黃疸光療儀LED光源光學(xué)參數(shù)的動(dòng)態(tài)可調(diào)研究

陳中行，郭震寧，林介本，薛冬冬，李建鵬，張佳寧，黃學(xué)齡

(1.華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 360021；2.福建省光傳輸與變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 360021；3.泉州市世芯智能照明技術(shù)研究院有限公司，福建 泉州 362302)

引言

隨著LED照明技術(shù)的不斷成熟，在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，對(duì)LED的發(fā)光效果及穩(wěn)定性等都有進(jìn)一步的要求，故將調(diào)光功能應(yīng)用在LED驅(qū)動(dòng)器上是必然趨勢(shì)[1]。目前，常用的新生兒黃疸光療儀有熒光燈、鹵素?zé)?、藍(lán)光光纖毯及高強(qiáng)度LED燈，我們所采用的黃疸光療儀LED光源是根據(jù)LED的波段窄、易控制等特性，將體內(nèi)膽紅素的吸收光譜作為目標(biāo)光譜，匹配出黃疸光療儀LED光源的單色LED數(shù)量配比[2，3]。研究表明，當(dāng)光照度超過飽和點(diǎn)時(shí)，光療效果不再增加，目前光照強(qiáng)度的飽和點(diǎn)尚不明確[4]，由于光通量在一定范圍內(nèi)會(huì)隨著電流的增大而增大[5]，因此可通過調(diào)節(jié)電流的方式調(diào)節(jié)LED光源光照度，以測(cè)驗(yàn)黃疸光療儀LED光源光療效果的飽和點(diǎn)。同時(shí)，在測(cè)驗(yàn)黃疸光療儀降解膽紅素的效果時(shí)，用四種不同峰值波長的單色LED模擬產(chǎn)生的實(shí)際光譜功率分布和目標(biāo)光譜必然有所差別，而光譜會(huì)隨著電流的變化而變化，比如，電流增大時(shí)，峰值波長在460 nm的藍(lán)光LED光譜會(huì)先后發(fā)生藍(lán)移和紅移現(xiàn)象[6]，所以需要通過獨(dú)立調(diào)節(jié)四種不同峰值波長的單色LED電流，使LED光源實(shí)際產(chǎn)生的光譜功率分布與目標(biāo)光譜盡可能一致。針對(duì)以上情況本文主要設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)四通道控制的黃疸燈驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)四種不同峰值波長的單色LED燈進(jìn)行獨(dú)立脈寬調(diào)制調(diào)光。目前，PWM調(diào)光是主流調(diào)光方式，通過調(diào)節(jié)占空比來改變輸出電流，并且輸出電流狀態(tài)只有最大額定工作電流和零電流兩種狀態(tài)，可以保證LED色溫穩(wěn)定。此外，PWM調(diào)光相對(duì)于可控硅調(diào)光與模擬調(diào)光更具有：在高頻調(diào)光下不會(huì)出現(xiàn)頻閃、調(diào)光范圍寬廣、提高LED驅(qū)動(dòng)器效率等優(yōu)勢(shì)。

本研究設(shè)計(jì)一種可進(jìn)行四路通道獨(dú)立PWM調(diào)光的LED恒流驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)該驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并且詳細(xì)分析各個(gè)組成部分，最后做出電路板對(duì)該黃疸光療儀LED光源進(jìn)行PWM調(diào)光，在距離光源中心55 cm處測(cè)量光照度和光譜變化，驗(yàn)證該驅(qū)動(dòng)電路的調(diào)光效果。

1 調(diào)光電路設(shè)計(jì)

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(qū)動(dòng)器，其工作電壓在5.5～40 V的電壓范圍，每個(gè)通道可為一串或多串LED提供5至70 mA范圍內(nèi)的可調(diào)恒定輸出電流。該器件具有3個(gè)亮度調(diào)節(jié)輸入，可在0 Hz～3 MHz頻率范圍內(nèi)對(duì)每個(gè)通道獨(dú)立進(jìn)行PWM調(diào)光[7]。

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

2)方波信號(hào)發(fā)生器。本次研究中LED光源的光強(qiáng)是由四個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)控制的，PWM信號(hào)可用單片機(jī)產(chǎn)生，如STM32單片機(jī)、51單片機(jī)等，信號(hào)穩(wěn)定可靠但是需要編寫程序，在費(fèi)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(hào)，通過改變電容和電阻參數(shù)就可以改變PWM信號(hào)的周期和占空比，并且占空比的可調(diào)范圍可達(dá)0～99%寬范圍，應(yīng)用極其方便。本次研究采用四個(gè)NE555芯片輸出四路獨(dú)立的PWM信號(hào)，調(diào)整電容和電阻參數(shù)，使其輸出高達(dá)1.4 kHz的PWM信號(hào)，從而避免LED的頻閃現(xiàn)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(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力不斷加強(qiáng)，具體的采用的數(shù)量及光電參數(shù)如表1所示。

圖2 方波信號(hào)發(fā)生器Fig.2 Square wave signal generator

發(fā)光顏色峰值波長/nm數(shù)量/個(gè)正向電流/mA正向電壓/V反向電壓/V光通量/lm湖藍(lán)色4501220～303.0～3.251～1.5藍(lán)色4651820～303.0～3.253.5～4.5藍(lán)色4758820～303.0～6.251.5～2.5藍(lán)綠色4955020～303.0～3.253.5～4.5

2 脈寬調(diào)制LED驅(qū)動(dòng)電路仿真分析

1)搭建電路拓?fù)鋱D。由于在Multisim10的元件庫中沒有MAX16823仿真模型，因此完成8個(gè)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(shù)量分別是12,18,50,88，并且根據(jù)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(shù)等特性，故將LED的連接方式作如下處理：數(shù)量為12顆的作6串2并后接一個(gè)輸出通道、數(shù)量為18顆的作6串3并后接一個(gè)輸出通道、數(shù)量為88顆的作8串11并后接4個(gè)輸出通道、數(shù)量為50顆的作7串6并外加單串8顆接3個(gè)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(qū)動(dòng)所有單色LED，并且可實(shí)現(xiàn)四種不同峰值波長的單色LED進(jìn)行獨(dú)立調(diào)光，具體電路圖如3所示(在實(shí)際仿真中，由于器件數(shù)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(yàn)證結(jié)果方案可行)。

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

2) PWM調(diào)光電路仿真分析。按照?qǐng)D3搭建好電路圖[7,10,11]NE555與R1，R2，R3，D1，D2，C1，C2構(gòu)成占空比可調(diào)脈沖震蕩電路，當(dāng)電流經(jīng)R1、R3上半部分、D1，流向C1時(shí)，給電容C1充電，記充電時(shí)間為T1，此時(shí)第3腳輸出為高電平，直至VC1大于2/3VCC時(shí)，電容C1開始放電，電流經(jīng)D2、R2、R3下半部分流向第7腳，記放電時(shí)間為T2，此時(shí)第3腳輸出為低電平，直至VC1低于1/3VCC時(shí)，電容C1開始充電，第3腳輸出又為高電平，以此反復(fù)循環(huán)輸出高低電平。由此可知：

充電時(shí)間T1=0.7(R1+R3上)C1

(1)

放電時(shí)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(diào)節(jié)R3變阻器就可以改變方波占空比。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)物圖Fig.5 Actual picture of LED light board

2)調(diào)光電路測(cè)試。按照Multisim10的仿真電路制作出驅(qū)動(dòng)電路板，如圖8所示，調(diào)節(jié)四個(gè)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(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，改變PWM信號(hào)占空比，同時(shí)采用UTD2062CE示波器監(jiān)控PWM波形變化，測(cè)試流過單色LED燈串的實(shí)際電流，如表2所示。僅在一種峰值波長的單色LED發(fā)光情況下，利用SPIC200-B彩色照度計(jì)測(cè)試在距離光源中心55 cm處測(cè)量不同占空比下的光照度變化，如表3，以驗(yàn)證調(diào)光電路的實(shí)際調(diào)光效果。在四種峰值波長的單色LED同時(shí)發(fā)光的情況下，利用SPIC200-B彩色照度計(jì)在距離光源中心55 cm處測(cè)量不同占空比下的光譜變化，具體占空比如表4所示，對(duì)應(yīng)表4中光譜圖序號(hào)描繪成曲線圖，如圖6所示。

表2 不同占空比下LED的實(shí)際電流

表3 不同占空比下LED的光照度

表4 調(diào)節(jié)占空比測(cè)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(shù)據(jù)可知，隨著四路PWM信號(hào)占空比的增大，流經(jīng)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(shí)現(xiàn)對(duì)四路不同峰值波長的單色LED獨(dú)立調(diào)光。根據(jù)表4和圖6可知，在四種峰值波長的單色LED同時(shí)發(fā)光的情況下，分別調(diào)節(jié)四通道單色LED的占空比， LED光源呈現(xiàn)的光譜有明顯的變化，波峰個(gè)數(shù)以及半高寬皆會(huì)隨著四路PWM占空比的變化而發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)黃疸光療儀LED光源調(diào)節(jié)光譜，并且更接近于目標(biāo)光譜。具體的黃疸光療儀LED光源光譜與體內(nèi)膽紅素吸收光譜對(duì)比圖如圖7所示，經(jīng)調(diào)光實(shí)驗(yàn)知，當(dāng)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(shí)，黃疸光療儀LED光源光譜更接近與體內(nèi)膽紅素吸收光譜，從而進(jìn)一步增強(qiáng)降解膽紅素的效果。實(shí)物圖如圖8所示，實(shí)際效果圖如圖9所示。

圖7 黃疸光療儀LED光源光譜與體內(nèi)膽紅素吸收光譜對(duì)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(shí)物圖Fig.8 Actual circuit diagram

圖9 調(diào)光效果圖Fig.9 Dimming effect picture

4 結(jié)論

我們?cè)O(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)四路通道獨(dú)立控制的調(diào)光電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)黃疸治療儀LED光源光學(xué)參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功能。電路采用了MAX16823芯片具有外圍元件少、電路簡(jiǎn)單、三個(gè)獨(dú)立的DIM輸入等優(yōu)點(diǎn)，并且采用NE555芯片作為四路PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)0～99%范圍的調(diào)光。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：在距離光源中心55 cm處測(cè)量四種不同峰值波長的單色LED光照度調(diào)節(jié)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(shí)發(fā)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(duì)黃疸光療儀LED光源光譜接近于目標(biāo)光譜。在此調(diào)光電路下，黃疸光療儀LED光源調(diào)光效果良好，基本滿足光照度可調(diào)、光譜可調(diào)的目的。