Modular Redundancy-based LED Driver Circuit

摘要：LED作为一种全新的照明技术在医疗领域得到广泛的应用，为确保其稳定工作，其电源驱动电路采用模块化冗余设计技术，以高度的容错性来提高了供电的可靠性。

关键词：LED；模块化电源；冗余技术；可靠性

Abstract: LED lighting as a new technology in the medical field is widely used, in order to ensure its stability, its power drive circuit using modular redundancy design techniques to a high degree of fault tolerance to improve the reliability of the power supply.

Keywords: LED; Modular Power Supply; Redundancy; Reliability

0 前言

作为一种全新的照明技术，LED是利用半导体芯片作为发光材料、直接将电能转换为光能的发光器。LED照明由于具有寿命长、节能、色彩丰富、安全、环保的特性，被誉为人类照明的第三次革命。LED手术无影灯具有亮度高、颜色纯、发热度低、寿命长、耗能低、省电、反应快等多项优点。在医疗领域，LED照明是{zy}良的医疗照明方式。优质光源最接近自然光的xx，医疗照明无频闪、无升温、无热辐射、{zj0}人性化、xx医疗照明。随着大手术、高难度手术的不断增多，垂直层流的高洁净度化手术室的建立，各级医院都装备更高质量的新型无影灯。而可调色温LED手术无影灯正好满足现代医院的要求，除了它自身已有的节能、长寿等优点之外，更有能调节光源色温提高医生对不同组织器官的分辨力、节省手术室净化系统的建设与运行成本等一系列突出优点。

1 LED无影灯的特点

1.1 优质光源——最接近自然光的xx无影效果

（1）以直流供电的LED无影冷光源，无频闪，以纳米级的响应速度杜绝了传统灯具的延迟现象，以最接近自然的冷光360度照射，以极高的清晰度避免了观察物体上的虚影。

（2）随着温升xx、灯体体积的大幅度减小，辅以流线外型提高手术室净化效果，改善手术室层流净化效果，避免传统手术灯在医生头部产生的温区，极大程度地减轻手术医生在大型、长时间手术中的视觉疲劳。

（3）传统的手术灯与无影灯，由于其温度容易随着使用时间增加而提高，造成患者伤口失水而影响伤口愈合并增加感染风险，对于伤口的愈合带来负面的影响。相对地，LED因是冷光源、低色温，xx避免了传统手术灯超高的红外热辐射，除了不会对伤口有影响外，并能忠实地呈现患部和器官的色泽，有助于手术时的快速辨别。

（4）具备色温可调技术及优异的色彩还原度，可根据操作者对光线的适应度及观察物体的特性自主调节，保障对观察物体的明查秋毫，成为{zj0}人性化的设备。

（5）LED手术灯与无影灯发光部位体积小、能xx封装，不但可变焦、可变形，甚至还有防尘、xx的功能。

1.2 节能环保——无干扰，无环境污染，高效节能

（1）固体封装的LED照明具备抗震、耐冲击的特点，LED医疗照明不会对工作区域设备产生谐波干扰，无汞等其它环境污染，是真正环保产品。

（2）具有90％的节电率，10万小时的使用寿命，LED医用照明在同样亮度下，耗电量仅为白炽灯的1/10，荧光灯的1/2，寿命是普通无影灯的100倍。

（3）后续费用低，可称为无耗材产品。节省了传统照明的耗材支出及日常检测，极大地节约照明用电及手术室空调用电（据不xx统计传统手术灯的后续耗材支出是手术灯购买时的3-5倍）。

1.3 颠覆传统——xx新的医疗照明标准和医疗层流净化标准

（1）创造新的医疗照明标准：实现色温连续可调技术，有效缓解医生视觉疲劳，突显优势，对手术照明是一次革命性的变革；基于大功率LED芯片技术的手术无影灯，降低了手术照明的光照度，改变了传统的手术照明技术，创造一种手术照明的新技术、新方法和新标准。

（2）创造新的医疗层流净化标准：采取集成大功率LED芯片作为医疗照明的光源减小了医疗照明系统的体积，改善了医疗照明系统的外型，有利于提高手术室净化效果，降低了手术室的造价和运行成本，同时改善手术室层流净化效果和手术伤口部位无菌环境。

对于某些特定的场合，如医院、煤矿等不允许中断照明的场合，驱动电路的高可靠性显得尤为重要。为此，要提高电源系统的容错性，一种非常合适的措施是采用冗余电源的供电方式。

2 LED模块化冗余电源驱动电路设计

所谓冗余电源，是指用多个电源装置以并联方式对系统供电，各电源装置平均分担系统的负荷量，而一旦其中某个装置出现故障问题而停止供电时，其它装置便会及时将多出来的电源负荷用平均分配的方式进行分担，而且在这种自动接替过程中，不会导致系统工作失常，从而有效避免了电源子系统发生故障导致供电中断的情况，以高度的容错性来提高供电可靠性。

本文模块化电源设计的基本思想是采用N+l冗余电源原理，将电源分为N+1个子模块，每个模块的容量都不大。以多模块并联的形式组成一个大容量电源。这样不但可以在一个模块因故障失效时由其余的模块分担其负荷，而且各个模块中开关器件的电流应力大大减小，发热量减小，这样从根本上提高电源的可靠性，并且降低了产品的成本。

如图1所示为N+l冗余电源的电路图，每一个子电源以模块化的形式并联在电路中。

电路依然采取电流型双闭环控制，每个子模块的内部结构相同，如图2所示。冗余系统的设计类似于总线式，输出电压反馈量和负载电流反馈量分别通过两条总线输送到每个子模块。系统中每个模块的额定容量为系统总容量的1/N，在正常情况下每个模块分担输出电流的l/(N+1)。当由于某些原因其中一个模块失效时，输出电流减小，导致电流反馈量减小，其余正常模块立刻动作，同时增大各自的电流输出值，直到输出电流重新回到额定大小。每个模块内部安装失效报警指示灯，失效后立刻报警，同时继电器常开触点断开，使故障模块迅速退出运行并与系统隔离。

模块化电源能够实现多个中小功率电源的并联，构成分布式电源系统以承担大功率的输出。与传统的集中式电源系统相比，它可以通过改变并联模块的数量来满足不同负载的功率需求，而且各个模块电源具有承受的应力小，功率密度高，响应快等优点。

但是各个模块电源特性并不xx一致，若将其直接并联，会使其承受负载不均衡，导致有的模块轻载运行，有的模块重载甚至过载运行，降低了系统的可靠性，因此需要通过均流技术来平衡各个模块的输出电流。开关电源并联系统常用的均流法有：输出阻抗法、主从设置法、按平均电流值自动均流法、外加均流控制器法以及{zd0}电流自动均流法。

输出阻抗法通过调节开关变换器的输出阻抗以达到并联模块接近均流的目的，但是这种方法均流精度太低。主从设置法是在并联的所有变换器中指定一个作为主模块，其余的作为从模块，从模块的电流跟随主模块电流变化。这种设计方式一旦主模块出现故障，便会使整个系统无法运行。按平均电流自动均流法是将所有模块的输出平均值作为均流母线的电压。这种方法的弊端在于任意一个模块发生故障都会影响均流母线的电压，使整个系统无法正常运行。很显然主从设置法和按平均电流值自动均流法无法实现冗余技术。外加均流控制器法控制精度较高，但是一旦均流器出现故障也会使系统无法运行。{zd0}电流自动均流法又称为自主均流法，在所有运行的模块中自动选择输出电流{zd0}的模块作为主模块，其余的模块作为从模块跟随主模块的电流进行变化。

图2中的UC3902是UC公司根据自主均流法的特点开发的8管脚集成芯片。该芯片可通过xx的调整变换器的输出电压以匹配所有的数值电流，图3所示为UC3902的内部结构。图中电流检测放大器的增益为40，均流驱动和均流检测放大器的增益为1，跨导式误差放大器的跨导为4.5ms，辅助工作电路用以提供内部偏置和芯片内部参考电压。UC3902的工作电压为2.7V—20V，该电压可直接由模块电源分压提供。

均流过程为：电流检测电阻R，在模块的负输出端检测到一个与模块输出电流成比例的信号送入电流检测放大器的负输入端，电流检测放大器的输出与模块输出电流成正比，并且作为均流驱动放大器和误差放大器的输入，均流驱动放大器的输出与电流检测放大器的输出相等。当该电压相对于所有模块的输出电压{zg}时，该模块成为主模块。由于串联在均流驱动放大器输出端二极管的作用，主模块均流驱动放大器的输出决定了均流母线电压U，从模块的均流输出放大器输出不与均流母线相通。从模块的均流检测放大器检测到均流母线电压U，并把输出信号作为误差放大器的正向输入端。跨导式误差放大器稳定状态的输出电压是均流母线电压与模块检测电压差值的函数，当工作在主模块状态时电压差为零，但所有从模块都会产生非零的误差电压。该误差信号用于驱动缓冲三极管，iADJ越大，调整电阻RADJ上的电压就越大，从而使得模块的输出电流变大，实现了各个模块之间的均流。为确保跨导式误差放大器正确的输出状态，有50mV的偏置电压串联在它的反向输入端，以增加主从模块之间的转换裕度。

3 结束语

通过对介入手术室LED驱动电路采用冗余技术改造一年来，系统更加稳定。多个电源装置以并联方式对系统供电，一旦其中某个装置出现故障问题而停止供电时，其它装置便会及时将多出来的电源负荷用平均分配的方式进行分担，避免了电源子系统发生故障导致供电中断的情况，利用系统的容错性来提高供电可靠性。

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