大功率藍(lán)光LED光源的基本原理和電路設(shè)計(jì)

為了采集水下目標(biāo)的圖像信息，降低水下成像系統(tǒng)的成本，通過(guò)采用大功率藍(lán)光LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)的激光器做光源，結(jié)合CCD成像技術(shù)，調(diào)節(jié)光束的發(fā)散角來(lái)照射水下目標(biāo)場(chǎng)景，將目標(biāo)全部或目標(biāo)的關(guān)鍵特征部位照亮，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的成像。設(shè)計(jì)了基于IRIS4011構(gòu)成的大功率藍(lán)光LED的恒壓恒流驅(qū)動(dòng)電路。本驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)定可靠地控制LED在額定功率下工作，通過(guò)水下成像實(shí)驗(yàn)，采集到了水下目標(biāo)的信息，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明窄小的視場(chǎng)范圍內(nèi)跟蹤和接收目標(biāo)信息，很大程度上減小了后向散射光對(duì)成像質(zhì)量的影響，并提高了系統(tǒng)的信噪比和作用距離。

譽(yù)為“綠色照明”的半導(dǎo)體（LED）照明技術(shù)發(fā)展迅猛，LED具有功耗低、使用壽命長(zhǎng)、尺寸小、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)高強(qiáng)度藍(lán)光LED的不斷研發(fā)產(chǎn)生了好幾代亮度越來(lái)越高的器件，在1990年左右推出的基于碳化硅裸片材料的LED的效率大約是0．04lm／W，發(fā)出的光強(qiáng)度很少有超過(guò)15 mcd的。20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)了第一個(gè)基于GaN的實(shí)用LED?，F(xiàn)在還有許多公司在用不同的基底（如藍(lán)寶石和碳化硅）生產(chǎn)GaN LED，這些LED能夠發(fā)出綠色、藍(lán)色或紫羅蘭等顏色的光。高亮度藍(lán)色LED的發(fā)明使真彩廣告顯示屏的實(shí)現(xiàn)成為可能，這樣的顯示屏能夠顯示真彩、全運(yùn)動(dòng)的視頻圖像。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前能生產(chǎn)功率高達(dá)100 W，光通量可達(dá)2 000 lm大功率高亮度的藍(lán)光LED。因此它作為一種有著廣

泛應(yīng)用前景的技術(shù)，有必要對(duì)其做深入的研究。水下成像系統(tǒng)是建立在海水對(duì)藍(lán)綠光（480～540 nm）低損耗窗口的基礎(chǔ)上所建立的一種的水下成像系統(tǒng)。它不但能用于普通水中，而且能用于渾濁水中，甚至在漆黑的海底也能進(jìn)行觀察。本文主要是基于大功率藍(lán)光LED水下成像系統(tǒng)的研究。大功率藍(lán)光LED（≥50 W）光源驅(qū)動(dòng)電路是基于大功率蘭光LED的水下成像系統(tǒng)的研究與分析的重要組成部分。

1 基本原理和電路設(shè)計(jì)

對(duì)水下成像系統(tǒng)而言，光源的選擇至關(guān)重要，光源的穩(wěn)定性、均勻性、響應(yīng)速度及其光波波長(zhǎng)范圍是系統(tǒng)成像的關(guān)鍵。采用藍(lán)光LED所發(fā)出光光經(jīng)過(guò)水介質(zhì)——目標(biāo)反射——水介質(zhì)——接收光學(xué)系統(tǒng)，最終在成像傳感器（CCD，ICCD）上成像。這就決定了LED必須工作在快脈沖驅(qū)動(dòng)方式下，目前市場(chǎng)上的驅(qū)動(dòng)電路一般均丁作在慢脈沖驅(qū)動(dòng)模式（μs量級(jí)），遠(yuǎn)不能滿足我們的要求。因此，我們必須自己解決快脈沖驅(qū)動(dòng)電路這一難題，尤其是實(shí)現(xiàn)以ns量級(jí)的大功率快脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)大功率的LED。基于這種實(shí)驗(yàn)實(shí)際需求，我們研究開(kāi)發(fā)了此種快脈沖驅(qū)動(dòng)電路。該電路的基本功能是產(chǎn)生低頻、快速、大功率驅(qū)動(dòng)電流脈沖信號(hào)，輸出脈沖的頻率與周期精確度高，穩(wěn)定性好，脈沖信號(hào)寬度在20～100 ns內(nèi)分5檔可調(diào)，輸出在50 Hz的基準(zhǔn)頻率下工作。脈沖信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，輸出一個(gè)快脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出電流開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生一個(gè)大電流脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)一個(gè)大功率LED。為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求和目的，我們采用晶振電路產(chǎn)生高精度頻率／周期基準(zhǔn)脈沖作為內(nèi)置信號(hào)源，通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)脈沖進(jìn)行多次分頻，產(chǎn)生所需頻率的輸出脈沖信號(hào)，這樣可以獲得頻率穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了頻率選擇。經(jīng)過(guò)分頻后的脈沖信號(hào)再經(jīng)過(guò)脈沖寬度成形電路實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)節(jié)，然后經(jīng)過(guò)電流開(kāi)關(guān)電路，產(chǎn)生大電流脈沖，使LED發(fā)光。該驅(qū)動(dòng)電路主要由以下幾個(gè)部分組成：信號(hào)源、分頻電路、頻率選擇、脈沖寬度電路、TTL輸出、驅(qū)動(dòng)電路和電流開(kāi)關(guān)電路。其框圖如圖1所示。

圖1? 電路結(jié)構(gòu)原理框圖

2 主要單元電路與原理

如前所述，該電路主要由信號(hào)源電路、分頻電路、頻率選擇、脈沖寬度成形電路、驅(qū)動(dòng)電路、大功率電流開(kāi)關(guān)等單元電路組成。內(nèi)置的信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻、脈寬成形之后，送入驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)大功率電流開(kāi)關(guān)控制大功率藍(lán)光LED光源電路工作。同步的TTL輸出信號(hào)可作為檢測(cè)信號(hào)或其他電路的觸發(fā)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2．1 信號(hào)源電路

用石英晶體與非對(duì)稱式多諧振蕩器的耦合電容串連起來(lái)，就可以組成石英晶體多諧振蕩器，該電路的振蕩頻率取決于石英晶體的固有頻率f0，與外接電阻參數(shù)無(wú)關(guān)，耦合電容起到微調(diào)與補(bǔ)償振蕩頻率的作用。我們采用固有頻率f0為10 MHz的石英晶體構(gòu)成內(nèi)置信號(hào)源，其輸出脈沖的頻率／周期精確度高，穩(wěn)定性好。

2．2 分頻電路和脈沖成形電路

由晶振電路我們得到10MHz的脈沖信號(hào)，進(jìn)行5次10分頻和一次2分頻就得到了我們所需要的50Hz基準(zhǔn)脈沖。所有的分頻都是由10進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC390來(lái)完成。成形電路采用DS1040-100可編程脈沖信號(hào)成形器件，該集成電路有一個(gè)輸入端，和兩個(gè)極性相反的輸出端，頻率選擇電路將頻率為50 Hz輸出信號(hào)送入DS1040的輸入端，輸出脈沖信號(hào)的寬度是由DS1040-100上的3個(gè)控制端（P0、P1、P2）來(lái)控制的。通過(guò)設(shè)置撥碼開(kāi)關(guān)選擇，選擇20、40、60、80、100ns等5種不同寬度的脈沖信號(hào)，成形信號(hào)穩(wěn)定性好，滿足水下成像系統(tǒng)的需要。

2．3 驅(qū)動(dòng)電路

基于IRIS4011的電路由輸入保護(hù)電路，EMI抑制電路，輸入整流濾波電路，直流變換電路，輸出濾波電路，輔助供電電路，二次恒壓／恒流反饋電路組成。輸入電壓：85～264 VAC；輸入頻率47～63 Hz；輸出電壓5～24 VDC；輸出電流2．5 A；恒流精度±2．5％；最大輸出功率：60 W。利用變壓器的電感與瓷片電容實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)諧振工作模式，電路簡(jiǎn)單，可靠性高。準(zhǔn)諧振控制模式，能提高電路的轉(zhuǎn)換效率，降低EMI干擾。用放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流控制，可以得到很高的控制精度。在輸出電流比較大的電路中，必須用放大器控制形式才能提高控制精度與提高電路轉(zhuǎn)換效率。限于篇幅，把電路圖分成2部分，具體的電路如圖2所示。

2．4 輸出電流開(kāi)關(guān)電路

通過(guò)成形電路的信號(hào)，控制大功率藍(lán)光LED發(fā)光，驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制電流開(kāi)關(guān)。電流開(kāi)關(guān)選用一種大功率高頻三極管，為了滿足LED驅(qū)動(dòng)電流的需求，將4只三極管并聯(lián)，使流過(guò)LED的脈沖電流最大達(dá)到2．5 A，保證了LED在額定功率下工作，達(dá)到穩(wěn)定光源的目的。在輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下，三極管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，LED兩端產(chǎn)生一定的壓降，大電流流過(guò)LED，使大功率藍(lán)光LED發(fā)光，作為距離選通水下成像系統(tǒng)的光源，電路如圖3所示。

圖3 電流開(kāi)關(guān)電路

3 結(jié)論

水下成像系統(tǒng)是基于大功率藍(lán)光LED光源主動(dòng)照明和CCD技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)調(diào)節(jié)光束的發(fā)散角來(lái)照射水下目標(biāo)場(chǎng)景，將目標(biāo)全部或目標(biāo)的關(guān)鍵特征部位照亮，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的成像。而大功率藍(lán)光LED光源的驅(qū)動(dòng)電路是成像系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一。本文設(shè)計(jì)的大功率藍(lán)光LED光源驅(qū)動(dòng)電路已通過(guò)測(cè)試，已經(jīng)應(yīng)用于成像系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)內(nèi)置脈沖發(fā)生器輸出信號(hào)、LED驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的測(cè)試，表明光源驅(qū)動(dòng)電路各項(xiàng)性能

達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求：經(jīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證，電源驅(qū)動(dòng)電路工作穩(wěn)定，滿足水下成像系統(tǒng)對(duì)光源的要求。大功率藍(lán)光LED光源的驅(qū)動(dòng)電路在設(shè)計(jì)上采用晶振電路構(gòu)成內(nèi)置信號(hào)源，保證了所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的頻率精確度和穩(wěn)定度。頻率選擇通過(guò)面板的手動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)置，并聯(lián)使用大功率的高速三極管，解決了大功率藍(lán)光LED光源高速驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題。
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