黃疸光療儀LED光源光學參數的動態可調研究

陳中行，郭震寧，林介本，薛冬冬，李建鵬，張佳寧，黃學齡

(1.華僑大學信息科學與工程學院，福建 廈門 360021；2.福建省光傳輸與變換重點實驗室，福建 廈門 360021；3.泉州市世芯智能照明技術研究院有限公司，福建 泉州 362302)

引言

隨著LED照明技術的不斷成熟，在醫療領域的應用也越來越廣泛，對LED的發光效果及穩定性等都有進一步的要求，故將調光功能應用在LED驅動器上是必然趨勢[1]。目前，常用的新生兒黃疸光療儀有熒光燈、鹵素燈、藍光光纖毯及高強度LED燈，我們所采用的黃疸光療儀LED光源是根據LED的波段窄、易控制等特性，將體內膽紅素的吸收光譜作為目標光譜，匹配出黃疸光療儀LED光源的單色LED數量配比[2，3]。研究表明，當光照度超過飽和點時，光療效果不再增加，目前光照強度的飽和點尚不明確[4]，由于光通量在一定范圍內會隨著電流的增大而增大[5]，因此可通過調節電流的方式調節LED光源光照度，以測驗黃疸光療儀LED光源光療效果的飽和點。同時，在測驗黃疸光療儀降解膽紅素的效果時，用四種不同峰值波長的單色LED模擬產生的實際光譜功率分布和目標光譜必然有所差別，而光譜會隨著電流的變化而變化，比如，電流增大時，峰值波長在460 nm的藍光LED光譜會先后發生藍移和紅移現象[6]，所以需要通過獨立調節四種不同峰值波長的單色LED電流，使LED光源實際產生的光譜功率分布與目標光譜盡可能一致。針對以上情況本文主要設計了一種能夠實現四通道控制的黃疸燈驅動電路，對四種不同峰值波長的單色LED燈進行獨立脈寬調制調光。目前，PWM調光是主流調光方式，通過調節占空比來改變輸出電流，并且輸出電流狀態只有最大額定工作電流和零電流兩種狀態，可以保證LED色溫穩定。此外，PWM調光相對于可控硅調光與模擬調光更具有：在高頻調光下不會出現頻閃、調光范圍寬廣、提高LED驅動器效率等優勢。

本研究設計一種可進行四路通道獨立PWM調光的LED恒流驅動電路，對該驅動電路進行仿真驗證，并且詳細分析各個組成部分，最后做出電路板對該黃疸光療儀LED光源進行PWM調光，在距離光源中心55 cm處測量光照度和光譜變化，驗證該驅動電路的調光效果。

1 調光電路設計

1)MAX16823的主要特性。MAX16823芯片的外圍引腳排列如圖1所示。MAX16823是3通道、高亮度LED驅動器，其工作電壓在5.5～40 V的電壓范圍，每個通道可為一串或多串LED提供5至70 mA范圍內的可調恒定輸出電流。該器件具有3個亮度調節輸入，可在0 Hz～3 MHz頻率范圍內對每個通道獨立進行PWM調光[7]。

圖1 MAX16823外圍引腳圖Fig.1 MAX16823 Peripheral Pin Diagram

2)方波信號發生器。本次研究中LED光源的光強是由四個脈寬調制信號(PWM)控制的，PWM信號可用單片機產生，如STM32單片機、51單片機等，信號穩定可靠但是需要編寫程序，在費用上也比較昂貴，采用NE555器件，在外圍連接少量元件就可以PWM信號，通過改變電容和電阻參數就可以改變PWM信號的周期和占空比，并且占空比的可調范圍可達0～99%寬范圍，應用極其方便。本次研究采用四個NE555芯片輸出四路獨立的PWM信號，調整電容和電阻參數，使其輸出高達1.4 kHz的PWM信號，從而避免LED的頻閃現象，電路圖如圖2所示。

3)LED主要性能。本次研究的黃疸光療儀LED光源采用的是貼片型2835 LED燈珠芯片，功率約為0.1 W，其綜合性能好，在亮度、散熱方面都有很強的優勢，在市場上的競爭力不斷加強，具體的采用的數量及光電參數如表1所示。

圖2 方波信號發生器Fig.2 Square wave signal generator

發光顏色峰值波長/nm數量/個正向電流/mA正向電壓/V反向電壓/V光通量/lm湖藍色4501220～303.0～3.251～1.5藍色4651820～303.0～3.253.5～4.5藍色4758820～303.0～6.251.5～2.5藍綠色4955020～303.0～3.253.5～4.5

2 脈寬調制LED驅動電路仿真分析

1)搭建電路拓撲圖。由于在Multisim10的元件庫中沒有MAX16823仿真模型，因此完成8個步驟在元件庫中建立MAX16823新元件[8，9]，由于四種不同峰值波長的單色LED數量分別是12,18,50,88，并且根據MAX16823芯片工作電壓不超過40 V、單通道最大輸出電流為70 mA以及所采用的LED電參數等特性，故將LED的連接方式作如下處理：數量為12顆的作6串2并后接一個輸出通道、數量為18顆的作6串3并后接一個輸出通道、數量為88顆的作8串11并后接4個輸出通道、數量為50顆的作7串6并外加單串8顆接3個輸出通道。在此連接方式的情況下，在輸入電壓為25V的情況下采用3只MAX16823芯片即可驅動所有單色LED，并且可實現四種不同峰值波長的單色LED進行獨立調光，具體電路圖如3所示(在實際仿真中，由于器件數量較大，Multisim10無法仿真，因此將四種不同峰值波長的LED分開仿真，驗證結果方案可行)。

圖3 仿真電路總圖Fig.3 Simulation circuit diagram

2) PWM調光電路仿真分析。按照圖3搭建好電路圖[7,10,11]NE555與R1，R2，R3，D1，D2，C1，C2構成占空比可調脈沖震蕩電路，當電流經R1、R3上半部分、D1，流向C1時，給電容C1充電，記充電時間為T1，此時第3腳輸出為高電平，直至VC1大于2/3VCC時，電容C1開始放電，電流經D2、R2、R3下半部分流向第7腳，記放電時間為T2，此時第3腳輸出為低電平，直至VC1低于1/3VCC時，電容C1開始充電，第3腳輸出又為高電平，以此反復循環輸出高低電平。由此可知：

充電時間T1=0.7(R1+R3上)C1

(1)

放電時間T2=0.7(R2+R3下)C1

(2)

方波周期T=T1+T2=0.7(R1+R2+R3)C1=

7.14×10-4s

(3)

方波頻率f=1/T=1400 Hz

(4)

(5)

即我們調節R3變阻器就可以改變方波占空比。

3 實驗結果

圖4 四種不同峰值波長的單色LED分布圖Fig.4 Four different peak wavelength monochromatic LED distribution

圖5 LED燈板實物圖Fig.5 Actual picture of LED light board

2)調光電路測試。按照Multisim10的仿真電路制作出驅動電路板，如圖8所示，調節四個電位器，即可改變占空比。選取四種不同峰值波長的單色LED各一串，通過將萬用表串入MAX16823芯片輸出端，調節滑動變阻器，改變PWM信號占空比，同時采用UTD2062CE示波器監控PWM波形變化，測試流過單色LED燈串的實際電流，如表2所示。僅在一種峰值波長的單色LED發光情況下，利用SPIC200-B彩色照度計測試在距離光源中心55 cm處測量不同占空比下的光照度變化，如表3，以驗證調光電路的實際調光效果。在四種峰值波長的單色LED同時發光的情況下，利用SPIC200-B彩色照度計在距離光源中心55 cm處測量不同占空比下的光譜變化，具體占空比如表4所示，對應表4中光譜圖序號描繪成曲線圖，如圖6所示。

表2 不同占空比下LED的實際電流

表3 不同占空比下LED的光照度

表4 調節占空比測量LED的光譜

圖6 不同占空比下的LED光譜圖Fig.6 LED spectra at different duty cycles

由表2、表3中數據可知，隨著四路PWM信號占空比的增大，流經四種不通峰值波長單色LED的電流隨之增大，光照度也隨之增大，從而實現對四路不同峰值波長的單色LED獨立調光。根據表4和圖6可知，在四種峰值波長的單色LED同時發光的情況下，分別調節四通道單色LED的占空比， LED光源呈現的光譜有明顯的變化，波峰個數以及半高寬皆會隨著四路PWM占空比的變化而發生變化，從而實現對黃疸光療儀LED光源調節光譜，并且更接近于目標光譜。具體的黃疸光療儀LED光源光譜與體內膽紅素吸收光譜對比圖如圖7所示，經調光實驗知，當峰值波長為450、465、475、495 nm的燈珠串占空比都為80%或者分別為20%、80%、20%、20%時，黃疸光療儀LED光源光譜更接近與體內膽紅素吸收光譜，從而進一步增強降解膽紅素的效果。實物圖如圖8所示，實際效果圖如圖9所示。

圖7 黃疸光療儀LED光源光譜與體內膽紅素吸收光譜對比圖Fig.7 Comparison of LED light source spectrum and in vivo bilirubin absorption spectrum of Huanghua light therapy instrument

圖8 電路實物圖Fig.8 Actual circuit diagram

圖9 調光效果圖Fig.9 Dimming effect picture

4 結論

我們設計了一種能夠實現四路通道獨立控制的調光電路，實現了對黃疸治療儀LED光源光學參數的動態調節功能。電路采用了MAX16823芯片具有外圍元件少、電路簡單、三個獨立的DIM輸入等優點，并且采用NE555芯片作為四路PWM信號，實現0～99%范圍的調光。實驗結果證明：在距離光源中心55 cm處測量四種不同峰值波長的單色LED光照度調節范圍分別為：0～35 lx、0～61 lx、0～215 lx、0～337 lx，并且在四種峰值波長的單色LED同時發光的情況下，峰值波長變化范圍在20 nm左右，半高寬變化范圍在50 nm左右，使對黃疸光療儀LED光源光譜接近于目標光譜。在此調光電路下，黃疸光療儀LED光源調光效果良好，基本滿足光照度可調、光譜可調的目的。