醫(yī)用手術(shù)頭燈常用于醫(yī)院門診、口腔科、耳鼻喉科、普外科、眼科、整形外科和血管外科等各種檢查和手術(shù)的場(chǎng)合，具有攜帶方便，定向照明效果優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，為精細(xì)手術(shù)、深部手術(shù)提供了極大方便。相比傳統(tǒng)的氙氣燈或者鹵素?zé)簦?a class="innerlink" href="http://www.shi-ke.cn/tags/高亮度LED" title="高亮度LED" target="_blank">高亮度LED（HB LED）為光源的醫(yī)用頭燈，具有體積小、耗電量低、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)保和堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)，迅速成為未來醫(yī)用頭燈發(fā)展的主流[1]。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的手術(shù)頭燈價(jià)格昂貴，每只價(jià)格大都在萬元以上，而且控制電路功能單一，外型比較笨重，不宜于長(zhǎng)時(shí)間佩戴使用，因此不適合大量配置和廣泛普及。本文結(jié)合臨床實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)單實(shí)用的以HB LED為光源的醫(yī)用手術(shù)頭燈控制電路，可實(shí)現(xiàn)LED亮度的調(diào)節(jié)、電池充電管理以及外部電源與電池間的自動(dòng)切換等功能。
1 設(shè)計(jì)要求與方案
1.1 技術(shù)要求
    根據(jù)臨床使用要求，對(duì)于5 W LED手術(shù)頭燈，應(yīng)滿足下列技術(shù)要求：(1)光源在200 mm工作距離處的物面照度為32 000 lx以上，光色溫為5 500 K～6 000 K的日光品質(zhì)，照明光斑和照明亮度均連續(xù)可調(diào)。為此，選擇美國Cree公司的XLamp XP-G系列冷白光LED[2]，當(dāng)工作電流為1 500 mA時(shí)，可達(dá)到的最小光通量為417 lm以上，經(jīng)計(jì)算可以滿足設(shè)計(jì)要求；(2)供電模式。系統(tǒng)采用內(nèi)、外兩種供電模式：沒有外部電源時(shí)采用自帶的可充電池供電，電池充滿時(shí)的連續(xù)工作時(shí)間不少于2 h；當(dāng)有外部電源接入時(shí)立即切換到外部電源供電，且系統(tǒng)可以邊使用邊充電。
1.2 電路方案
    根據(jù)上述要求，設(shè)計(jì)醫(yī)用手術(shù)頭燈控制電路方案如圖1所示，主要由電源適配器、電源路徑管理電路、充電管理電路、LED驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)光電路以及電池和HB-LED組成。其中電源路徑管理電路負(fù)責(zé)外部電源和系統(tǒng)電池之間的切換，防止頭燈邊使用邊充電時(shí)，負(fù)載電流對(duì)充電電路的干擾。充電管理電路負(fù)責(zé)可充電電池的充電管理，包括充電過壓保護(hù)、過流保護(hù)、充電狀態(tài)指示以及電池溫度監(jiān)測(cè)。驅(qū)動(dòng)電路為L(zhǎng)ED提供恒定的驅(qū)動(dòng)電流，調(diào)光電路以PWM方式實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)頭燈亮度的連續(xù)調(diào)節(jié)。下面重點(diǎn)討論充電管理電路和LED驅(qū)動(dòng)電路的具體實(shí)現(xiàn)。

2 充電管理電路
    目前，便攜式可充電電池主要包括鎳鎘(Ni-Cd)電池、鎳氫(Ni-MH)電池、鋰離子(Li+)電池和鋰聚合物電池（Li-polymer）。相比之下，鋰離子電池具有高單體電池電壓、高比能量、高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、無記憶效應(yīng)、低自放電率、工作溫度范圍寬和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，占據(jù)了2008年便攜式電池75%的市場(chǎng)份額[3]，因此，本設(shè)計(jì)選擇鋰離子電池為系統(tǒng)備用供電電池。選用美國TI公司生產(chǎn)的BQ2057作為電池充電管理芯片。BQ2057充電分為三個(gè)階段：電池預(yù)充階段、快充恒流階段和恒壓終止階段[4]。
    基于BQ2057W的雙節(jié)鋰電池充電管理電路如圖2所示。AC適配器ADAPTER的輸出電壓VI為9 V，略高于電池組充滿時(shí)的規(guī)定電壓8.4 V。R1為一高邊接法的電流采樣電阻，其值可由式（1）決定：

  
    二極管D2和D3構(gòu)成電源路徑管理（PPM）電路[5-6]，當(dāng)外接電源時(shí)，適配器ADAPTER輸出9 V電壓一路通過BQ2057為電池供電，另一路通過D2輸入D3的負(fù)端為負(fù)載系統(tǒng)供電，D3負(fù)端的電壓為9－0.5＝8.5 V。由于不論在充滿還是非充滿狀態(tài)下，鋰電池的電壓(亦即D3正端電壓)都低于D3負(fù)端電壓8.5 V，所以D3是截止的，BQ2057正常對(duì)鋰電池充電。若不接二極管D3，則由于負(fù)載電流的干擾，有可能出現(xiàn)充電時(shí)間過長(zhǎng)、充電終止和預(yù)充電安全定時(shí)器誤報(bào)警等問題。當(dāng)不接適配器ADAPTER時(shí)，D3導(dǎo)通，系統(tǒng)由電池供電。這樣，通過二極管D2和D3構(gòu)成的“或”電路，就實(shí)現(xiàn)了外接電源與電池之間的切換，同時(shí)滿足了系統(tǒng)邊工作邊充電的設(shè)計(jì)要求。
3 驅(qū)動(dòng)電路
    由參考文獻(xiàn)[2]可知，XLamp XP-G系列冷白光LED允許的最大工作電流為1 500 mA，而且設(shè)計(jì)要求LED亮度連續(xù)可調(diào)，據(jù)此選擇龍鼎微電子公司(Power Analog Microelectronics，Inc.，USA)的PAM2863作為L(zhǎng)ED的驅(qū)動(dòng)芯片。PAM2863是一款連續(xù)模式電感型降壓轉(zhuǎn)換器，可驅(qū)動(dòng)單個(gè)或者多個(gè)串聯(lián)的LED。芯片輸入電壓范圍在4.5 V～40 V，可提供外部可調(diào)的高達(dá)2 A的輸出電流，輸出功率可達(dá)30 W。
    基于PAM2863的LED驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，J1為外接LED，VIN為芯片輸入電源。外接電阻R3用來設(shè)定流經(jīng)LED標(biāo)稱平均輸出電流IOUTnom，其值可由式(3)決定：
  

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)電路的正確性，選用Cree 5 W LED和鋰電池組(電池容量為4 400 mA，標(biāo)稱電壓為7.4 V)，實(shí)際制作了HB-LED手術(shù)頭燈控制電路。實(shí)驗(yàn)前，先將鋰離子電池剩余電量耗盡，然后利用所設(shè)計(jì)的電路對(duì)電池充電，結(jié)果如圖4所示。電池充電的起始電壓為6.35 V，實(shí)際恒流充電電流為820 mA，基本與設(shè)定值800 mA一致。從圖4可以看出，隨著充電過程的進(jìn)行，電池組的端壓不斷上升，當(dāng)電壓上升到8.37 V時(shí)，BQ2057 W從快充恒流階段過渡到恒壓終止階段，這一恒壓充電門限8.37 V與設(shè)定值8.4 V存在30 mV的誤差，這可能由于圖2中二極管D4的壓降過高致使BQ2057 W的供電電壓過低引起。進(jìn)入恒壓充電階段后，充電電流迅速下降，當(dāng)充電電流逐漸減小到100 mA時(shí)，充電終止，圖2所示D6發(fā)光二極管點(diǎn)亮。恒流充電時(shí)間約為5 h 20 min，恒壓充電時(shí)間約為1 h 10 min，總充電時(shí)間約為6 h 30 min，考慮所選鋰離子電池標(biāo)稱容量為4 400 mAh，這一時(shí)間基本符合理論預(yù)期。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的電路滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，具備電源路徑管理、電池充電管理和自動(dòng)電源切換等功能，有很強(qiáng)的通用性，同時(shí)電路體積小，所使用的元器件少，成本低廉，非常適合于便攜式電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)應(yīng)用。
    當(dāng)然，如果在產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本允許的情況下，可以選用更為先進(jìn)的電池充電管理芯片(例如TI公司的BQ24032，凌力爾特公司的LTC4099和美信公司的MAX8671X等)，這類芯片具有AC-DC適配器和USB雙電源輸入，內(nèi)部集成了動(dòng)態(tài)電源路徑管理（DPPM）電路，可在滿足系統(tǒng)供電的情況下為電池充電，亦可自動(dòng)選擇外部電源供電或電池供電，比本文所使用的二極管“或”電路具有更高的效率和可靠性。另外，從用戶使用的角度考慮，電路可再增加電池電量監(jiān)測(cè)模塊，當(dāng)電池電量不足時(shí)，提醒用戶及時(shí)充電。
    另外，通過本例設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在使用PAM2863設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，需要特別注意以下幾點(diǎn)：(1)連接在芯片Isense引腳的電流采樣電阻R3（見圖3）決定LED的最大平均電流，實(shí)際上任意時(shí)刻實(shí)際流經(jīng)LED的電流值還與PAM2863輸入電源VIN的大小有關(guān)。對(duì)于本例設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路， 用可調(diào)直流穩(wěn)壓電源實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)固定占空比D不變時(shí)，調(diào)節(jié)VIN為6.4 V左右，流經(jīng)LED平均電流達(dá)到最大；當(dāng)VIN低于或者高于這一電壓值時(shí)，LED平均電流均有所下降。這就說明驅(qū)動(dòng)電路有一個(gè)最佳的工作電壓，在這一電壓下，電路的效率最高。不過PAM2863數(shù)據(jù)手冊(cè)并未對(duì)此進(jìn)行說明，設(shè)計(jì)者很可能忽略了這一點(diǎn)；(2)芯片第4引腳輸入的PWM調(diào)光信號(hào)頻率應(yīng)該在100 Hz以上，否則LED會(huì)出現(xiàn)頻閃現(xiàn)象。
    盡管LED與傳統(tǒng)的照明工具熒光燈、白熾燈相比有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是LED不耐高溫，大電流下LED的發(fā)熱增大，光效反而下降，使用壽命也將大大縮短。因此在設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，尤其是在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充分考慮驅(qū)動(dòng)芯片PAM2863和LED自身的散熱問題[8]，以提高光電轉(zhuǎn)換的效率。
參考文獻(xiàn)
[1] 飛思卡爾半導(dǎo)體公司.飛思卡爾用新電源管理集成電路照亮LED增長(zhǎng)市場(chǎng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008，34(11)：26-27.
[2] XLamp?誖LED.http：//scn.cree.com/products/xlamp.asp：[EB/OL].2011-4-11.
[3] Advanced Storage Battery Market：from Hybrid/Electric Vehicles to Cell Phones.http：//www.sbireports.com/Advanced  Rechargeable-Battery-1933124/.[EB/OL]，2009-3-1.
[4] BQ2057datasheet，http：//focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/bq2057w.html，[EB/OL].2011-7-12.
[5] 錢金榮.可同時(shí)為系統(tǒng)供電和電池充電的bq2403x單芯片電源路徑管理IC.電子設(shè)計(jì)技術(shù)[J]，2007，14(5)：9-10.
[6] Lou Jiana，Wu Xiaobo，Zhao Menglian.Switch-mode multipower-supply li-ion battery charger with power-path management[C]：Solid-State and Integrated Circuit Technology(ICSICT)，2010 10th IEEE International Conference on， pp.527-529，Shanghai，China，2010(11).
[7] PAM2863datasheet.http：//www.poweranalog.com/products.htm.[EB/OL]，2011-7-12.
[8] DONAHOE D N.Thermal aspects of LED automotive headlights[C]：Vehicle Power and Propulsion Conference，2009.VPPC′09.IEEE.Dearborn，MI，USA，2009：1193-1199.