LED手术无影灯调光电路的设计及应用

0   引言

随着LED照明技术的日新月异，其应用领域也越来越广泛，从照明延伸到工业照明、汽车照明以及医用照明等领域，LED手术无影灯便是医院手术室必用设备之一，在医生手术过程中发挥重要的照明作用^[1]。与传统手术照明灯具相比，LED手术无影灯具有节能环保、高光效、无热辐射、寿命长等优点，不仅寿命延长到3万多小时，而且光照均匀，光质好，不会散发出过量的热，能避免手术区域中的组织干燥影响手术结果，相同照度下节能量更在70%以上。本文所介绍的电路集单片机、调光控制模块于一体，可以实现LED亮度的无级调控，操作者可根据自身对亮度的适应性随意调节，使其达到理想的舒适度，并且该电路具有参数记忆模式，可根据个人的设置需求进行存储记忆，方便了操作者的使用。

作者简介：孔强强（1985—），男，工程师，主要从事LED产品的光电性能、EMC检测、设计等工作。

1   调光电路硬件设计

LED手术无影灯电路结构框图见图1，采用大功率LED光源，设计参数为输出电流400 mA，精度±5%，PWM线性调光范围为0~100%、具有输出过流、过载保护功能。

从图1可以看出，该电路集成电源管理模块、数据存储器模块、人机交互模块以及调光控制模块。中央控制器采用德州仪器（TI）公司的低功耗、高性能MSP430F1232单片机^[2]作为核心控制器，用于进行调光数据的设置与处理；电源管理模块的作用是保证整个电路工作电压的稳定，保证无影灯亮度的稳定性及设备的安全性；人机交互模块负责LED无影灯照明亮度的调节与设置，经过A/D转换传递给中央控制器；调光控制模块通过接收来自单片机产生的PWM控制信号，与DC/DC变换控制器LM3404以及外围电路组成本设计的调光控制模块，达到对LED手术无影灯的亮度调节。本文针对调光控制模块电路进行了详细描述。

图1 LED手术无影灯电路结构框图

1.1 LM3404介绍

单片机MSP430F1232产生的PWM控制信号与DC/DC变换控制器LM3404以及外围电路组成本设计的调光控制模块。LM3404是由德州仪器（TI）公司研发设计的内部集成开关电源控制的芯片，是一款由可控电流源衍生的降压型稳压器，可驱动大功率、高亮度发光二极管串，可以接受范围在DC 6 V~DC 42 V的输入电压[3]。

根据实际使用中手术对亮度和照度的需要，操作者对转换器的输出电压进行调节，可以维持通过LED阵列的恒定电流水平[3]。表1为LM3404管脚说明，该芯片具有以下特点：①使用DC 6~42 V的宽电压范围；②内部集成N沟道MOSFET，最大输出电流可达1.5 A，满足输出电流400 mA的要求；③内部MOSFET的导通时间可通过外接电阻控制，以适应不同负载时输出电压的波动；④根据PWM信号的占空比大小实现对大功率LED发光亮度的调节；⑤包含开路、短路、过温等多种保护电路，保证电路的安全性；⑥可实现无电解电容的电路设计，确保电路寿命更长。

图2为LM3404的外围应用电路图，其中：VIN+通过R5与LM3404的Ron引脚相连，以使LM3404内部的MOSFET开关管通过R2调节导通与关断的时间；L1为储能电感，R3与R4为电流采样电阻，完成电路的输出电流采样；当内部MOSFET开关管处于高频开关状态时，通过L1将输出到负载的电流稳定在设定输出值，电流通过VIN+、开关管MOSFET、储能电感L1、LED、电流采样电阻R4与R5、最终返回GND，通过L1电感的电流线性上升。在此过程中，L1存储能量；当MOSFET开关管处于关断状态时，通过L1电感的电流由续流二极管D1提供给续流回路，L1储存的能量释放，为负载处提供工作电流，用以维持负载处电流的恒定；LM3404输出采样电流控制端CS根据采样电阻的电压变化来调节流过LED电流的大小，控制芯片恒流输出；Q1为外接N沟道MOSFET，其漏极与LM3404的调光设置端DIM引脚相连，其源极则与电路的GND端相连，其栅极则与单片机的调光控制PWM信号相连接，通过调节PWM占空比大小最终实现对LED手术无影灯照明亮度的调节。在满足调光功能的基础上，还应考虑到医用设备电气安全和电磁兼容的重要性，防止因医疗环境中其他电子电气设备的相互干扰引起的安全故障。因此，在电路设计中采用Modbus冗余校验法，排除错误干扰信号；采用完全的电气隔离，增大电子器件的爬电距离和电气间隙，以阻止电路各部分的相互影响；采用过压和过流自动保护电路，当电压或电流超过规定值时，系统自动切断电源，以保证设备的安全。

图2 LM3404外围电路图

1.3 PWM调光信号的产生

高亮度发光二极管串的电流主要通过对LM3404的DIM端口进行PWM调节，实际电流占设定电流值的比例取决于PWM的占空比^[3]。在电路初次启动完成上电后，作为中央控制器的单片机进入工作状态，此时产生的PWM调光信号占空比为固定设定值，LED手术无影灯照明的亮度为初始亮度。

由于大功率LED会随着使用时间的增加产生光衰，为使LED手术无影灯的光照强度在设计寿命时间内始终保持最优的照明效果，克服光衰造成的照度下降问题，该调光电路在工作一段时间后，单片机会根据实际工作时长由设定程序来补偿调整PWM调光信号的占空比，保证LED光源的发光强度。另外，为适应不同操作者对照明亮度的需求，操作者可根据自身习惯及医疗环境要求通过人机交互设定照明亮度，关闭照明灯具后单片机会将最后设定的亮度数值存储于外部数据存储器中；当用户再次开启该LED手术无影灯照明时，单片机会按最后保存的照明模式进行控制输出。

2   电路软件程序设计

软件程序的设计除考虑功能性的实现外，还应考虑到电路后期的升级与维护，因此在软件程序设计中采用模块化的方式。本软件设计主要包含主程序模块、数据采集与处理模块以及PWM驱动信号调节模块等。主程序的功能主要是完成电路的初始化、中断程序设置，当完成电路预先程序设定后，主控程序会进入低功耗待机状态，在该状态下单片机会随时被各种中断程序唤醒，并对中断事件进行及时响应执行。

PWM驱动信号调节程序的功能是实现电路的调光连续性以及照度舒适性的调光功能，程序流程如下：电路上电后单片机首先判断是否为初次上电工作，如果是，调光输出按初始设计PWM值进行设置，否则单片机读取外部存储模块中的存储数据，按最后1次PWM设定值进行调节控制，单片机内部定时器对PWM占空比输出进行精确设置。如果操作者需要对照明亮度进行调整，则可通过人机交互模块进行重新设置，设置完成后单片机对该次设置的数据进行自动保存，方便操作者的使用。

图3 不同输出电压下输出电流测试曲线

3   实测数据及验证

在输入电压分别为：DC 18 V、DC 24 V、DC 36 V，输出电压分别为：DC 8 V、DC 10 V、DC 12 V，PWM调光占空比为100%条件下测试，不同输入输出电压下输出电流测试数据如表1，输出电流测试曲线见图3。

从表1和图3的测试结果可以看出，在不同输入输出电压，占空比100%情况下，输出电流的误差在±2%之内，完全符合设计要求±5%的电流精度要求。

在输入电压为分别为DC 18 V、DC 24 V、DC 36 V，输出电压为DC 10 V，PWM调光占空比为0~100%间隔10%的条件下测试输出电流线性特性。不同输入电压、占空比条件下输出电流测试数据如表2，不同输入电压、占空比条件下输出电流测试曲线见图4。

图4 不同占空比下输出电流测试曲线

从表2和图4的测试结果可以看出，在额定输出电压DC 10 V下，不同输入电压，占空比由0~100%调节，输出电流的线性度基本吻合，符合设计要求。

4   结语

该LED手术无影灯调光电路集单片机、数字PWM调光于一体，采用LED恒流驱动技术，具有人机交互方便、调光精度高、自适应性强等特点。经过实际测试，调光控制输出电流线性度良好、性能稳定可靠，给使用者带来了较大便利，该LED手术无影灯调光照明电路已应用在山东济宁某医疗器械公司产品中，取得了良好的使用效果和社会效益，具有较高的推广价值和广泛的市场应用前景^[4]。

参考文献：

[1] 霍彦明,王志远,谭俊廷,等.智能化LED手术无影灯的仿真及设计[J]河北工业科技,2011(3): 100-103.

[2] Msp430x1xxFamily User’ sGuide[ Z ] . T e x a s Instruments Incorporated,2006.

[3] 盛卫锋,姜微艳.新型LED手术无影灯[J] .微型机与应用,2010(19): 19-21.

[4] 国建岭.基于GPRS的智能路灯控制设备的设计[J].中国照明电器, 2014(02):37-40.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2020年8月期）