一種顯微鏡LED光源驅動設計

蔡子龍，牛耀琪，瞿安連

（華中科技大學 生物物理與生物化學研究所，湖北 武漢 430074）

光學顯微鏡是現代生命科學研究中必不可少的設備之一，傳統的顯微鏡光源大多采用氙燈、汞燈進行照明，但是其壽命短而且大多只能機械調光，很難滿足日新月異的光學成像技術的發展。近年來，隨著LED制造工藝的不斷改進，單片LED芯片的功率不斷提高，100W以上的LED已經進入市場，LED以其壽命長、單色性好、穩定性強、聚光方案簡單、調光迅速靈活等特點[1]，很好地替代已有的照明系統，為熒光顯微成像和光遺傳控制等生物實驗提供便利。

1 方案設計

1.1 驅動方式

LED的驅動方式有很多種，最簡單的方式是采用電阻限流恒壓的方式驅動，但是LED的電流與電壓成指數型關系，微小的電壓變化都會引起LED很大的電流波動，并且LED的光照強度與電流相關，因而大多數LED驅動器都采用恒流方式。

大功率LED一般采用開關電源驅動，因為線性恒流源效率很低，需要很大功率的散熱系統才能實現大功率輸出。開關電源驅動器可以大致分為AC/DC和DC/DC方式[2-3]。AC/DC方式電路結構簡單，直接通過電網電壓變換后驅動LED，但是缺點在于無法實現從零電流到最大電流的靈活調光并且需要復雜的EMC設計；DC/DC雖然成本有所提高，但是能夠很好調光并能減少交流噪聲的干擾，生物學實驗大多是低頻的小信號檢測，必須要充分考慮高頻噪聲的干擾。

1.2 調光方式

常見的調光方式有PWM調光和模擬調光兩種方式。PWM調光是通過高速的開關LED實現亮度調節，這樣能實現很高的電流精度，但為了避開肉眼分辨速度和儀器的響應，PWM的頻率一般需要10 kHz以上，而快速的大電流變化很容易會引起高頻噪聲和電磁輻射；模擬調光是通過調節誤差放大器閾值電壓實現負載電流的控制，實現了電壓對電流的調節，不存在PWM調光的噪聲和輻射問題，但電流的改變會引起LED頻譜的變化，對于顏色敏感的場合不宜使用模擬調光，而且有一些驅動芯片的模擬調光還存在控制電壓和負載電流的非線性以及電流無法調零等問題。

光學顯微鏡的照射對象是生物樣本，生物樣本有時存在比肉眼更高的光敏感性，而且某些成像儀器也存在很高的光強分辨能力，因而PWM調光不適用于顯微鏡。模擬調光雖然存在頻譜變化的問題，而單色LED的頻譜偏移僅僅幾個納米[4]，這對生物樣本來說是微不足道的，而非線性和其他問題可以通過選用合適的LED驅動器來避免。

1.3 整體方案設計

為了滿足照明強度的要求，顯微鏡光源選用1 A/44 V的大功率LED。由于LED額定電壓較大，選用boost拓撲結構，采用12 V直流輸入。

圖1 系統結構框圖Fig.1 System structure diagram

本設計選用linear公司的一款DC/DC驅動器LT3755，該器件采用電流控制方式，能實時采樣負載電流實現反饋控制。通過內部信號調理實現了0～1.2 V大電壓模擬調光，增強了抗干擾能力，并擁有很好的控制電壓－負載電流線性度。該器件同時實現了過壓保護和過流保護等功能。

2 驅動電路設計

2.1 開關頻率的設置

開關頻率的選擇要適中。在相同負載情況下，增大開關頻率可以減少儲能電感的大小，即減少了電感的體積，但高頻也會導致開關管的功耗和電感上的損耗，此時寄生效應會起很大作用，電磁兼容性更難處理。

LT3755可以通過外部電阻RT設置開關頻率，開關頻率與RT成反比關系，RT與內部電容形成RC振蕩器，因而RT不能懸空，只能接電阻。

2.2 采樣電阻的選擇

LT3755有2個采樣電阻，一個用于峰值電流的檢測，一個用于負載電流的檢測。峰值電流的閾值電壓約為108 mV[5]，假定系統的轉換效率為η，則有：

采樣電阻為：

其中，Rsense為峰值采樣電阻值；VIN和IIN為輸入電壓和電流；VLED和ILED為負載電壓和電流。Rsense越小，電流紋波越大。

負載電流采樣電阻主要負責檢測輸出電流進行反饋控制，需要滿足公式[6]：

2.3 電感的計算和選擇

電感是驅動電路中的儲能設備，電感應滿足以下條件：飽和電流必須要大于最大峰值電流，擁有很小的直流阻抗和較小的開關頻率電感衰減。根據boost拓撲的工作原理[2－3]，存在以下電壓電流關系：

根據上面兩公式有：

其中，LBOOST為升壓電感值；FOSC為開關頻率；ΔI為電感紋波電路；ΔVsense為開關管開通時采樣電阻上電壓的變化；D為開關管開通比。當ΔVsense為20 mV時[5]，則設定電路紋波為：

2.4 輸入輸出電容的選擇

輸入電容能夠在開關管開通時為電感提供電流，防止輸入電壓產生過大的電壓“缺口”影響驅動芯片的工作穩定性，在驅動芯片的電源引腳附近需要加去耦電容，防止高頻噪聲對芯片的影響。輸出電容主要是對輸出電壓進行濾波，讓高頻電流流過電容，直流信號流過負載。在理想電容的情況下，電容應該滿足下面條件[2－3]：

實際的電容都有等效串聯電阻 （ESR）和等效串聯電感（ESL），這會降低濾效果，瓷片電容具有很小的ESR和ESL但電容值很小；電解電容有很大的容值但ESR和ESL較大，因此要折中選擇。在容值滿足的時候盡量采用瓷片電容，實際應用中將電解電容和瓷片電容并聯使用會有較好的效果。

2.5 分立半導體器件的選擇

MOSFET的開關速度比晶體管要快，選擇開關管主要考慮開關管的耐壓VDS、耐流ID、導通電阻RON以及柵極電荷Qg，VDS和ID要大于額定參數的1.5倍，RON應盡量小以減少導通功耗，Qg越小動態功耗越小并能實現更快的開關速度[2]。

肖特基二極管要選擇足夠的反向耐壓和正向導通電流的器件，肖特基二極管擁有很短的反向恢復時間，非常適合開關電源電路，能夠達到很高的開關頻率。

2.6 電路參數及實現

根據上面的選擇和計算，驅動的電路參數如下：

3 采樣電阻上的尖峰抑制

LT3755是一款電流控制型的驅動器，而采樣電阻上的尖峰是電流控制型驅動器經常會碰到的問題。峰值采樣電阻上的波形反應的是MOSFET開通時電感上的電流波形，理想的波形應該如同圖3（A）所示，但是我們經常看到實際的波形是有尖峰的，如圖3（B）和圖3（C）所示。這種波形產生的原因有：續流二極管反向恢復電流、分布電容、引線電感和接地電感[6]。

當尖峰電壓大于比較器的閾值電壓時，驅動會認為電感電流已經達到設定峰值，而關斷開關管。解決的簡單辦法是做一個 RC 濾波[6－7]，將高頻尖峰濾除如圖 3（D），E，F 所示，但是濾波截止頻率不宜過低，否則會如圖3（G）所示電流峰值變成弧形，很難周期性的觸發電平以關斷MOSFET，造成電路工作不穩定。

圖2 LED驅動電路Fig.2 LED driver circuit

圖3 采樣電阻波形和尖峰噪聲抑制Fig.3 Waveform of sampling resistor and peak noise suppression

4 調光測試

測試驅動電路電流的控制精度。將控制電壓從0上升到1.2 V，每隔50 mV測量相應的輸出電流，得到控制電壓與輸出電流的曲線。從圖4中可以看出，0～0.1 V區間沒有電流輸出，電源從控制電壓大于0.1 V開始才逐漸輸出電流，這樣保證了電路的完全關斷；0.1～1 V區間控制電壓跟輸出電流成線性關系，在這個區間內能夠實現很高精度的電流控制；1－1.2 V區間，控制電壓和輸出電流成非線性關系，有效的線性控制方法是提高電路的最大驅動電流，讓負載的額定電流處于驅動的控制線性區域。

5 結 論

大功率LED因為其壽命長、單色性、控制靈活等特點，能夠很好的替代傳統顯微鏡光源。采用LT3755驅動器通過DC－DC方式驅動大功率LED，能夠很好的實現線性模擬調光和電流的高精度線性調節，通過二次電源設計和模擬調光方式能降低高頻噪聲和電磁輻射對系統的干擾。進過實驗測試可知，在控制電壓0.1～1 V范圍內能夠實現很好的線性調光能力。

圖4 控制電壓與輸出電流的曲線Fig.4 Control voltage vs output current

[1]周志敏，周紀海，紀愛華.LED驅動電路設計與應用[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[2]Pressman A I.Switching power supply design[M].2版.王志強等，譯.北京：電子工業出版社，2005.

[3]Mack R A.Demystifying switching power supplies[M].謝運祥，等，譯.北京：人民郵電出版社，2007.

[4]董偉，原遵東，盧小豐.LED的相對光譜亮度分布及漂移特性研究[J].計量技術，2009（8）:3－5.

DONG Wei，YUAN Zun-dong，LU Xiao-feng.Research on the relative spectral distribution and drift of LED[J].Measurement Technique，2009（8）:3－5.

[5]Linear Technology.LT3755/LT3755-1/LT3855-2-40VIN，75VOUT LED Controllers [EB/OL].[2008 REV D].http://cds.linear.com/docs/Datasheet/37551fd.pdf.

[6]Vishay Siliconix.Designing High-Frequency DC-to-DC Converters With the Si9114A Switchmode Controller[EB/OL].[2001－01－16].http://www.vishay.com/docs/70575/70575.pdf

[7]黃慶義，胡榮強，王闖瑞.基于UC3842的開關電源保護電路的改進[J].電源技術應用，2005（6）:44－46.

HUANG Qing-yi，HU Rong-qiang，WANG Chuang-rui.Protective circuit improvement of switching power supply based on UC3842[J].Power Supply Technologies and Applications，2005（6）:44－46.