LED光源的驱动设计

冷光源驱动与控制电路的研究

王传宇物理与电子信息学院

（安徽师范大学物电学院，安徽省芜湖市 241000）

关键词：冷光源；医学；驱动电路；控制电路

摘要：随着社会的发展，能源被过度的使用，能源危机越来越严重，各行各业不得不考虑节能措施，采取低能耗的材料来进行生产。照明占据了人类能源消耗的大头，必须把节能、环保、健康作为照明光源设计的首要选择，冷光源的出现使电光源的发光原理得到根本性的改变与突破。本文简述了冷光源相对传统光源的优点，同时通过对比分析不同冷光源在医学方面的应用，得出相对优化的冷光源驱动与控制电路。

The Driving and Controlling Circuit of Cold-light Resource Chuanyu Wang, School of Physics and Electronic Information

Abstract:With the development of society, energy was used out of its limit, the energy crisis has become very serious every industry has to thought kinds of methods to save energy, and use the materials which waste little energy to producing. The lighting is the most used aspect of energy, so saving energy, environmental protection and health must be the first choice for the design of lighting resource, the appearance of cold-light resource changed the principle of the luminescence of electronic light resource. This text describes the advantages of cold-light resource rather than traditional light resource, meanwhile, with the contrast and analyze of different application of cold-light resource in medicine so to conclude the better design of the driving and controlling circuit of cold-light resource.

Key words:cold-light resource; medicine; driving circuit; controlling circuit

1.绪论

社会是不断进步与发展的，随着社会的发展，科技越来越进步[1]。而相应的作为科技发展的动力源泉——能源也越来越备受瞩目，人们对于能源的需求月来远大，从而导致能源被过度的使用，能源危机越来越严重。因此，各行各业不得虑的重要指标。自古以来，照明占据了人类能源消耗的大头，为了响应节能，在未来照明光源的设计中必须把节能、环保、健康作为首要选择。而在各种各样的节能方法之中，节省在照明方面使用的电流与电量、减少人们对于用电的需求、提高光源的发光效率和驱动效率、优化光源的驱动方式成为专家们研究的重要方

向。因此，在电源行业中，公司必须追求最大的电源工作效率。

冷光源的出现，代表着在电光源发展研究过程中的一次重大突破，是新的里程碑，它的出现使电光源的发光原理得到根本性的改变与突破。冷光源相对传统的光源有了许多重大突破，其主要特点有：较高的光学效率、较全的光色、较长的寿命、使用很环保、体积很小等。冷光源可以很方便地在各种各样的彩色和白色照明区域得到应用，而这些优点也决定了冷光源必定将成为第四代光源[2]。

由于工业的进步，地球的环境也将变得越来越恶劣，人类在地球上生存也变得越来越困难，人们的健康也受到很大的危害，因此，环保问题也越来越受到重视。而节能、环保等这些要求，不仅影响着照明产业，也影响着全体人类的未来。所以，冷光源的研究是跨时代的，其应用技术在全世界来说都是十分重要的。

2.冷光源相对传统光源的优点

（1）电流大

8W、6W、2W、1W和10W是传统光源常用的单体功率，而40W是冷光源的最高单体功率，由图1所示冷光源的伏安特性可以看出，当冷光源的功率为40W时，其工作电流最高可达12.5A，电压最高可达3.7V，它的工作期间在较大电流、较低电压。

图1 冷光源正向伏安特性

（2）较高的发光效率，较低的能源消耗

一般来说，白炽灯和卤钨灯的光学效能大概为10～23lm/W，而荧光灯的光学效能约为40～120lm/W[3]；在传统光源中，由于采用黑体辐射作为发光方式，导致发射的能量之中大概只有12%的转化为可见光；410～770nm为白炽灯工作中的光线波长，而荧光灯正常工作时光线的波长约为300～740nm，且不包含红色的光，如果相要获得特定的某种颜色的光，需要借助滤波片才行，这样做的话能量就浪费了。而冷光源的光学效能最高，预计可达310lm/W以上，更重要的是冷光源发出的光单色性好、光谱窄，且不需要滤波片就能获得多种颜色单色光。此外，冷光源的驱动电压较低、亮度很高，一个只含一颗光芯的冷光源的光学效能目前已达70lm/W以上，而且在照明亮度相同的情况下，荧光灯的耗电量是冷

光源的耗电量的4倍，白炽灯的耗电量是冷光源的7倍。

（3）调光性好

冷光源相比荧光灯和白炽灯来说，具有很好的调光性能，控制起来更加容易。可以通过改变争相电流的大小来改变发出光的颜色和强度，由于不同的光互相搭配可以得出五颜六色、各种各样的光，通过时序控制电路，可以使其显现出丰富多彩的动态效果。冷光源在多彩的光色、超强的控制协调性以及变化多端的动态照明方面远非传统光源可以比较。

（4）安全环保

冷光源发光物质之中不包含汞元素，由于其是直流驱动，所以没有频闪，作为照明光源使用的话有利于保护眼睛。因为冷光源为固态光源，在抵抗震动和冲击力方面有很多优势。由于冷光源是低电压驱动的，安全系数较高，可以近距离接触，而且它的启动和响应时间约为十几纳秒，相比其他光源速度很快，需要频繁使用的楼梯道和需要快速响应的场合是其最佳使用场地。

（5）光通量高

冷光源输出光的光通量与其正向电流之间基本成线性关系，图2所示为冷光源相对输出光通量与正向电流的关系曲线。设正向电流为8A时，其相对输出光通量为1，这时候冷光源的光通量为1700～2000lm；且荡正向电流为12.5A时（这时候相对光通量约为1.24）,冷光源的光通量可达2600lm[4]。

图2冷光源的相对输出光通量与正向电流的关系

3.不同冷光源的驱动与控制电路

3.1大功率白光led冷光源的驱动与控制电路

Light Emitting Diode 的缩写，中文的意思是发光二极管，它是一种会发光的半导体组件，具有一般二极管的特性[5]。大功率白光LED的最大功率为55W，额定电流为13.4A，色温6400K，具有电流大、光通量高、寿命长等特点。

根据大功率白光LED的上述特点，以及医用冷光源的应用需求，系统为了实现对LED进行驱动和调光，将会采用以编程软件带动硬件电路的结合方法。系统中采用两种各项输出与输入系统的检测处理，系统总体结构如图3所示[6]。

图3大功率白光LED控制系统总体结构图

在系统的硬件设计中采用恒流驱动的驱动方式，来保证LED亮度保持不变，而且其硬件也不会被过载电流烧坏。由于系统要求避免输出光的颜色被改变，而PWM调光方式的作用是改变LED的占空比，而其导通电流并没有收到任何影响，因此采用了此种调光方式。基于上述考虑，系统采用了具有PWM调光控制功能的DC / DC buck型共阳电流模式高亮度LED驱动器，其驱动调光电路如图４所示。

系统采用A VR单片机作为控制单元来实现对其他各方面元件的调动，更好的实现了对信号的快速采集，更佳的调光输出等工作，单片机控制电路如图５所示。

该系统采用恒定电流的驱动方式对额定电流为12.5A的大功率白光LED进行驱动，提高了光源输出的稳定性；同时，由于采用了PWM的调光控制方式，使得系统的调光范围大大增强，在极大程度上满足了临床医学的需要。通过在临床方面的使用，发现了大功率白光LED 作为医用冷光源具有输出光亮度大、运行高效节能、智能操作等优点。

图４驱动调光电路

图５单片机控制电路

3.2金属卤化物冷光源的驱动与控制电路

由于科技的进步,医用光学仪器慢慢步入电子化、自动化、智能化的时代，而医院对于医用冷光源的要求也越来越高，要求光源要有非常大的光通量，发出的光要有较高的色温，显色性也要很好，这些要求传统卤钨灯已经不能满足了，因此金属卤化物灯光源被带到了台面上。

金属卤化物医用冷光源根据所填充的金属卤化物的不同可以分为三类，由这三类的光谱分布比较可以得出，由于灯中所冲物质不同，导致灯的光谱及使用用途也不相同。医用冷光源为了寻求手术中的高显色性和高光效，一般采用冲Dy-Ho-Tm的灯。

金属卤化物的启动电压很高，究其原因是因为其电极材料造成的，由于其使用钍和稀土金属氧化物，所以它的电极溢出功很大，而且灯内还有游离的金属离子，这些都会影响金属卤化物灯的启动过程。

（a）直流式（b）低频式

（c）高频式（d）脉冲式

图6金属卤化物灯的电子灯电路

当金属卤化物的点灯位置变动的时候，其光电特性也会发生改变，其点灯电

路一般采用电子式电路。由于卤化物灯点灯频率和波形分布的不同，其电子式电路分为直流、低频、高频和脉冲四类，如图6.a、6.b、6.c和6.d所示。直流式能够直接控制流过灯的电流，而且发射的电波中含有的谐波分量很少，能够有效地减少放电时的不稳定性，缺点是灯的光色和亮度不稳定；低频式电路的光学效能很高、高次谐波分量几乎没有，缺点是点灯线路很复杂；高频式电路具有很小的体积很大的频率，缺点是很容易发生共鸣，影响稳定性；脉冲式电路能够随心所欲的改变点灯输出光的色彩，缺点是发光效率很小。为了减少医用镇流器的体积和重量，以及提高灯的发光效率，金属卤钨灯的点灯电路一般采用脉冲式。

金属卤化物灯对其使用的镇流器具有以下四点要求：由于镇流器需要击穿金属卤化物灯的电极[7]，所以在启动时要有很大的电压输出；要有足够的能力来使得灯正常而稳定的工作；为了响应社会节能的号召，镇流器必须输出足够大的功率因数；镇流器必须对各种突发状况具有即时的应对措施[8]。镇流器的工作框图如图7所示。

图7金属卤化物灯的电子镇流器结构框图

金属卤化物灯也具有很多优点：由于抗恶劣变化性强，导致其寿命很长；由于填充物与其电极材料无因果关系，导致发光材料具有很宽的选择性；热损耗小，效率很高；结构简单，启动方式多样，反应速度也很快。

4.总结

此外,经研究发现冷光源在医学应用上的一些缺点：（1）现有的医用冷光源功率倍增器效率不高,而高效率的倍增器不是价格过高就是仪器体积很大,这些还需要优化处理。（2）医用冷光源的使用灯功率无法直接测量，需要研究出切实可行、精确有效的测量方法来提高测量精确度。（3）冷光源对电磁辐射很敏感，而且噪声大，需要优化组装结构减少辐射的影响和降低系统噪声。

随着国际与国内在冷光源方面研究的进展，我们的世界也会被其点缀得五彩缤纷，我们的生活也会在其帮助下越来越便捷，越来越安全。如今，冷光源的身影不仅出现在全球的各项先进技术中，发挥着重要的作用，而且也被提上国内的各项重大会议，准备进行更加深入的研究。因此，对冷光源的驱动与控制是很重要的一项内容，在不同的应用领域中对不同的冷光源选择正确合适的电路才能使得它的效率得到充分的发挥。本文就不同冷光源在医学领域的应用，对其驱动与控制电路进行比较分析，从而得出冷光源对其驱动的要求：高效率、高可靠免维

护、隔离比较安全、较低的成本、控制精确、高功率因素等。

5.致谢

本文是在我院各老师的指导下，通过我自身的思索以及与师兄师姐的讨论探索中逐渐形成的。在我论文研究和撰写过程中,导师在论文起始对整体走向进行简述，为我指明了论文写作的大体方向；在写作中期，我有很多迷惘与困惑，通过与师兄的深入聊天，我的不解一一解开，论文写作的一砖一瓦也自此确定下来。师兄对待问题的态度、解决问题的思路和坚定不移的决心使我感触颇多。从师兄身上，我学到了扎实的专业知识和做人的道理，这些道理和知识将在我日后的学习生活中提供莫大的帮助。我十分感谢我的导师，是在他的指导下我的论文才诞生出来，然后对帮助过我的师兄师姐、小伙伴们表示真诚的谢意！

参考文献：

[1] 孙茂占.照明光源的革命谈新一代照明光源LED[J].新材料新装饰，2014(1),P5-P5.

[2] 姚凯,阮新波,王蓓蓓等.第四代新光源—发光二级管[J].电源世界，2008（3）,P21-P26.

[3] 邱西振，张方辉.基于相对光谱强度的非接触式LED结温测量法[J].光谱学与光谱分析，2013（1）,P33-P39.

[4] 焦素敏.大功率白光led医用冷光源控制系统设计[J].照明工程学报，2011（4）,P79-83.

[5] 隋妮妮.led浅谈[J].商情.2011(23)P123-P123.

[6] 鲍学良,梁伟,周红贵.多MCU武器检测系统设计[J].弹箭与制导学报,2008（4）P228-P229，P248.

[7] 屈素辉.高强度气体放电灯用镇流器标准简介[J].中国照明电器,2002(3) ,P30-P31.

[8]陈育明，刘洋.金属卤化物灯的现状及研究进展[J].中国照明电器,2011(4)，P1-P5.

目录

1. 绪论 (1)

2. 冷光源相对传统光源的优点 (2)

3. 不同冷光源的驱动与控制电路 (3)

3.1大功率白光led冷光源的驱动与控制电路 (3)

3.2金属卤化物冷光源的驱动与控制电路 (5)

4. 总结 (6)

5. 致谢 (7)

参考文献： (7)