HB-LED医用手术头灯控制系统的设计与实现

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 医用手术头灯常用于医院门诊、口腔科、耳鼻喉科、普外科、眼科、整形外科和血管外科等各种检查和手术的场合,具有携带方便,定向照明效果优良等优点,为精细手术、深部手术提供了极大方便。相比传统的氙气灯或者卤素灯,以高亮度LED(HB LED)为光源的医用头灯,具有体积小、耗电量低、使用寿命长、环保和坚固耐用等优点,迅速成为未来医用头灯发展的主流[1]。目前,国内外生产的手术头灯价格昂贵,每只价格大都在万元以上,而且控制电路功能单一,外型比较笨重,不宜于长时间佩戴使用,因此不适合大量配置和广泛普及。本文结合临床实际需求,设计了一款简单实用的以HB LED为光源的医用手术头灯控制电路,可实现LED亮度的调节、电池充电管理以及外部电源与电池间的自动切换等功能。

1 设计要求与方案

1.1 技术要求

根据临床使用要求,对于5 W LED手术头灯,应满足下列技术要求:(1)光源在200 mm工作距离处的物面照度为32 000 lx以上,光色温为5 500 K~6 000 K的日光品质,照明光斑和照明亮度均连续可调。为此,选择美国Cree公司的XLamp XP-G系列冷白光LED[2],当工作电流为1 500 mA时,可达到的最小光通量为417 lm以上,经计算可以满足设计要求;(2)供电模式。系统采用内、外两种供电模式:没有外部电源时采用自带的可充电池供电,电池充满时的连续工作时间不少于2 h;当有外部电源接入时立即切换到外部电源供电,且系统可以边使用边充电。

1.2 电路方案

根据上述要求,设计医用手术头灯控制电路方案如图1所示,主要由电源适配器、电源路径管理电路、充电管理电路、LED驱动电路、调光电路以及电池和HB-LED组成。其中电源路径管理电路负责外部电源和系统电池之间的切换,防止头灯边使用边充电时,负载电流对充电电路的干扰。充电管理电路负责可充电电池的充电管理,包括充电过压保护、过流保护、充电状态指示以及电池温度监测。驱动电路为LED提供恒定的驱动电流,调光电路以PWM方式实现对手术头灯亮度的连续调节。下面重点讨论充电管理电路和LED驱动电路的具体实现。


2 充电管理电路

目前,便携式可充电电池主要包括镍镉(Ni-Cd)电池、镍氢(Ni-MH)电池、锂离子(Li+)电池和锂聚合物电池(Li-polymer)。相比之下,锂离子电池具有高单体电池电压、高比能量、高功率密度、长循环寿命、无记忆效应、低自放电率、工作温度范围宽和环保等优点,占据了2008年便携式电池75%的市场份额[3],因此,本设计选择锂离子电池为系统备用供电电池。选用美国TI公司生产的BQ2057作为电池充电管理芯片。BQ2057充电分为三个阶段:电池预充阶段、快充恒流阶段和恒压终止阶段[4]。

基于BQ2057W的双节锂电池充电管理电路如图2所示。AC适配器ADAPTER的输出电压VI为9 V,略高于电池组充满时的规定电压8.4 V。R1为一高边接法的电流采样电阻,其值可由式(1)决定:

二极管D2和D3构成电源路径管理(PPM)电路[5-6],当外接电源时,适配器ADAPTER输出9 V电压一路通过BQ2057为电池供电,另一路通过D2输入D3的负端为负载系统供电,D3负端的电压为9-0.5=8.5 V。由于不论在充满还是非充满状态下,锂电池的电压(亦即D3正端电压)都低于D3负端电压8.5 V,所以D3是截止的,BQ2057正常对锂电池充电。若不接二极管D3,则由于负载电流的干扰,有可能出现充电时间过长、充电终止和预充电安全定时器误报警等问题。当不接适配器ADAPTER时,D3导通,系统由电池供电。这样,通过二极管D2和D3构成的“或”电路,就实现了外接电源与电池之间的切换,同时满足了系统边工作边充电的设计要求。

3 驱动电路

由参考文献[2]可知,XLamp XP-G系列冷白光LED允许的最大工作电流为1 500 mA,而且设计要求LED亮度连续可调,据此选择龙鼎微电子公司(Power Analog Microelectronics,Inc.,USA)的PAM2863作为LED的驱动芯片。PAM2863是一款连续模式电感型降压转换器,可驱动单个或者多个串联的LED。芯片输入电压范围在4.5 V~40 V,可提供外部可调的高达2 A的输出电流,输出功率可达30 W。

基于PAM2863的LED驱动电路如图3所示,J1为外接LED,VIN为芯片输入电源。外接电阻R3用来设定流经LED标称平均输出电流IOUTnom,其值可由式(3)决定:


4 实验结果

为了验证本文所设计电路的正确性,选用Cree 5 W LED和锂电池组(电池容量为4 400 mA,标称电压为7.4 V),实际制作了HB-LED手术头灯控制电路。实验前,先将锂离子电池剩余电量耗尽,然后利用所设计的电路对电池充电,结果如图4所示。电池充电的起始电压为6.35 V,实际恒流充电电流为820 mA,基本与设定值800 mA一致。从图4可以看出,随着充电过程的进行,电池组的端压不断上升,当电压上升到8.37 V时,BQ2057 W从快充恒流阶段过渡到恒压终止阶段,这一恒压充电门限8.37 V与设定值8.4 V存在30 mV的误差,这可能由于图2中二极管D4的压降过高致使BQ2057 W的供电电压过低引起。进入恒压充电阶段后,充电电流迅速下降,当充电电流逐渐减小到100 mA时,充电终止,图2所示D6发光二极管点亮。恒流充电时间约为5 h 20 min,恒压充电时间约为1 h 10 min,总充电时间约为6 h 30 min,考虑所选锂离子电池标称容量为4 400 mAh,这一时间基本符合理论预期。

实验结果表明,所研制的电路满足预期的设计要求,具备电源路径管理、电池充电管理和自动电源切换等功能,有很强的通用性,同时电路体积小,所使用的元器件少,成本低廉,非常适合于便携式电子产品的设计应用。

当然,如果在产品设计成本允许的情况下,可以选用更为先进的电池充电管理芯片(例如TI公司的BQ24032,凌力尔特公司的LTC4099和美信公司的MAX8671X等),这类芯片具有AC-DC适配器和USB双电源输入,内部集成了动态电源路径管理(DPPM)电路,可在满足系统供电的情况下为电池充电,亦可自动选择外部电源供电或电池供电,比本文所使用的二极管“或”电路具有更高的效率和可靠性。另外,从用户使用的角度考虑,电路可再增加电池电量监测模块,当电池电量不足时,提醒用户及时充电。

另外,通过本例设计发现,在使用PAM2863设计LED驱动电路时,需要特别注意以下几点:(1)连接在芯片Isense引脚的电流采样电阻R3(见图3)决定LED的最大平均电流,实际上任意时刻实际流经LED的电流值还与PAM2863输入电源VIN的大小有关。对于本例设计的驱动电路, 用可调直流稳压电源实验发现, 当固定占空比D不变时,调节VIN为6.4 V左右,流经LED平均电流达到最大;当VIN低于或者高于这一电压值时,LED平均电流均有所下降。这就说明驱动电路有一个最佳的工作电压,在这一电压下,电路的效率最高。不过PAM2863数据手册并未对此进行说明,设计者很可能忽略了这一点;(2)芯片第4引脚输入的PWM调光信号频率应该在100 Hz以上,否则LED会出现频闪现象。

尽管LED与传统的照明工具荧光灯、白炽灯相比有无可比拟的优点,但是LED不耐高温,大电流下LED的发热增大,光效反而下降,使用寿命也将大大缩短。因此在设计LED驱动电路时,尤其是在PCB设计时,应该充分考虑驱动芯片PAM2863和LED自身的散热问题[8],以提高光电转换的效率。

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