一种基于LM3402的新型LED无影灯控制系统设计方案

　　无影灯是用来照明外科手术部位不可缺少的重要设备，要求能以最佳地观察处于切口和体腔中不同深度、大小、对比度低的物体。因此，除需要“无影”以外，还需要光照度均匀、光质好，能够很好地区分血液与人体其他组织、脏器的色差。此外，无影灯还须能长时间地持续工作，而不散发出过量的热，因为过热会使手术者不适，也会使处在外科手术区域中的组织干燥[1]。

　　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(35 000 h)，远大于环形节能灯(1 500~2 500 h)，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。

　　1 系统结构

　　1.1 总体结构

　　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。

　　LED手术无影灯由多个灯头组成，成花瓣状，固定在平衡臂悬挂系统上，定位稳定，能做垂直或循环移动，可满足手术中不同高度和角度的需求。整个无影灯有 144个高亮度白色LED，8个串联成一组，即称为高亮度发光二极管串HBLEDs(High Brightness Lighting Emitting Diode)，以18组并联而成。每组相互独立，若有一组损坏，其他照样能够继续工作，所以对手术的影响较小。每组由一个LM3402单独进行恒流驱动，并根据用户需要，接受一个微处理器(CMU)P89LPC932的PWM脉宽调节控制，可无级调节，流过每个LED的电流约为120~320 mA。LED无影灯电气原理图如图1所示。

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　　1.2 操作面板

　　操作面板上有4个按钮(环境照明、关闭、调亮和调暗按钮)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。

　　1.3 驱动板

　　驱动板是整个无影灯控制器的核心，主要由一个MCU P89LPC932和18路LM2402恒流稳压电路组成，还包含RS485通信电路。

　　P89LPC932是由飞利浦公司生产的低功耗的MCU，电源电压3.3 V，可低功耗运行，适合于许多要求高集成度、低成本的场合，可以满足多方面的性能要求。P89LPC932采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需 2~4个时钟周期，6倍于标准80C51器件。此外，P89LPC932还集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目、电路板面积以及系统的成本，内部有2个定时器，可作为一个具有256个定时器时钟周期的PWM发生器使用[3]。

　　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6 V~42 V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75 V。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300 kΩ。经检测，恒流标称值为250 mA时(RSNS=0.8 Ω)，电流波动在±20 mA以内，完全能够满足手术光感要求[4]。