賈志超，趙 麗，何 林

（天津職業(yè)技術師范大學天津市信息傳感與智能控制重點實驗室，天津 300222）

LED 因其優(yōu)良的特性在醫(yī)療領域展現(xiàn)出很好的應用價值，在心血管系統(tǒng)疾病光療研究中，紅光LED具有較好的效果[1]，可穿戴式光療設備是目前的研究重點之一。如何降低LED 溫升是光療設備研制中重點考慮的問題之一，LED 溫度過高將影響使用壽命，造成光衰，對人體皮膚也會造成損傷[2-3]。PWM 和模擬調光作為兩種典型調光方式，目前，對這兩種調光方式在LED 色溫和驅動電源設計影響方面研究較多，但缺乏對不同調光方式下LED 溫升影響差異的研究，PWM 調光時，輸入電流大于平均等效電流，僅靠改變信號占空比進行調光，可能會造成多余電流加劇溫升的結果[4]。針對以上問題，進行實驗對比，研究兩種調光模式下LED 溫升率的差異，通過同時改變輸入電流和PWM 信號占空比，即混合調光的方式，找到輸入電流和PWM 占空比最小的溫升組合。

1 LED調光與溫升

在LED 光療研究中，往往需要進行不同光照度的照射實驗，從而研究得到最佳治療效果的光照參數(shù)。目前，LED 調光方式主要分為模擬調光和PWM調光兩種。

1.1 模擬調光

模擬調光通過改變流過LED 的電流值對發(fā)光亮度進行調節(jié)，該調光方式可實現(xiàn)電流值的連續(xù)變化，使得LED 發(fā)光亮度連續(xù)變化，故也稱為線性調光。模擬調光電路較為簡單，可通過調節(jié)串聯(lián)電阻值或改變模擬輸入電壓值的方式實現(xiàn)。但模擬調光改變電流值，會使LED 發(fā)生色偏[5-6]。

1.2 PWM調光

PWM 調光通過脈沖寬度調制信號控制流過LED 電流的通斷，調節(jié)PWM 信號占空比，就可得到相應的等效平均電流。該模式下流過LED 的電流在峰值和零之間變化，PWM 調光模式可實現(xiàn)的調光比較高，LED 不存在色偏，驅動器的轉換效率高，但該調光模式需要配備PWM 發(fā)生裝置，增加驅動成本，信號頻率在200 Hz～20 kHz 時會引起噪聲[7]。

1.3 LED溫升分析

在理想狀態(tài)下，等效輸入電流一定時，PWM 調光和模擬調光在LED 發(fā)光與溫升方面是一致的。但LED 屬于PN 結光電器件，根據其發(fā)光原理，LED 接通正向電流時，電子和空穴復合不能完全產生光子，這部分泄露電流將產生熱量，另外，光子也無法完全射出芯片外部而累積產生大量熱量[8-10]，因此，LED溫升與輸入電流是密切相關的。

進入LED 的電能一部分用于發(fā)光，另一部分則轉化為熱能[11]，設LED 電功率為P，光功率為P0，轉化為熱能的功率為Pt，則三者關系可描述為:

光功率效率ζ可描述為:

同樣等效電流時，PWM 調光模式下流過LED 的電流要大于模擬調光模式，電流增大時，LED 發(fā)光效率會下降，溫升也會升高，相同電功率輸入時，PWM調光的電光轉換效率低于模擬調光模式，但PWM 調光時LED 通電時間小于模擬調光，故理論上難以推斷兩種調光模式下LED 溫升大小及快慢[12-14]。

2 實驗設備及測試方法

2.1 調光電路設計

基于BUCK 降壓結構，采用MT7201 降壓恒流驅動芯片，搭建PWM 調光電路，如圖1 所示。通過給引腳ADJ 輸入脈 沖信號對LED 進行PWM 調光，R為采樣電阻，改變采樣電阻阻值可改變流過LED 的電流：

在電源輸入端接入電容，與電阻串聯(lián)，可減少電源輸入對驅動芯片輸入端的沖擊[15-16]。BUCK 結構中電感值的選擇要考慮功率開關的導通、關斷時間等，可參考式（4）、式（5）：

式中，TON和TOFF分別為功率開關打開和關斷時間，均大于200 ns，VD為二極管壓降，VLED為LED 壓降，Iavg為LED 平均電流，RS為采樣電阻，RL為電感阻抗，RLX為功率開關導通電阻，ΔI為電感峰值電流，VIN為輸入電壓，L為電感值。輸出的最大電流應小于電感飽和電流[17]，該電路電感值為47 μH，滿足實驗要求。MT7201 芯片輸入電壓要求在6～50 V，該實驗均在輸入12 V 條件下進行。

圖1 LED PWM調光電路圖

2.2 實驗設備

使用SIGLENTSPD3303S 可編程直流電源對系統(tǒng)電路進行供電，該電源具有恒壓和恒流輸出兩個功能，因此，直接接LED 時可以通過改變恒流輸出值進行模擬調光。PWM 信號由UTG8162D 波形發(fā)生器產生，該設備可手動設定信號輸出的頻率、幅值、占空比等參數(shù)。

實驗采用心血管系統(tǒng)疾病光療研究中使用的波長620～625 nm、功率為3 W 的紅光LED，額定電流700 mA。通過VICTOR 溫度表DM6801A 檢測LED散熱片的溫度，RD-2000F 寬波段分光譜輻射計檢測LED 發(fā)光的輻照度。實驗在室溫29±1 ℃，無明顯風的條件下進行。

2.3 驅動電流選擇

輸入電流的增大，會加劇LED 溫升，進而降低LED 光效，造成光照的衰減。因此，LED 驅動電流要有合理的選擇，在滿足光照度的前提下，要盡可能選擇小電流來降低溫升。通過對10 個LED 在不同電流驅動下的輻照度進行測試，為醫(yī)用紅光LED 的電流選擇做出參考。測試結果如圖2 所示，驅動電流在100～400 mA 遞增時，LED 光輻照度逐漸增大，但增大的比例逐漸降低，當電流增至500 mA 以上時，光的輻照度不僅沒有增大反而降低，尤其在600 mA和700 mA 時輻照度發(fā)生大幅度下降，這是由于隨著電流增大，LED 溫升加劇，LED 光效降低，光衰增大。因此，后續(xù)實驗將在不超過500 mA 的等效電流下進行測試。

圖2 輻照度與電流的關系

3 結果與分析

3.1 不同調光頻率的溫升測試

PWM 調光時，通過LED 閃爍頻率的改變來調節(jié)亮度，為了使人眼觀察不到閃爍，PWM 信號頻率應大于100 Hz，一般采用200～1 000 Hz，通過實驗驗證不同頻率對LED 溫升是否有影響，結果如圖3 所示。相同平均等效電流下，不同頻率調光的LED 溫升無明顯差異，因此，在選擇PWM 調光頻率時不考慮其對溫升的影響，實驗中PWM 頻率均選擇200 Hz。

3.2 不同調光方式的溫升對比

圖3 調光頻率與LED溫升的關系

在PWM 調光模式下，對LED 輸入600 mA 恒電流，設定PWM 信號頻率為200 Hz，調節(jié)信號占空比為83.3%、66.7%、50%、33.3%、16.7%，使平均電流分別為500 mA、400 mA、300 mA、200 mA、100 mA。在模擬調光模式下，分別改變LED 輸入電流為500 mA、400 mA、300 mA、200 mA、100 mA。檢測不同平均電流下LED 的溫升變化，每隔1 min 記錄一次溫度，檢測10 min，結果如圖4 所示。

由圖4 可見，在500 mA 到100 mA 5 個不同平均電流下，PWM 模式時溫度依次上升大約34.6 ℃、28.3 ℃、20.7 ℃、14.6 ℃、7 ℃，模擬調光時溫度依次上升大約39.3 ℃、29.6 ℃、21 ℃、12.4 ℃、5.8 ℃，兩種調光方式的溫升差異基本在5 ℃以內，且500 mA 時溫升差異最大。從圖2 明顯可以看出，占空比大于50%時，模擬調光下LED 溫升高于PWM 調光，占空比小于50%時，結果相反。

溫升速率為溫升與達到該溫升值的時間比值，單位℃/min，LED 驅動系統(tǒng)往往有過溫保護功能，當LED 溫度過高時，為了保護受照射體表和LED 器件，需要關斷或調小電流來抑制溫升帶來的不良后果，LED 溫升率較低時，可以延長其使用時間而不至于過早對其啟用過溫保護。由圖4 可以看出，LED 溫度在通電5 min 后基本趨于穩(wěn)定，因此，計算前5 min 的平均溫升速率可近似代表LED 溫升速率。通過計算，在500 mA 到100 mA 5 個不同平均電流下，PWM 調光模式與模擬調光模式下LED 溫升速率如圖5 所示?？梢钥闯觯骄娏鳛?00 mA和500 mA，即占空比小于50%時，PWM 調光的溫升速率高于模擬調光；平均電流為100 mA 和200 mA，即占空比大于50%時，結果相反；平均電流為300 mA，即占空比等于50%時，兩種調光模式下LED 溫升速率差異微小。且平均電流為500 mA 時，兩種調光的溫升速率差異最大。

3.3 混合調光結果

圖4 兩種調光方式下LED溫升對比

混合調光方式，即通過同時改變LED 輸入電流和PWM 信號占空比的方式進行調光。LED 輸入平均電流從100～500 mA，步進為100 mA。由于電流較低時LED 溫升很小不易進行實驗比較，故平均電流最低選擇為100 mA，LED 輸入電流最小為200 mA，最大設置為600 mA，步進為100 mA。不同平均電流下，LED 輸入電流與PWM 信號占空比組合如表1 所示。

圖5 兩種調光方式下LED溫升速率對比

表1 LED輸入電流與PWM信號占空比組合

檢測不同占空比與輸入電流組合下LED 溫升情況，結果如圖6 所示。

由圖5 可見，LED 平均電流一定時，PWM 調光的信號占空比與LED 溫升并不成線性關系，對比可得5 種平均電流下，PWM 占空比與輸入電流最小溫升組合如表2 所示。

4 結論

該實驗通過對比PWM 調光和模擬調光下LED溫升，研究兩者對LED溫升的影響差異，針對混合調光方式，研究對比不同LED平均電流時，多種PWM 占空比和LED輸入電流組合下的LED溫升情況。實驗表明：

1）600 mA 電流輸入，PWM 占空比小于50%時，LED 溫升和溫升速率要高于同等等效電流的模擬調光，PWM 占空比大于50%時，結果相反；

2）LED 光的輻照度在一定范圍內隨電流的增大而增大，但電流過高造成的溫升過大會致使輻照度急劇衰減，出現(xiàn)電流增大輻照度降低的現(xiàn)象；

3）同一LED 平均輸入電流下，PWM 調光占空比與LED 溫升并不成線性關系，即并非占空比越大，溫升越小；

4）PWM 調光信號頻率對LED 溫升無顯著影響；

圖6 不同PWM占空比與輸入電流組合下LED溫升情況

5）在該實驗條件下，5 種平均電流的PWM 占空比與輸入電流最小LED 溫升組合可參考2。

LED 用于治療心血管系統(tǒng)疾病時，對光源波長有一定的要求，模擬調光時往往會在調光電阻上消耗較多電能，不僅加劇驅動系統(tǒng)發(fā)熱，增加功耗，電流的連續(xù)變化還會引起LED 主波長發(fā)生改變，引起色溫變化。此外，PWM 調光范圍更寬，精度更高，因此，PWM 調光模式相對模擬調光更適合醫(yī)用紅光LED 的調光，實驗研究得出模擬調光和PWM 調光對LED 溫升的影響差異，對穿戴式LED 光療設備研制中調光方式的選擇具有參考價值。由實驗可知，可降低溫升的PWM 占空比和LED 輸入電流的最優(yōu)組合，對LED 驅動電源系統(tǒng)的參數(shù)設計具有重要參考意義。在實際光療研究應用中，可對LED 進行PWM和模擬并行混合調光，選擇最優(yōu)的輸入電流與PWM調光占空比組合，并結合散熱設計來促進LED 溫升的降低，以達到延長LED 照射時間并保護受照射的皮膚不被燙傷，而且降低模擬調光所造成的色溫偏移程度。

表2 PWM調光占空比與輸入電流最小溫升組合