醫用手術頭燈常用于醫院門診、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的場合，具有攜帶方便，定向照明效果優良等優點，為精細手術、深部手術提供了極大方便。相比傳統的氙氣燈或者鹵素燈，以高亮度LED（HB LED）為光源的醫用頭燈，具有體積小、耗電量低、使用壽命長、環保和堅固耐用等優點，迅速成為未來醫用頭燈發展的主流[1]。目前，國內外生產的手術頭燈價格昂貴，每只價格大都在萬元以上，而且控制電路功能單一，外型比較笨重，不宜于長時間佩戴使用，因此不適合大量配置和廣泛普及。本文結合臨床實際需求，設計了一款簡單實用的以HB LED為光源的醫用手術頭燈控制電路，可實現LED亮度的調節、電池充電管理以及外部電源與電池間的自動切換等功能。
1 設計要求與方案
1.1 技術要求
    根據臨床使用要求，對于5 W LED手術頭燈，應滿足下列技術要求：(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，照明光斑和照明亮度均連續可調。為此，選擇美國Cree公司的XLamp XP-G系列冷白光LED[2]，當工作電流為1 500 mA時，可達到的最小光通量為417 lm以上，經計算可以滿足設計要求；(2)供電模式。系統采用內、外兩種供電模式：沒有外部電源時采用自帶的可充電池供電，電池充滿時的連續工作時間不少于2 h；當有外部電源接入時立即切換到外部電源供電，且系統可以邊使用邊充電。
1.2 電路方案
    根據上述要求，設計醫用手術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驅動電路、調光電路以及電池和HB-LED組成。其中電源路徑管理電路負責外部電源和系統電池之間的切換，防止頭燈邊使用邊充電時，負載電流對充電電路的干擾。充電管理電路負責可充電電池的充電管理，包括充電過壓保護、過流保護、充電狀態指示以及電池溫度監測。驅動電路為LED提供恒定的驅動電流，調光電路以PWM方式實現對手術頭燈亮度的連續調節。下面重點討論充電管理電路和LED驅動電路的具體實現。

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、長循環壽命、無記憶效應、低自放電率、工作溫度范圍寬和環保等優點，占據了2008年便攜式電池75%的市場份額[3]，因此，本設計選擇鋰離子電池為系統備用供電電池。選用美國TI公司生產的BQ2057作為電池充電管理芯片。BQ2057充電分為三個階段：電池預充階段、快充恒流階段和恒壓終止階段[4]。
    基于BQ2057W的雙節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的規定電壓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構成電源路徑管理（PPM）電路[5-6]，當外接電源時，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的負端為負載系統供電，D3負端的電壓為9－0.5＝8.5 V。由于不論在充滿還是非充滿狀態下，鋰電池的電壓(亦即D3正端電壓)都低于D3負端電壓8.5 V，所以D3是截止的，BQ2057正常對鋰電池充電。若不接二極管D3，則由于負載電流的干擾，有可能出現充電時間過長、充電終止和預充電安全定時器誤報警等問題。當不接適配器ADAPTER時，D3導通，系統由電池供電。這樣，通過二極管D2和D3構成的“或”電路，就實現了外接電源與電池之間的切換，同時滿足了系統邊工作邊充電的設計要求。
3 驅動電路
    由參考文獻[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，而且設計要求LED亮度連續可調，據此選擇龍鼎微電子公司(Power Analog Microelectronics，Inc.，USA)的PAM2863作為LED的驅動芯片。PAM2863是一款連續模式電感型降壓轉換器，可驅動單個或者多個串聯的LED。芯片輸入電壓范圍在4.5 V～40 V，可提供外部可調的高達2 A的輸出電流，輸出功率可達30 W。
    基于PAM2863的LED驅動電路如圖3所示，J1為外接LED，VIN為芯片輸入電源。外接電阻R3用來設定流經LED標稱平均輸出電流IOUTnom，其值可由式(3)決定：
  

4 實驗結果
    為了驗證本文所設計電路的正確性，選用Cree 5 W LED和鋰電池組(電池容量為4 400 mA，標稱電壓為7.4 V)，實際制作了HB-LED手術頭燈控制電路。實驗前，先將鋰離子電池剩余電量耗盡，然后利用所設計的電路對電池充電，結果如圖4所示。電池充電的起始電壓為6.35 V，實際恒流充電電流為820 mA，基本與設定值800 mA一致。從圖4可以看出，隨著充電過程的進行，電池組的端壓不斷上升，當電壓上升到8.37 V時，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。進入恒壓充電階段后，充電電流迅速下降，當充電電流逐漸減小到100 mA時，充電終止，圖2所示D6發光二極管點亮。恒流充電時間約為5 h 20 min，恒壓充電時間約為1 h 10 min，總充電時間約為6 h 30 min，考慮所選鋰離子電池標稱容量為4 400 mAh，這一時間基本符合理論預期。

    實驗結果表明，所研制的電路滿足預期的設計要求，具備電源路徑管理、電池充電管理和自動電源切換等功能，有很強的通用性，同時電路體積小，所使用的元器件少，成本低廉，非常適合于便攜式電子產品的設計應用。
    當然，如果在產品設計成本允許的情況下，可以選用更為先進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，內部集成了動態電源路徑管理（DPPM）電路，可在滿足系統供電的情況下為電池充電，亦可自動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測模塊，當電池電量不足時，提醒用戶及時充電。
    另外，通過本例設計發現，在使用PAM2863設計LED驅動電路時，需要特別注意以下幾點：(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，實際上任意時刻實際流經LED的電流值還與PAM2863輸入電源VIN的大小有關。對于本例設計的驅動電路， 用可調直流穩壓電源實驗發現， 當固定占空比D不變時，調節VIN為6.4 V左右，流經LED平均電流達到最大；當VIN低于或者高于這一電壓值時，LED平均電流均有所下降。這就說明驅動電路有一個最佳的工作電壓，在這一電壓下，電路的效率最高。不過PAM2863數據手冊并未對此進行說明，設計者很可能忽略了這一點；(2)芯片第4引腳輸入的PWM調光信號頻率應該在100 Hz以上，否則LED會出現頻閃現象。
    盡管LED與傳統的照明工具熒光燈、白熾燈相比有無可比擬的優點，但是LED不耐高溫，大電流下LED的發熱增大，光效反而下降，使用壽命也將大大縮短。因此在設計LED驅動電路時，尤其是在PCB設計時，應該充分考慮驅動芯片PAM2863和LED自身的散熱問題[8]，以提高光電轉換的效率。
參考文獻
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[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.
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[5] 錢金榮.可同時為系統供電和電池充電的bq2403x單芯片電源路徑管理IC.電子設計技術[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).
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[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.