醫(yī)用手術(shù)頭燈常用于醫(yī)院門診、口腔科,、耳鼻喉科,、普外科、眼科,、整形外科和血管外科等各種檢查和手術(shù)的場合,，具有攜帶方便，定向照明效果優(yōu)良等優(yōu)點,，為精細(xì)手術(shù),、深部手術(shù)提供了極大方便。相比傳統(tǒng)的氙氣燈或者鹵素?zé)?，?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/高亮度LED" title="高亮度LED" target="_blank">高亮度LED（HB LED）為光源的醫(yī)用頭燈,，具有體積小、耗電量低,、使用壽命長,、環(huán)保和堅固耐用等優(yōu)點，迅速成為未來醫(yī)用頭燈發(fā)展的主流[1],。目前,，國內(nèi)外生產(chǎn)的手術(shù)頭燈價格昂貴,，每只價格大都在萬元以上,，而且控制電路功能單一，外型比較笨重,，不宜于長時間佩戴使用,，因此不適合大量配置和廣泛普及。本文結(jié)合臨床實際需求,，設(shè)計了一款簡單實用的以HB LED為光源的醫(yī)用手術(shù)頭燈控制電路,，可實現(xiàn)LED亮度的調(diào)節(jié),、電池充電管理以及外部電源與電池間的自動切換等功能。
1 設(shè)計要求與方案
1.1 技術(shù)要求
    根據(jù)臨床使用要求,，對于5 W LED手術(shù)頭燈,，應(yīng)滿足下列技術(shù)要求：(1)光源在200 mm工作距離處的物面照度為32 000 lx以上，光色溫為5 500 K～6 000 K的日光品質(zhì),，照明光斑和照明亮度均連續(xù)可調(diào),。為此，選擇美國Cree公司的XLamp XP-G系列冷白光LED[2],，當(dāng)工作電流為1 500 mA時,，可達(dá)到的最小光通量為417 lm以上，經(jīng)計算可以滿足設(shè)計要求,；(2)供電模式,。系統(tǒng)采用內(nèi)、外兩種供電模式：沒有外部電源時采用自帶的可充電池供電,，電池充滿時的連續(xù)工作時間不少于2 h,；當(dāng)有外部電源接入時立即切換到外部電源供電，且系統(tǒng)可以邊使用邊充電,。
1.2 電路方案
    根據(jù)上述要求,，設(shè)計醫(yī)用手術(shù)頭燈控制電路方案如圖1所示，主要由電源適配器,、電源路徑管理電路,、充電管理電路、LED驅(qū)動電路,、調(diào)光電路以及電池和HB-LED組成,。其中電源路徑管理電路負(fù)責(zé)外部電源和系統(tǒng)電池之間的切換，防止頭燈邊使用邊充電時,，負(fù)載電流對充電電路的干擾,。充電管理電路負(fù)責(zé)可充電電池的充電管理，包括充電過壓保護(hù),、過流保護(hù),、充電狀態(tài)指示以及電池溫度監(jiān)測。驅(qū)動電路為LED提供恒定的驅(qū)動電流,，調(diào)光電路以PWM方式實現(xiàn)對手術(shù)頭燈亮度的連續(xù)調(diào)節(jié),。下面重點討論充電管理電路和LED驅(qū)動電路的具體實現(xiàn)。

2 充電管理電路
    目前,，便攜式可充電電池主要包括鎳鎘(Ni-Cd)電池,、鎳氫(Ni-MH)電池、鋰離子(Li+)電池和鋰聚合物電池（Li-polymer）,。相比之下,，鋰離子電池具有高單體電池電壓,、高比能量、高功率密度,、長循環(huán)壽命,、無記憶效應(yīng)、低自放電率,、工作溫度范圍寬和環(huán)保等優(yōu)點,，占據(jù)了2008年便攜式電池75%的市場份額[3]，因此,，本設(shè)計選擇鋰離子電池為系統(tǒng)備用供電電池,。選用美國TI公司生產(chǎn)的BQ2057作為電池充電管理芯片。BQ2057充電分為三個階段：電池預(yù)充階段,、快充恒流階段和恒壓終止階段[4],。
    基于BQ2057W的雙節(jié)鋰電池充電管理電路如圖2所示。AC適配器ADAPTER的輸出電壓VI為9 V,，略高于電池組充滿時的規(guī)定電壓8.4 V,。R1為一高邊接法的電流采樣電阻，其值可由式（1）決定：

  
    二極管D2和D3構(gòu)成電源路徑管理（PPM）電路[5-6],，當(dāng)外接電源時,，適配器ADAPTER輸出9 V電壓一路通過BQ2057為電池供電，另一路通過D2輸入D3的負(fù)端為負(fù)載系統(tǒng)供電,，D3負(fù)端的電壓為9－0.5＝8.5 V,。由于不論在充滿還是非充滿狀態(tài)下，鋰電池的電壓(亦即D3正端電壓)都低于D3負(fù)端電壓8.5 V,，所以D3是截止的,，BQ2057正常對鋰電池充電。若不接二極管D3,，則由于負(fù)載電流的干擾,，有可能出現(xiàn)充電時間過長、充電終止和預(yù)充電安全定時器誤報警等問題,。當(dāng)不接適配器ADAPTER時,，D3導(dǎo)通，系統(tǒng)由電池供電,。這樣,，通過二極管D2和D3構(gòu)成的“或”電路，就實現(xiàn)了外接電源與電池之間的切換,，同時滿足了系統(tǒng)邊工作邊充電的設(shè)計要求,。
3 驅(qū)動電路
    由參考文獻(xiàn)[2]可知，XLamp XP-G系列冷白光LED允許的最大工作電流為1 500 mA,，而且設(shè)計要求LED亮度連續(xù)可調(diào),，據(jù)此選擇龍鼎微電子公司(Power Analog Microelectronics，Inc.,，USA)的PAM2863作為LED的驅(qū)動芯片,。PAM2863是一款連續(xù)模式電感型降壓轉(zhuǎn)換器，可驅(qū)動單個或者多個串聯(lián)的LED,。芯片輸入電壓范圍在4.5 V～40 V,，可提供外部可調(diào)的高達(dá)2 A的輸出電流，輸出功率可達(dá)30 W,。
    基于PAM2863的LED驅(qū)動電路如圖3所示,，J1為外接LED，VIN為芯片輸入電源,。外接電阻R3用來設(shè)定流經(jīng)LED標(biāo)稱平均輸出電流IOUTnom,，其值可由式(3)決定：
  

4 實驗結(jié)果
    為了驗證本文所設(shè)計電路的正確性，選用Cree 5 W LED和鋰電池組(電池容量為4 400 mA,，標(biāo)稱電壓為7.4 V),，實際制作了HB-LED手術(shù)頭燈控制電路。實驗前,，先將鋰離子電池剩余電量耗盡,，然后利用所設(shè)計的電路對電池充電，結(jié)果如圖4所示,。電池充電的起始電壓為6.35 V,，實際恒流充電電流為820 mA，基本與設(shè)定值800 mA一致,。從圖4可以看出,，隨著充電過程的進(jìn)行，電池組的端壓不斷上升,，當(dāng)電壓上升到8.37 V時,，BQ2057 W從快充恒流階段過渡到恒壓終止階段，這一恒壓充電門限8.37 V與設(shè)定值8.4 V存在30 mV的誤差,，這可能由于圖2中二極管D4的壓降過高致使BQ2057 W的供電電壓過低引起,。進(jìn)入恒壓充電階段后，充電電流迅速下降,，當(dāng)充電電流逐漸減小到100 mA時,，充電終止，圖2所示D6發(fā)光二極管點亮,。恒流充電時間約為5 h 20 min,，恒壓充電時間約為1 h 10 min，總充電時間約為6 h 30 min,，考慮所選鋰離子電池標(biāo)稱容量為4 400 mAh,，這一時間基本符合理論預(yù)期,。

    實驗結(jié)果表明，所研制的電路滿足預(yù)期的設(shè)計要求,，具備電源路徑管理,、電池充電管理和自動電源切換等功能，有很強(qiáng)的通用性,，同時電路體積小,，所使用的元器件少，成本低廉,，非常適合于便攜式電子產(chǎn)品的設(shè)計應(yīng)用,。
    當(dāng)然，如果在產(chǎn)品設(shè)計成本允許的情況下,，可以選用更為先進(jìn)的電池充電管理芯片(例如TI公司的BQ24032,，凌力爾特公司的LTC4099和美信公司的MAX8671X等)，這類芯片具有AC-DC適配器和USB雙電源輸入,，內(nèi)部集成了動態(tài)電源路徑管理（DPPM）電路,，可在滿足系統(tǒng)供電的情況下為電池充電，亦可自動選擇外部電源供電或電池供電,，比本文所使用的二極管“或”電路具有更高的效率和可靠性,。另外，從用戶使用的角度考慮,，電路可再增加電池電量監(jiān)測模塊,，當(dāng)電池電量不足時，提醒用戶及時充電,。
    另外,，通過本例設(shè)計發(fā)現(xiàn)，在使用PAM2863設(shè)計LED驅(qū)動電路時,，需要特別注意以下幾點：(1)連接在芯片Isense引腳的電流采樣電阻R3（見圖3）決定LED的最大平均電流,，實際上任意時刻實際流經(jīng)LED的電流值還與PAM2863輸入電源VIN的大小有關(guān),。對于本例設(shè)計的驅(qū)動電路,， 用可調(diào)直流穩(wěn)壓電源實驗發(fā)現(xiàn),， 當(dāng)固定占空比D不變時，調(diào)節(jié)VIN為6.4 V左右,，流經(jīng)LED平均電流達(dá)到最大,；當(dāng)VIN低于或者高于這一電壓值時，LED平均電流均有所下降,。這就說明驅(qū)動電路有一個最佳的工作電壓,，在這一電壓下，電路的效率最高。不過PAM2863數(shù)據(jù)手冊并未對此進(jìn)行說明,，設(shè)計者很可能忽略了這一點,；(2)芯片第4引腳輸入的PWM調(diào)光信號頻率應(yīng)該在100 Hz以上，否則LED會出現(xiàn)頻閃現(xiàn)象,。
    盡管LED與傳統(tǒng)的照明工具熒光燈,、白熾燈相比有無可比擬的優(yōu)點,，但是LED不耐高溫,，大電流下LED的發(fā)熱增大，光效反而下降,，使用壽命也將大大縮短,。因此在設(shè)計LED驅(qū)動電路時，尤其是在PCB設(shè)計時,，應(yīng)該充分考慮驅(qū)動芯片PAM2863和LED自身的散熱問題[8],，以提高光電轉(zhuǎn)換的效率。
參考文獻(xiàn)
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