示。

2 主要单元电路与原理
如前所述，该电路主要由信号源电路、分频电路、频率选择、脉冲宽度成形电路、驱动电路、大功率电流开关等单元电路组成。内置的信号源产生的信号经过分频、脉宽成形之后，送入驱动电路产生驱动信号，驱动大功率电流开关控制大功率蓝光LED光源电路工作。同步的TTL输出信号可作为检测信号或其他电路的触发与驱动信号。
2．1 信号源电路
用石英晶体与非对称式多谐振荡器的耦合电容串连起来，就可以组成石英晶体多谐振荡器，该电路的振荡频率取决于石英晶体的固有频率f0，与外接电阻参数无关，耦合电容起到微调与补偿振荡频率的作用。我们采用固有频率f0为10 MHz的石英晶体构成内置信号源，其输出脉冲的频率／周期精确度高，稳定性好。