基于LM3402的新型LED无影灯控制系统设计

基于LM3402的新型LED无影灯控制系统设计

 

 

　　目前手术灯一般都采用环形节能灯或卤素灯，但随着发光二极管LED技术的不断发展，特别是高亮度白光LED的发展，LED无影灯彻底解决了环形节能灯自身存在的先天缺陷，是环形节能灯的升级换代产品。目前，LED无影灯的优越性逐渐被显微镜使用者所了解和接受，使用成本亦较环形节能灯低，减少了每1~2个月就需更换环形灯管的麻烦。

 

　　目前，在技术上已成功解决了大功率LED的封装、恒流驱动、散热以及照度控制等问题，可实现无影灯照度的多级调控，调光灵活、方便。LED无影灯的优点有[1-2]：

　　(1)出色的冷光效果：采用新型的LED冷光源作为手术照明，是真正冷光源，医生头部和伤口区域几乎无温升。

　　(2)光质好：白光LED具有区别于普通手术用无影灯光源的色品特点，可以增加血液与人体其他组织、脏器的色差，使得手术中医生的视觉更加清晰，在流淌、渗透的血液中人体的各个组织、脏器更容易被区分出来，这是普通手术用无影灯所不具备的。

　　(3)亮度无级调节：采用数字方式无级调控LED的亮度，操作者可根据自身对亮度的适应性随意调节亮度，使其达到最为理想的舒适度，使长时间工作的眼睛不易产生疲劳感。

　　(4)无频闪：因为LED无影灯为纯直流供电，无频闪，不易使眼睛产生疲劳感，亦不会对工作区域的其他设备产生谐波干扰。

　　(5)光照度均匀：采用特殊的光学系统，360°均匀照射在被观察物体上，无虚影产生，清晰度高。

　　(6)寿命长：LED无影灯平均寿命长，远大于环形节能灯，寿命为节能灯的十倍以上。

　　(7)节能环保：LED具有较高的发光效率，耐冲击，不易破碎、无汞污染，且其发出的光不含红外和紫外成分的辐射污染。

 

　　由于单个LED的发光效率不能满足手术无影灯的光照强度和均匀性的要求，因此需要用多个LED组成阵列，并要求排列合理,分布均匀，使得每个目标平面的光照度符合要求，以此来决定LED的数量以及分布规则。虽然LED的发光效率高，产生的热量少，但是如此多的LED在一个密封的箱体内，还是会产生大量的热量，温度甚至会高达60℃~80℃，所以必须合理设计散热器以及散热通道，以有效地降低系统热阻。

 

　　操作面板上有4个按钮和8个LED指示灯。按下环境照明按钮，表示只需腔镜环境照明，只留下其中一路的3个LED用于照明，而关闭其余LED发光二极管串;按下关闭按钮，将熄灭所有8路LED发光二极管串，再次按下此按钮，则可以回到原照度显示状态，掉电或重启也可回到设定照度状态;调亮和调暗按钮用于改变无影灯的照度，对应8个指示灯，指示8挡亮度，从左到右每增加一挡就增加一个指示LED点亮，无影灯处于关灯状态时，最右边2个指示LED点亮。所有操作信息均是通过RS485总线传输给驱动板MCU。

 

　　LM3402是一款由可控电流源衍生的降压型稳压器，可驱动串联的大功率、高亮度发光二极管串，可以接受范围在6V~42V的输入电压。当使用引脚兼容的LM3402HV时，输入电压的上限可达到75V。根据手术对照度的需要，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。图2为LM3402的典型应用电路示意图，其中RSNS为电流设定电阻，平均电流IF≈0.2/RSNS，RON取值与发光二极管串中的LED数量有关，8个LED时可取值300kΩ。经检测，恒流标称值为250mA时(RSNS=0.8Ω)，电流波动在±20mA以内，完全能够满足手术光感要求。

　

　考虑到医用仪器安全要求的特殊性，系统的每一个环节都应该考虑采取相应安全措施。首先，手术室是一个具有强电磁干扰的环境，防止MCU死机十分重要，因此必须采取如下措施：(1)必须认真处理硬件复位电路设计和内部复位程序;(2)必须排除错误干扰信号，所以整个系统采用了完全电气隔离，以阻止电路各部分的相互影响。此外还采用了Modbus冗余校验法;(3)高亮度白色LED的价格较高，为避免损坏，必须排除电网和电源损坏对系统的影响，故本文采用了过压和过流自动保护电路，当电压或电流超过设定值的20%时，系统自动切断电源，以保证系统电路和高亮度LED的安全。