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LED Driver for High Power Machine Vision Flash 作者：Keith Szolusha和Kyle Lawrence 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)使用非常短的強(qiáng)光閃爍來(lái)產(chǎn)生用于各種數(shù)據(jù)處理應(yīng)用的高速圖像。例如，快速移動(dòng)的傳送帶通過(guò)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行快速標(biāo)簽和缺陷檢測(cè)。紅外和激光LED閃光燈常用于近程和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)機(jī)器視覺(jué)。安全系統(tǒng)發(fā)出高速、難以察覺(jué)的LED閃光燈來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)，捕獲和存儲(chǔ)安全影像。 所有這些系統(tǒng)都存在的一個(gè)挑戰(zhàn)，即產(chǎn)生非常高的電流和短時(shí)間（微秒）LED相機(jī)閃光波形，這些波形可能散開(kāi)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，例如100 ms到1 s以上。產(chǎn)生間隔較長(zhǎng)時(shí)間的短時(shí)LED閃光方波并非易事。當(dāng)LED（或LED串）的驅(qū)動(dòng)電流上升到1 A以上，并且LED開(kāi)啟時(shí)間縮短到幾微秒時(shí)，挑戰(zhàn)難度進(jìn)一步加大。許多具有高速PWM能力的LED驅(qū)動(dòng)器可能無(wú)法有效處理較長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間和短時(shí)間的高電流，而又不降低適當(dāng)處理高速圖像所需的方波質(zhì)量。 專有LED閃光燈 幸運(yùn)的是，LT3932高速LED驅(qū)動(dòng)器可為高達(dá)2 A的LED串提供機(jī)器視覺(jué)相機(jī)閃光燈，關(guān)斷時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)1秒、1小時(shí)、1天或更長(zhǎng)時(shí)間。LT3932的特殊相機(jī)閃光燈功能允許其保持輸出電容和控制環(huán)路充電狀態(tài)，哪怕是在長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間內(nèi)。對(duì)輸出和控制環(huán)路電容的狀態(tài)進(jìn)行采樣后，LT3932繼續(xù)在長(zhǎng)關(guān)斷期間對(duì)這些元件進(jìn)行涓流充電，以補(bǔ)償通常都會(huì)有的漏電流，而這是其他LED驅(qū)動(dòng)器未予考慮的。 LT3932的專有閃光技術(shù)可以擴(kuò)展，驅(qū)動(dòng)器可以并聯(lián)以提供更高的LED閃光電流。所需的閃光形狀和完整性保持不變。圖1顯示了并聯(lián)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器以支持3 A相機(jī)閃光燈是多么容易，高達(dá)4 A的設(shè)計(jì)也是可行的。 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的LED閃光燈要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)PWM調(diào)光驅(qū)動(dòng)器所能達(dá)到的要求。也就是說(shuō)，大多數(shù)高端LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)用于在至少100 Hz的PWM頻率下提供PWM調(diào)光亮度控制。這是因?yàn)椋纛l率較低，哪怕LED波形是方形且可重復(fù)的，人眼看到的也是令人討厭的閃爍或頻閃。在100 Hz時(shí)，理論最大關(guān)斷時(shí)間約為10 ms。在10 ms關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，如果設(shè)計(jì)正確，LED驅(qū)動(dòng)器會(huì)損失極少輸出電容電荷，使其在大約相同的狀態(tài)下啟動(dòng)控制環(huán)路，從而結(jié)束最后一個(gè)PWM導(dǎo)通脈沖。電感電流和下一個(gè)LED PWM導(dǎo)通脈沖的快速響應(yīng)和斜坡上升可以很快且可重復(fù)，并且啟動(dòng)時(shí)間極短。較長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間（頻率低于100 Hz時(shí)）可能會(huì)導(dǎo)致輸出電容因漏電而損失電荷，從而使LED重新開(kāi)啟時(shí)無(wú)法快速響應(yīng)。 并聯(lián)LED驅(qū)動(dòng)器以提供更高電流 LED驅(qū)動(dòng)器充當(dāng)電流源，調(diào)節(jié)通過(guò)發(fā)光二極管發(fā)出的電流。電流僅沿單一方向流向輸出，因此可將多個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)起來(lái)，其電流匯總后通過(guò)負(fù)載。電流源不需要防范電流通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換器反向流動(dòng)，也無(wú)需擔(dān)心輸出不匹配。另一方面，電壓調(diào)節(jié)器本身并不擅長(zhǎng)均流。如果它們都試圖將輸出電壓調(diào)節(jié)到某一點(diǎn)，并且其反饋網(wǎng)絡(luò)存在細(xì)微差異，則調(diào)節(jié)器可能會(huì)吸收反向電流。 LED驅(qū)動(dòng)器會(huì)保持其輸出電流不變，無(wú)論其他驅(qū)動(dòng)器是否提供額外電流并匯總在輸出負(fù)載上。這使得并聯(lián)LED驅(qū)動(dòng)器非常簡(jiǎn)單。例如，圖1所示兩個(gè)并聯(lián)LT3932 LED驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的LED閃光燈系統(tǒng)能以3 A高效驅(qū)動(dòng)4個(gè)LED，10μs短脈在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)所定義的較長(zhǎng)期間內(nèi)沖散開(kāi)來(lái)。在PWM導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，每個(gè)LT3932轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生總串電流的一半；在PWM關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)換器關(guān)閉并保存其輸出狀態(tài)。關(guān)斷時(shí)間可短可長(zhǎng)，對(duì)閃光波形的重復(fù)性沒(méi)有影響。 
圖1.相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)PWM調(diào)光頻率，并聯(lián)LT3932 1.5 A LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生具有長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間的3 A機(jī)器視覺(jué)LED脈沖。
圖2.無(wú)論P(yáng)WM關(guān)斷時(shí)間是多少，圖1所示并聯(lián)LED驅(qū)動(dòng)器的3 A相機(jī)閃光波形看起來(lái)相同。波形顯示，(a) 10 ms之后和(b) 1 s之后的10μs脈沖是相同的。經(jīng)過(guò)一天或更長(zhǎng)的PWM關(guān)斷時(shí)間之后，LT3932 LED閃光波形看起來(lái)也相同。 在長(zhǎng)關(guān)斷期間，并聯(lián)相機(jī)閃光燈應(yīng)用幾乎與單個(gè)轉(zhuǎn)換器一樣簡(jiǎn)單。轉(zhuǎn)換器觀察最后一個(gè)PWM導(dǎo)通脈沖結(jié)束時(shí)的共享輸出電壓，讓輸出電容充電至該狀態(tài)并保持，即使在長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間內(nèi)也如此。每個(gè)轉(zhuǎn)換器將其PWM MOSFET與共享負(fù)載斷開(kāi)連接，并向其輸出電容供應(yīng)電流以補(bǔ)償泄漏的能量，使該電容充電至接近最后電壓狀態(tài)并保持。這些電容在長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間內(nèi)發(fā)生的任何泄漏都可以通過(guò)少量維持電流來(lái)補(bǔ)償。當(dāng)下一個(gè)PWM導(dǎo)通脈沖開(kāi)始時(shí)，每個(gè)轉(zhuǎn)換器的PWM MOSFET導(dǎo)通，輸出電容以與最后一個(gè)脈沖大致相同的狀態(tài)啟動(dòng)，無(wú)論是經(jīng)過(guò)了10 ms還是一整天。 圖2(a)和2(b)顯示了LT3932并聯(lián)LED驅(qū)動(dòng)器以3 A驅(qū)動(dòng)4個(gè)LED，機(jī)器視覺(jué)相機(jī)脈沖為10μs。無(wú)論是10 ms PWM關(guān)斷時(shí)間(100 Hz)還是1 s PWM關(guān)斷時(shí)間(1 Hz)，LED脈沖都很陡峭且快速，這對(duì)于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是非常理想的。 實(shí)現(xiàn)更高電流亦可行 并聯(lián)LED驅(qū)動(dòng)器不限于兩個(gè)轉(zhuǎn)換器。三個(gè)或更多轉(zhuǎn)換器也可以并聯(lián)在一起，產(chǎn)生具有陡沿的更高電流波形。該系統(tǒng)沒(méi)有主器件或從器件，因此所有轉(zhuǎn)換器都提供相同量的電流并平均分擔(dān)負(fù)載。建議所有并聯(lián)LED驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換器共享相同的同步時(shí)鐘并保持同相。這樣可確保所有轉(zhuǎn)換器的輸出電容紋波具有大致相同的相位，故而紋波電流不會(huì)反向流動(dòng)或在不同轉(zhuǎn)換器之間流動(dòng)。PWM脈沖波形與2 MHz同步時(shí)鐘保持同相很重要。這樣可確保LED閃光波形保持方形且無(wú)抖動(dòng)，從而產(chǎn)生最佳圖像處理結(jié)果。 LT3932演示電路(DC2286A)設(shè)計(jì)為通過(guò)一個(gè)或兩個(gè)LED（作為降壓LED驅(qū)動(dòng)器）驅(qū)動(dòng)1 A的LED電流。如圖1所示，它很容易進(jìn)行更改和并聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)更高電流、更高電壓或并聯(lián)運(yùn)行。圖4顯示了如何將兩個(gè)這樣的電路輕松連接在一起，從24 V輸入以10μs、3 A脈沖驅(qū)動(dòng)4個(gè)LED。出于測(cè)試目的，脈沖發(fā)生器可用于提供同步時(shí)鐘信號(hào)，如圖4所示。在量產(chǎn)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，可利用時(shí)鐘芯片生成同步時(shí)鐘信號(hào)和PWM脈沖。如需更高電流脈沖，可使用相同的并聯(lián)方案添加更多演示電路DC2286A轉(zhuǎn)換器。
圖3.工業(yè)傳送帶上的機(jī)器視覺(jué)例子。檢測(cè)系統(tǒng)以多種不同速度移動(dòng)，但閃光技術(shù)必須快速而清晰。
圖4.兩個(gè)DC2286A LT3932演示電路可輕松并聯(lián)，以創(chuàng)建圖1所示的3 A至4 A機(jī)器視覺(jué)LED閃光燈應(yīng)用。 結(jié)語(yǔ) 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以使用并聯(lián)LED驅(qū)動(dòng)器來(lái)創(chuàng)建自動(dòng)圖像處理所需的快速、方形、高電流波形。通過(guò)并聯(lián)轉(zhuǎn)換器，LT3932 LED驅(qū)動(dòng)器的專有相機(jī)閃光燈技術(shù)可以擴(kuò)展到更高的電流。采用并聯(lián)LT3932轉(zhuǎn)換器，即使關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，也可以實(shí)現(xiàn)3 A和更高的微秒級(jí)脈沖。無(wú)論LED閃光之間的關(guān)斷時(shí)間有多長(zhǎng)，LED相機(jī)閃光波形都能保持方形且無(wú)抖動(dòng)。 Keith Szolusha [keith.szolusha@analog.com]是ADI公司（之前為凌力爾特公司）的LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用經(jīng)理，工作地點(diǎn)在美國(guó)加利福尼亞州米爾皮塔斯。他畢業(yè)于馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院(MIT)，1997年獲電氣工程學(xué)士學(xué)位，1998年獲電氣工程碩士學(xué)位，專攻技術(shù)寫(xiě)作。 Kyle Lawrence [kyle.lawrence@analog.com]是ADI公司的副應(yīng)用工程師。他負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和測(cè)試各種DC-DC轉(zhuǎn)換器，包括針對(duì)低EMI汽車應(yīng)用的4開(kāi)關(guān)升降壓穩(wěn)壓器和LED驅(qū)動(dòng)器。他2014年畢業(yè)于加州大學(xué)圣克魯茲分校，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位。 |
