详解大功率蓝光LED光源驱动电路设计方案

详解大功率蓝光详解大功率蓝光 LEDLED 光源驱动电路设计方案光源驱动电路设计方案 摘要 为了采集水下目标的图像信息 降低水下成像系统的成本 通过采用大功率蓝 光 led 代替传统的激光器做光源 结合 CCD 成像技术 调节光束的发散角来照射水下目标 场景 将目标全部或目标的关键特征部位照亮 实现对水下目标的成像 设计了基于 IRIS4011 构成的大功率蓝光 LED 的恒压恒流驱动电路 本驱动电路稳定可靠地控制 LED 在 额定功率下工作 通过水下成像实验 采集到了水下目标的信息 实验结果表明窄小的视 场范围内跟踪和接收目标信息 很大程度上减小了后向散射光对成像质量的影响 并提高 了系统的信噪比和作用距离 誉为 绿色照明 的半导体 LED 照明技术发展迅猛 LED 具有功耗低 使用寿命长 尺寸小 绿色环保等优点 通过对高强度蓝光 LED 的不断研发产生了好几代亮度越来越高 的器件 在 1990 年左右推出的基于碳化硅裸片材料的 LED 的效率大约是 0 04lm W 发出 的光强度很少有超过 15 mcd 的 20 世纪 90 年代中期出现了第一个基于 GaN 的实用 LED 现在还有许多公司在用不同的基底 如蓝宝石和碳化硅 生产 GaN LED 这些 LED 能够发出 绿色 蓝色或紫罗兰等颜色的光 高亮度蓝色 LED 的发明使真彩广告显示屏的实现成为可 能 这样的显示屏能够显示真彩 全运动的视频图像 随着技术的不断进步 目前能生产 功率高达 100 W 光通量可达 2 000 lm 大功率高亮度的蓝光 LED 因此它作为一种有着广 泛应用前景的技术 有必要对其做深入的研究 水下成像系统是建立在海水对蓝绿光 480 540 nm 低损耗窗口的基础上所建立的一种的水下成像系统 它不但能用于普通水中 而且能用于浑浊水中 甚至在漆黑的海底也能进行观察 本文主要是基于大功率蓝光 LED 水下成像系统的研究 大功率蓝光 LED 50 W 光源驱动电路是基于大功率蓝光 LED 的水 下成像系统的研究与分析的重要组成部分 1 基本原理和电路设计 对水下成像系统而言 光源的选择至关重要 光源的稳定性 均匀性 响应速度及其 光波波长范围是系统成像的关键 采用蓝光 LED 所发出光光经过水介质 目标反射 水介质 接收光学系统 最终在成像传感器 CCD ICCD 上成像 这就决定了 LED 必须工 作在快脉冲驱动方式下 目前市场上的驱动电路一般均丁作在慢脉冲驱动模式 s 量级 远不能满足我们的要求 因此 我们必须自己解决快脉冲驱动电路这一难题 尤其是实现 以 ns 量级的大功率快脉冲来驱动大功率的 LED 基于这种实验实际需求 我们研究开发了 此种快脉冲驱动电路 该电路的基本功能是产生低频 快速 大功率驱动电流脉冲信号 输出脉冲的频率与周期精确度高 稳定性好 脉冲信号宽度在 20 100 ns 内分 5 档可调 输出在 50 Hz 的基准频率下工作 脉冲信号通过驱动电路 输出一个快脉冲信号驱动输出 电流开关 产生一个大电流脉冲信号驱动一个大功率 LED 为了达到设计要求和目的 我 们采用晶振电路产生高精度频率 周期基准脉冲作为内置信号源 通过对基准脉冲进行多次 分频 产生所需频率的输出脉冲信号 这样可以获得频率稳定的脉冲信号 同时实现了频 率选择 经过分频后的脉冲信号再经过脉冲宽度成形电路实现脉宽调节 然后经过电流开 关电路 产生大电流脉冲 使 LED 发光 该驱动电路主要由以下几个部分组成 信号源 分频电路 频率选择 脉冲宽度电路 TTL 输出 驱动电路和电流开关电路 其框图如图 1 所示 图 1 电路结构原理框图 2 主要单元电路与原理 如前所述 该电路主要由信号源电路 分频电路 频率选择 脉冲宽度成形电路 驱 动电路 大功率电流开关等单元电路组成 内置的信号源产生的信号经过分频 脉宽成形 之后 送入驱动电路产生驱动信号 驱动大功率电流开关控制大功率蓝光 LED 光源电路工 作 同步的 TTL 输出信号可作为检测信号或其他电路的触发与驱动信号 2 1 信号源电路 用石英晶体与非对称式多谐振荡器的耦合电容串连起来 就可以组成石英晶体多谐振 荡器 该电路的振荡频率取决于石英晶体的固有频率 f0 与外接电阻参数无关 耦合电容 起到微调与补偿振荡频率的作用 我们采用固有频率 f0 为 10 MHz 的石英晶体构成内置信 号源 其输出脉冲的频率 周期精确度高 稳定性好 2 2 分频电路和脉冲成形电路 由晶振电路我们得到 10MHz 的脉冲信号 进行 5 次 10 分频和一次 2 分频就得到了我们 所需要的 50Hz 基准脉冲 所有的分频都是由 10 进制计数器 74HC390 来完成 成形电路采 用 DS1040 100 可编程脉冲信号成形器件 该集成电路有一个输入端 和两个极性相反的输 出端 频率选择电路将频率为 50 Hz 输出信号送入 DS1040 的输入端 输出脉冲信号的宽度 是由 DS1040 100 上的 3 个控制端 P0 P1 P2 来控制的 通过设置拨码开关选择 选择 20 40 60 80 100ns 等 5 种不同宽度的脉冲信号 成形信号稳定性好 满足水下成像 系统的需要 2 3 驱动电路 基于 IRIS4011 的电路由输入保护电路 EMI 抑制电路 输入整流滤波电路 直流变换 电路 输出滤波电路 辅助供电电路 二次恒压 恒流反馈电路组成 输入电压 85 264 VAC 输入频率 47 63 Hz 输出电压 5 24 VDC 输出电流 2 5 A 恒流精度 2 5 最大输出 功率 60 W 利用变压器的电感与瓷片电容实现准谐振工作模式 电路简单 可靠性高 准谐振控制模式 能提高电路的转换效率 降低 EMI 干扰 用放大器来实现恒压 恒流控 制 可以得到很高的控制精度 在输出电流比较大的电路中 必须用放大器控制形式才能 提高控制精度与提高电路转换效率 限于篇幅 把电路图分成 2 部分 具体的电路如图 2 所示 图 2 驱动电源电路 2 4 输出电流开关电路 通过成形电路的信号 控制大功率蓝光 LED 发光 驱动信号控制电流开关 电流开关 选用一种大功率高频三极管 为了满足 LED 驱动电流的需求 将 4 只三极管并联 使流过 LED 的脉冲电流最大达到 2 5 A 保证了 LED 在额定功率下工作 达到稳定光源的目的 在 输入驱动信号的作用下 三极管进入导通状态 LED 两端产生一定的压降 大电流流过 LED 使大功率蓝光 LED 发光 作为距离选通水下成像系统的光源 电路如图 3 所示 图 3 电流开关电路 3 结论 水下成像系统是基于大功率蓝光 LED 光源主动照明和 CCD 技术相结合 通过调节光束 的发散角来照射水下目标场景 将目标全部或目标的关键特征部位照亮 实现对水下目标 的成像 而大功率蓝光 LED 光源的驱动电路是成像系统关键技术之一 本文设计的大功率 蓝光 LED 光源驱动电路已通过测试 已经应用于成像系统的实验 通过对内置脉冲发生器 输出信号 LED 驱动电路信号的测试 表明光源驱动电路各项性能 达