用于高功率機器視覺閃光燈的LED驅(qū)動器

作者：Keith Szolusha和Kyle Lawrence

機器視覺系統(tǒng)使用非常短的強光閃爍來產(chǎn)生用于各種數(shù)據(jù)處理應(yīng)用的高速圖像。例如，快速移動的傳送帶通過機器視覺系統(tǒng)進行快速標(biāo)簽和缺陷檢測。紅外和激光LED閃光燈常用于近程和運動檢測機器視覺。安全系統(tǒng)發(fā)出高速、難以察覺的LED閃光燈來檢測運動，捕獲和存儲安全影像。

所有這些系統(tǒng)都存在的一個挑戰(zhàn)，即產(chǎn)生非常高的電流和短時間（微秒）LED相機閃光波形，這些波形可能散開在較長時間內(nèi)，例如100 ms到1 s以上。產(chǎn)生間隔較長時間的短時LED閃光方波并非易事。當(dāng)LED（或LED串）的驅(qū)動電流上升到1 A以上，并且LED開啟時間縮短到幾微秒時，挑戰(zhàn)難度進一步加大。許多具有高速PWM能力的LED驅(qū)動器可能無法有效處理較長關(guān)斷時間和短時間的高電流，而又不降低適當(dāng)處理高速圖像所需的方波質(zhì)量。

專有LED閃光燈

幸運的是，LT3932高速LED驅(qū)動器可為高達2 A的LED串提供機器視覺相機閃光燈，關(guān)斷時間可以長達1秒、1小時、1天或更長時間。LT3932的特殊相機閃光燈功能允許其保持輸出電容和控制環(huán)路充電狀態(tài)，哪怕是在長關(guān)斷時間內(nèi)。對輸出和控制環(huán)路電容的狀態(tài)進行采樣后，LT3932繼續(xù)在長關(guān)斷期間對這些元件進行涓流充電，以補償通常都會有的漏電流，而這是其他LED驅(qū)動器未予考慮的。

LT3932的專有閃光技術(shù)可以擴展，驅(qū)動器可以并聯(lián)以提供更高的LED閃光電流。所需的閃光形狀和完整性保持不變。圖1顯示了并聯(lián)兩個驅(qū)動器以支持3 A相機閃光燈是多么容易，高達4 A的設(shè)計也是可行的。

機器視覺系統(tǒng)的LED閃光燈要求遠遠高于標(biāo)準(zhǔn)PWM調(diào)光驅(qū)動器所能達到的要求。也就是說，大多數(shù)高端LED驅(qū)動器設(shè)計用于在至少100 Hz的PWM頻率下提供PWM調(diào)光亮度控制。這是因為，若頻率較低，哪怕LED波形是方形且可重復(fù)的，人眼看到的也是令人討厭的閃爍或頻閃。在100 Hz時，理論最大關(guān)斷時間約為10 ms。在10 ms關(guān)斷時間內(nèi)，如果設(shè)計正確，LED驅(qū)動器會損失極少輸出電容電荷，使其在大約相同的狀態(tài)下啟動控制環(huán)路，從而結(jié)束最后一個PWM導(dǎo)通脈沖。電感電流和下一個LED PWM導(dǎo)通脈沖的快速響應(yīng)和斜坡上升可以很快且可重復(fù)，并且啟動時間極短。較長關(guān)斷時間（頻率低于100 Hz時）可能會導(dǎo)致輸出電容因漏電而損失電荷，從而使LED重新開啟時無法快速響應(yīng)。

并聯(lián)LED驅(qū)動器以提供更高電流

LED驅(qū)動器充當(dāng)電流源，調(diào)節(jié)通過發(fā)光二極管發(fā)出的電流。電流僅沿單一方向流向輸出，因此可將多個LED驅(qū)動器并聯(lián)起來，其電流匯總后通過負載。電流源不需要防范電流通過一個轉(zhuǎn)換器反向流動，也無需擔(dān)心輸出不匹配。另一方面，電壓調(diào)節(jié)器本身并不擅長均流。如果它們都試圖將輸出電壓調(diào)節(jié)到某一點，并且其反饋網(wǎng)絡(luò)存在細微差異，則調(diào)節(jié)器可能會吸收反向電流。

LED驅(qū)動器會保持其輸出電流不變，無論其他驅(qū)動器是否提供額外電流并匯總在輸出負載上。這使得并聯(lián)LED驅(qū)動器非常簡單。例如，圖1所示兩個并聯(lián)LT3932 LED驅(qū)動器構(gòu)成的LED閃光燈系統(tǒng)能以3 A高效驅(qū)動4個LED，10μs短脈在機器視覺系統(tǒng)所定義的較長期間內(nèi)沖散開來。在PWM導(dǎo)通時間內(nèi)，每個LT3932轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生總串電流的一半；在PWM關(guān)斷時間內(nèi)，轉(zhuǎn)換器關(guān)閉并保存其輸出狀態(tài)。關(guān)斷時間可短可長，對閃光波形的重復(fù)性沒有影響。

圖1.相對于標(biāo)準(zhǔn)PWM調(diào)光頻率，并聯(lián)LT3932 1.5 A LED驅(qū)動器產(chǎn)生具有長關(guān)斷時間的3 A機器視覺LED脈沖。

圖2.無論PWM關(guān)斷時間是多少，圖1所示并聯(lián)LED驅(qū)動器的3 A相機閃光波形看起來相同。波形顯示，（a） 10 ms之后和（b） 1 s之后的10μs脈沖是相同的。經(jīng)過一天或更長的PWM關(guān)斷時間之后，LT3932 LED閃光波形看起來也相同。

在長關(guān)斷期間，并聯(lián)相機閃光燈應(yīng)用幾乎與單個轉(zhuǎn)換器一樣簡單。轉(zhuǎn)換器觀察最后一個PWM導(dǎo)通脈沖結(jié)束時的共享輸出電壓，讓輸出電容充電至該狀態(tài)并保持，即使在長關(guān)斷時間內(nèi)也如此。每個轉(zhuǎn)換器將其PWM MOSFET與共享負載斷開連接，并向其輸出電容供應(yīng)電流以補償泄漏的能量，使該電容充電至接近最后電壓狀態(tài)并保持。這些電容在長關(guān)斷時間內(nèi)發(fā)生的任何泄漏都可以通過少量維持電流來補償。當(dāng)下一個PWM導(dǎo)通脈沖開始時，每個轉(zhuǎn)換器的PWM MOSFET導(dǎo)通，輸出電容以與最后一個脈沖大致相同的狀態(tài)啟動，無論是經(jīng)過了10 ms還是一整天。

圖2（a）和2（b）顯示了LT3932并聯(lián)LED驅(qū)動器以3 A驅(qū)動4個LED，機器視覺相機脈沖為10μs。無論是10 ms PWM關(guān)斷時間（100 Hz）還是1 s PWM關(guān)斷時間（1 Hz），LED脈沖都很陡峭且快速，這對于機器視覺系統(tǒng)是非常理想的。

實現(xiàn)更高電流亦可行

并聯(lián)LED驅(qū)動器不限于兩個轉(zhuǎn)換器。三個或更多轉(zhuǎn)換器也可以并聯(lián)在一起，產(chǎn)生具有陡沿的更高電流波形。該系統(tǒng)沒有主器件或從器件，因此所有轉(zhuǎn)換器都提供相同量的電流并平均分擔(dān)負載。建議所有并聯(lián)LED驅(qū)動器轉(zhuǎn)換器共享相同的同步時鐘并保持同相。這樣可確保所有轉(zhuǎn)換器的輸出電容紋波具有大致相同的相位，故而紋波電流不會反向流動或在不同轉(zhuǎn)換器之間流動。PWM脈沖波形與2 MHz同步時鐘保持同相很重要。這樣可確保LED閃光波形保持方形且無抖動，從而產(chǎn)生最佳圖像處理結(jié)果。

LT3932演示電路（DC2286A）設(shè)計為通過一個或兩個LED（作為降壓LED驅(qū)動器）驅(qū)動1 A的LED電流。如圖1所示，它很容易進行更改和并聯(lián)，以實現(xiàn)更高電流、更高電壓或并聯(lián)運行。圖4顯示了如何將兩個這樣的電路輕松連接在一起，從24 V輸入以10μs、3 A脈沖驅(qū)動4個LED。出于測試目的，脈沖發(fā)生器可用于提供同步時鐘信號，如圖4所示。在量產(chǎn)機器視覺系統(tǒng)中，可利用時鐘芯片生成同步時鐘信號和PWM脈沖。如需更高電流脈沖，可使用相同的并聯(lián)方案添加更多演示電路DC2286A轉(zhuǎn)換器。

圖3.工業(yè)傳送帶上的機器視覺例子。檢測系統(tǒng)以多種不同速度移動，但閃光技術(shù)必須快速而清晰。

圖4.兩個DC2286A LT3932演示電路可輕松并聯(lián)，以創(chuàng)建圖1所示的3 A至4 A機器視覺LED閃光燈應(yīng)用。

結(jié)語

機器視覺系統(tǒng)可以使用并聯(lián)LED驅(qū)動器來創(chuàng)建自動圖像處理所需的快速、方形、高電流波形。通過并聯(lián)轉(zhuǎn)換器，LT3932 LED驅(qū)動器的專有相機閃光燈技術(shù)可以擴展到更高的電流。采用并聯(lián)LT3932轉(zhuǎn)換器，即使關(guān)斷時間較長，也可以實現(xiàn)3 A和更高的微秒級脈沖。無論LED閃光之間的關(guān)斷時間有多長，LED相機閃光波形都能保持方形且無抖動。

作者：

Keith Szolusha

Keith Szolusha ［keith.szolusha@analog.com］是ADI公司（之前為凌力爾特公司）的LED驅(qū)動器應(yīng)用經(jīng)理，工作地點在美國加利福尼亞州米爾皮塔斯。他畢業(yè)于馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院（MIT），1997年獲電氣工程學(xué)士學(xué)位，1998年獲電氣工程碩士學(xué)位，專攻技術(shù)寫作。

Kyle Lawrence

Kyle Lawrence ［kyle.lawrence@analog.com］是ADI公司的副應(yīng)用工程師。他負責(zé)設(shè)計和測試各種DC-DC轉(zhuǎn)換器，包括針對低EMI汽車應(yīng)用的4開關(guān)升降壓穩(wěn)壓器和LED驅(qū)動器。他2014年畢業(yè)于加州大學(xué)圣克魯茲分校，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位。