详解大功率蓝光LED光源驱动电路设计方案

 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（μs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：6