HB-LED医用手术头灯控制系统的设计与实现

摘  要： 研制了以高亮度LED为光源的医用手术头灯控制系统。该系统由电源路径管理电路、充电管理电路、LED驱动电路和调光电路组成。采用外部电源或者电池双电源供电，可驱动5 W的大功率白光LED，同时具备LED亮度连续调节和电池充电管理等功能。LED亮度调节实验和锂电池充电实验表明该控制电路很好地符合了预期的设计要求，LED控制电路具有很强的通用性，体积小、价格低廉，适合于便携式电子产品的设计应用。
关键词： 医用手术头灯；高亮度LED；锂离子电池；充电管理；BQ2057；PAM2863
       医用手术头灯常用于医院门诊、口腔科、耳鼻喉科、普外科、眼科、整形外科和血管外科等各种检查和手术的场合，具有携带方便，定向照明效果优良等优点，为精细手术、深部手术提供了极大方便。相比传统的氙气灯或者卤素灯，以高亮度LED（HB LED）为光源的医用头灯，具有体积小、耗电量低、使用寿命长、环保和坚固耐用等优点，迅速成为未来医用头灯发展的主流[1]。目前，国内外生产的手术头灯价格昂贵，每只价格大都在万元以上，而且控制电路功能单一，外型比较笨重，不宜于长时间佩戴使用，因此不适合大量配置和广泛普及。本文结合临床实际需求，设计了一款简单实用的以HB LED为光源的医用手术头灯控制电路，可实现LED亮度的调节、电池充电管理以及外部电源与电池间的自动切换等功能。
1 设计要求与方案
1.1 技术要求
     根据临床使用要求，对于5 W LED手术头灯，应满足下列技术要求：(1)光源在200 mm工作距离处的物面照度为32 000 lx以上，光色温为5 500 K～6 000 K的日光品质，照明光斑和照明亮度均连续可调。为此，选择美国Cree公司的XLamp XP-G系列冷白光LED[2]，当工作电流为1 500 mA时，可达到的最小光通量为417 lm以上，经计算可以满足设计要求；(2)供电模式。系统采用内、外两种供电模式：没有外部电源时采用自带的可充电池供电，电池充满时的连续工作时间不少于2 h；当有外部电源接入时立即切换到外部电源供电，且系统可以边使用边充电。
1.2 电路方案
     根据上述要求，设计医用手术头灯控制电路方案如图1所示，主要由电源适配器、电源路径管理电路、充电管理电路、LED驱动电路、调光电路以及电池和HB-LED组成。其中电源路径管理电路负责外部电源和系统电池之间的切换，防止头灯边使用边充电时，负载电流对充电电路的干扰。充电管理电路负责可充电电池的充电管理，包括充电过压保护、过流保护、充电状态指示以及电池温度监测。驱动电路为LED提供恒定的驱动电流，调光电路以PWM方式实现对手术头灯亮度的连续调节。下面重点讨论充电管理电路和LED驱动电路的具体实现。
   
   2 充电管理电路
     目前，便携式可充电电池主要包括镍镉(Ni-Cd)电池、镍氢(Ni-MH)电池、锂离子(Li+)电池和锂聚合物电池（Li-polymer）。相比之下，锂离子电池具有高单体电池电压、高比能量、高功率密度、长循环寿命、无记忆效应、低自放电率、工作温度范围宽和环保等优点，占据了2008年便携式电池75%的市场份额[3]，因此，本设计选择锂离子电池为系统备用供电电池。选用美国TI公司生产的BQ2057作为电池充电管理芯片。BQ2057充电分为三个阶段：电池预充阶段、快充恒流阶段和恒压终止阶段[4]。
     基于BQ2057W的双节锂电池充电管理电路如图2所示。AC适配器ADAPTER的输出电压VI为9 V，略高于电池组充满时的规定电压8.4 V。R1为一高边接法的电流采样电阻，其值可由式（1）决定：
   
   
   
     二极管D2和D3构成电源路径管理（PPM）电路[5-6]，当外接电源时，适配器ADAPTER输出9 V电压一路通过BQ2057为电池供电，另一路通过D2输入D3的负端为负载系统供电，D3负端的电压为9－0.5＝8.5 V。由于不论在充满还是非充满状态下，锂电池的电压(亦即D3正端电压)都低于D3负端电压8.5 V，所以D3是截止的，BQ2057正常对锂电池充电。若不接二极管D3，则由于负载电流的干扰，有可能出现充电时间过长、充电终止和预充电安全定时器误报警等问题。当不接适配器ADAPTER时，D3导通，系统由电池供电。这样，通过二极管D2和D3构成的“或”电路，就实现了外接电源与电池之间的切换，同时满足了系统边工作边充电的设计要求。
3 驱动电路
     由参考文献[2]可知，XLamp XP-G系列冷白光LED允许的最大工作电流为1 500 mA，而且设计要求LED亮度连续可调，据此选择龙鼎微电子公司(Power Analog Microelectronics，Inc.，USA)的PAM2863作为LED的驱动芯片。PAM2863是一款连续模式电感型降压转换器，可驱动单个或者多个串联的LED。芯片输入电压范围在4.5 V～40 V，可提供外部可调的高达2 A的输出电流，输出功率可达30 W。
     基于PAM2863的LED驱动电路如图3所示，J1为外接LED，VIN为芯片输入电源。外接电阻R3用来设定流经LED标称平均输出电流IOUTnom，其值可由式(3)决定：