LED手術無影燈的關鍵電路設計

郭要強 劉路

【摘要】介紹了一種基于STC12C5A60S2型單片機為核心的控制模塊和以HV9910B為核心的驅動電路組成的新型LED手術無影燈控制系統，分析了LED驅動電路的組成和MCU的控制方法。本文設計中的LED無影燈相比于傳統無影燈來說功耗更低、顯色性能更好、安全度更高、舒適度更好，更加符合醫院手術室的功能特點。

【關鍵詞】手術無影燈;控制模塊;LED驅動電路;MCU

Abstract：This paper introduced a new LED astral lamp system based on the STC12C5A60S2 microcontroller as the control module and the HV9910B as the core of the drive circuit.It mainly analyzes the structure of the LED drive circuit and the control method of MCU.This LED astral lamp has lower power consumption，higher coloration，safer performance and better comfort，so it is in line with the functional characteristics of the hospital operating room by compare with the traditional astral lamps.

Key words：astral lamp;control module;LED drive circuit;MCU

手術燈以及醫院用的照明設備主要是要與醫院的功能特點相結合，提高醫院手術治療工作效率，同時還要能夠對病人的病情給以正確的診斷、治療創造條件，而LED手術無影燈正好是專為醫院手術室在手術治療過程中設計使用的。

一、研究背景

目前醫院手術和檢查照明等醫療專用的照明燈基本上都使用的是鹵素燈或環形節能燈作為光源，它主要是通過多面反射鏡將光線反射到手術部位，盡管其技術指標基本上能夠滿足醫院臨床手術的要求，但是仍然存在一些缺陷，如工作狀態下的溫度過高，色溫不可調，不能滿足臨床手術中對不同組織的顯色特性的客觀要求，該光源的手術燈整體系統功耗較大，鹵素燈光源使用壽命短，發出的光譜中含有紫外到紅外的光線，長時間使用這種手術燈會使病人產生灼熱與不適，甚至對病人的皮膚和手術部位會造成傷害。

現代LED手術無影燈都是采用環保型、節能、大功率燈珠作為光源，其在功能和性能上相比于傳統鹵素燈光源的手術燈來說有很大的優勢，從基本性能上來說LED手術無影燈具有以下優勢[2]：

（1）節能與環保：傳統鹵素手術燈的功耗一般是400W左右，發熱很高，LED手術無影燈功耗為180W左右，產生的熱量幾乎為零。LED手術無影燈對環境不會造成污染，同時更省電節能，同等亮度條件下普通白熾燈的耗電量是LED手術無影燈的10倍，鹵素燈的是LED手術無影燈的20倍。

（2）安全性高：本次設計中的LED手術無影燈電源是采用低壓直流供電及其電源組件，具有很好的過壓、短路保護功能，徹底消除光源、電源燒毀等安全隱患，最大程度的保證醫生和病人的人身安全。

（3）高效、舒適：LED手術無影燈色溫為4300K的手術燈光，顯色指數達到94，更有利于醫生快速地有效地分辨手術傷口部位的各種組織、器官;同時冷光源燈珠為直流供電，無頻閃，能夠有效緩解醫生的視覺疲勞。

（4）技術性能高：LED無影燈具有超長的使用壽命，光源的壽命高于60000小時，是傳統手術燈的30-50倍。亮度高，中心照度大于140000LUX，采用MCU專用亮度控制系統，用數字式LEVEL對輸出亮度進行30%～100%的無級調節，使得無影燈在調低亮度的同時還能保持其準確的色溫，幫助醫生準確識別各組織臟器。光源采用精密光學系統設計和多層透鏡原理發光，每個光源芯片實現一次聚光，固定聚焦深度高于800mm，光斑均勻，d50和50%d10幾乎重合，光斑均勻度>90%，無影效果好，清晰度高。

（5）穩定性高：LED芯片采用美國原裝進口，超長壽命得以良好保障，而且抗震，防摔，耐沖擊，耐腐蝕。手術燈反應迅速，采用軟開關技術，即開即亮，沒有啟動時間。

（6）操作方便：配置輕巧平衡臂懸掛系統的LED手術無影燈，采用國際通用的六維萬向關節聯動，移動輕巧，定位準確，360°的全方位設計，沒有照射死角，可滿足手術中的任何高度和角度。

二、系統結構

（一）總體結構

該LED手術無影燈是由LED燈頭、MCU控制系統、平衡臂懸掛系統和電源驅動組件組成。其中燈頭為4個，3個成花瓣狀，中心成圓形狀，固定在平衡臂懸掛系統上，能做垂直或循環移動，可滿足手術中不同高度和角度的需求。燈頭采用大功率燈珠作為光源，應用固態冷光源LED照明技術，壽命長，溫升低，無頻閃;采用PWM連續可調亮度技術，實現LED手術無影燈亮度連續調節[3]。

（二）電路設計思路

電路輸入級由全波整流橋和一個濾波電容組成，完成對交流電的整流濾波。控制級由HV9910B芯片搭建，經輸入級濾波后的電壓輸入到芯片的Vin，作為電路的輸入電壓VI，其峰值是310V，均值為190V。VDD、LD、PWMD端通過電容器接GND端，以維持相應引腳的片內電壓。

由GATE端輸出頻率一定的方波脈沖信號作為開關信號控制開關管，其頻率由RT端所接的電阻設定，脈沖寬度由CS端采樣電阻RCS反饋的LED電流信號控制。電感L1在電路中起著至關重要的作用，為驅動電路提供濾波和儲能以及續流供電，以保持負載中電流的均衡性，恢復二極管完成構建續流通路的作用。在開關信號開通半周內，由前級濾波后的電勢向LED負載直接供電，并給L1充電;在開關信號關斷半周內，由充滿能量的L1給快恢復二極管、LED組成的回路供能，實現在一個周期內完成對LED的持續驅動。總體設計思路框圖如圖2.1所示。

圖2.1 總體設計思路框圖

三、關鍵電路設計

（一）LED驅動電路的設計

導通后的LED的I-V特性曲線不是線性的[4]，所以LED正向電壓不能過高，不然電流非常大，發熱量劇增，會損壞二極管。當LED工作電流值不同時，其發光強度也不同，因此LED的驅動電路一般選擇恒流驅動模式，相應的LED陣列亦采用串聯方式連接，驅動電流一般設為LED額定電流的70%-85%以保護LED。同時采用PWM脈寬調節控制，PWM開關電路由4部分組成，即輸入整流濾波、PWM控制、開關器件和輸出濾波。根據PWM方式開關電路設計的LED驅動電路框圖如圖3.1所示。

圖3.1 LED驅動電路框圖

HV9910B是PWM高效率LED驅動IC，它允許電壓從直流電壓為8V-450V而對HBLED有效控制。LED串是受到恒定電流的控制而不是電壓，如此可提供持續穩定的光輸出和提高可靠度。對一個LED串的輸出電流能被編程設定在0和它的最大值之間的任何值，它由輸入到HV9910B的線性調光器的外部控制電壓所控制。

圖3.2 LED恒流驅動電路

由芯片HV9910B控制的LED恒流驅動電路如圖3.2所示，HV9910B作為開環電流LED驅動IC，可通過編程實現恒定電源模式或關斷時間模式，其非常適合于降壓LED驅動器，由于HV9910B在開環電流模式，在不需要任何補償的情況下能達到很好的輸出電流。PWM調光響應僅受限于電感電流的起伏頻率，能夠承受很短的升降時間。

圖3.3 單片機MCU控制以及外部存儲模塊電路

（二）控制板電路設計

控制板是整個無影燈控制器的核心，主要由一個STC12C5A60S2和X25045監控芯片組成。

STC12C5A60S2系列單片機是一種單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8-12倍，內部集成MAX810專用復位電路。4路PWM，8路高速10位A/D轉換，針對電機控制，強干擾場合。

X25045是一種三合一功能監控芯片，具有EEPROM，電壓跌落檢測、看門狗復位等功能，用SPI總線與單片機處理器通信，是最有存儲檢測的單片機系統的最佳選擇。單片機MCU控制以及外部存儲模塊電路如圖3.3所示。

采用新型的LED冷光源，智能化LED手術無影燈具有發光效率高、發熱量低、熱輻射低、能耗低、壽命長、可靠性高以及易于設計各項安全保護措施等顯著優點。采用LED恒流驅動技術，再加上智能化控制接口，給醫生的手術工作帶來了較大便利，具有較好的應用前景。

參考文獻

[1]朱根娣，劉敏娟.新型手術無影燈的光照度特性的研究[J].中國醫療器械雜志，2009（3）：183-187.

[2]魯廣洲.LED手術無影燈-節能照明潮產品[J].中國醫院建筑與裝備，2012.

[3]王聲學，吳廣寧等.LED原理及其照明應用[J].燈與照明，2006：32-35.

[4]邱云峰，尹杰等.大功率LED高頻驅動電路的設計[J].燈與照明，2010.

作者簡介：

郭要強（1980—），男，大學本科，高級工程師，現供職于河南駝人集團產品研究院。

劉路（1991—），男，大學本科，助理工程師，現供職于河南駝人集團產品研究院。