一种显微镜LED光源驱动设计

　　光学显微镜是现代生命科学研究中必不可少的设备之一，传统的显微镜光源大多采用氙灯、汞灯进行照明，但是其寿命短而且大多只能机械调光，很难满足日新月异的光学成像技术的发展。近年来，随着 LED 制造工艺的不断改进，单片LED 芯片的功率不断提高 ，100W 以上的 LED 已经进入市场，LED 以其寿命长、单色性好、稳定性强、聚光方案简单、调光迅速灵活等特点[1]，很好地替代已有的照明系统 ，为荧光显微成像和光遗传控制等生物实验提供便利。

　　1 方案设计

　　1.1 驱动方式

　　LED 的驱动方式有很多种 ，最简单的方式是采用电阻限流恒压的方式驱动， 但是 LED 的电流与电压成指数型关系，微小的电压变化都会引起 LED 很大的电流波动， 并且 LED的光照强度与电流相关，因而大多数 LED 驱动器都采用恒流方式。

　　大功率 LED 一般采用开关电源驱动，因为线性恒流源效率很低，需要很大功率的散热系统才能实现大功率输出。 开关电源驱动器可以大致分为 AC/DC 和 DC/DC 方式[2-3]。 AC/DC方式电路结构简单， 直接通过电网电压变换后驱动 LED，但是缺点在于无法实现从零电流到最大电流的灵活调光并且需要复杂的 EMC 设计;DC/DC 虽然成本有所提高，但是能够很好调光并能减少交流噪声的干扰，生物学实验大多是低频的小信号检测，必须要充分考虑高频噪声的干扰。

　　1.2 调光方式

　　常见的调光方式有 PWM 调光和模拟调光两种方式。PWM 调光是通过高速的开关 LED 实现亮度调节 ， 这样能实现很高的电流精度， 但为了避开肉眼分辨速度和仪器的响应，PWM 的频率一般需要 10 kHz 以上，而快速的大电流变化很容易会引起高频噪声和电磁辐射;模拟调光是通过调节误差放大器阈值电压实现负载电流的控制，实现了电压对电流　　的调节，不存在 PWM 调光的噪声和辐射问题，但电流的改变会引起 LED 频谱的变化，对于颜色敏感的场合不宜使用模拟调光，而且有一些驱动芯片的模拟调光还存在控制电压和负　　载电流的非线性以及电流无法调零等问题。

　　光学显微镜的照射对象是生物样本，生物样本有时存在比肉眼更高的光敏感性，而且某些成像仪器也存在很高的光强分辨能力，因而 PWM 调光不适用于显微镜。 模拟调光虽然存在频谱变化的问题， 而单色 LED 的频谱偏移仅仅几个纳米[4]，这对生物样本来说是微不足道的，而非线性和其他问题可以通过选用合适的 LED 驱动器来避免。

　　1.3 整体方案设计

　　为了满足照明强度的要求，显微镜光源选用 1 A/44 V 的大功率 LED。 由于 LED 额定电压较大，选用 boost 拓扑结构，采用 12 V 直流输入。