CN110753423B - 一种功率型led脉冲光源的实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率型LED脉冲光源的实现方法。目前常见的脉冲光源多以LD脉冲光源为主，复杂且昂贵的价格限制了脉冲光源的发展；其他类型的脉冲光源也因其频率低、占空比高及脉冲信号调节有限等因素大大限制了其应用范围。本发明公开的一种功率型LED脉冲光源的实现方法主要分三个模块：脉冲信号发生模块、驱动电路模块以及LED脉冲光源模块。基于FPGA的信号发生模块通过程序输出预定要求的脉冲信号，再将脉冲信号输入驱动电路，控制MOS管的开关状态，进而通过驱动电路来驱动LED脉冲光源工作。模块化的设计，提供了一款脉宽及脉冲频率可调、波长覆盖范围广、结构简单、体积小、成本低的功率型LED脉冲光源，对LED脉冲光源的发展起到了有力的推动作用。

Description

一种功率型LED脉冲光源的实现方法
技术领域
本发明涉及一种LED光源，特别涉及到一种功率型LED脉冲光源的实现方法。
背景技术
LED光源作为第四代电光源，赋有“绿色照明光源”之称，具有高效、节能、环保、易维护等显着特点。但LED会因为持续高强度的电流而产生大量的热，进而严重影响其光学属性和使用寿命；同时，功率型LED光源的制备在散热方面依然受到严重制约，所以功率型LED在特殊照明领域的应用较为常见。因此，将功率型LED通过脉冲方式驱动时，不仅不会严重影响其光学属性和使用寿命，反而可以利用窄脉冲的特性，以过驱动的方式得到强度更高的照明，拓宽功率型LED的应用场景。
LED脉冲驱动作为一种富有潜力的驱动方式，不仅能够节约电能、减少产热、延长使用寿命，还可以在很多脉冲光源领域得到广泛应用，诸如：光声成像、植物照明、紫外杀菌等。但是不同领域所需要的脉冲光源的脉冲信号不同，除了LD脉冲光源需要复杂且昂贵的激光系统之外，其他脉冲光源也因为其重复频率低和脉冲宽度高的限制，很大程度上限制了其应用范围。
目前常见的脉冲光源多以LD脉冲光源为主，是由相应控制芯片与复杂电路集成在一块较大的PCB板上，再结合激光二极管，组成的脉冲激光光源，或者直接购买商用脉冲激光器。不仅装置体积大，不利于其在便携式方面的应用，还在一定程度上增加了使用成本。
非模块化的设计形式，不仅增加了脉冲光源设计的复杂性，还严重影响设计的重用性。
发明内容
(一)解决的技术问题
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种功率型LED脉冲光源的实现方法。通过模块化的设计，不仅可以代替复杂且昂贵的激光系统，还可以实现体积小、波长覆盖广、脉冲频率高、占空比小、脉冲信号可调的功率型LED脉冲光源。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明提供一种功率型LED脉冲光源的实现方法，通过脉冲信号发生模块、驱动电路模块以及LED脉冲光源模块，以模块化的设计，再结合功率型LED光源，实现一款脉冲信号可调、波长覆盖广、成本低、重用性高的功率型LED脉冲光源。
本发明所采用的技术方案为：
本发明通过采用模块化的设计，提供一种功率型LED脉冲光源的实现方法，其中包括：脉冲信号发生模块、驱动电路模块以及LED脉冲光源模块。基于FPGA的信号发生模块通过编写程序，直接在I/O口输出预定要求的脉冲信号，再将脉冲信号输入驱动电路模块，通过控制MOS管Q1开关状态，进而驱动LED脉冲光源模块的功率型LED光源以脉冲方式工作，输出准直光束，再针对不同脉冲光源应用场合，调整脉冲信号，以满足应用需求。
本发明所述脉冲信号发生模块包括FPGA芯片、晶振、JTAG下载接口；晶振与JTAG下载接口分别与FPGA芯片电性连接，利用VHDL语言编写程序来控制脉冲信号发生模块产生所需要的脉冲信号。
进一步说，该脉冲信号发生模块在一定程度上可以根据不同的脉冲信号需求，使其输出不同脉冲宽度、不同占空比的脉冲信号。
本发明所述驱动电路模块包括MOS管Q1(EPC2036)、肖特基二极管D1、 MOS管驱动器U1(UCC27611DRVT)、磁珠FB1，以贴片的方式接入PCB板上的驱动电路。磁珠FB1一端与电源VDD连接，另一端分别与MOS管驱动器U1相连，肖特基二极管D1与LED光源并联分别一端通过电阻R4与电源VDD连接，另一端与MOS管Q1源极连接，MOS管Q1栅极通过电阻R2和电阻R3分别与 MOS管驱动器U1输出端口相连，该模块是根据脉冲信号的脉冲重复频率、脉宽属性以及驱动LED所需要的电压、电流属性而设计的，旨在能够完成纳秒级响应、持续稳定工作使用场效应管驱动器U1来驱动场效应管，使电路能够在高频窄脉冲信号下快速响应，达到脉冲光源持续脉冲工作的要求。
进一步说，该驱动电路通过MOS管Q1(EPC2036)及磁珠FB1等部件，不仅能够稳定、快速地驱动LED光源实现脉冲工作，还能降低噪声影响，稳定脉冲信号。
本发明所述LED脉冲光源模块由功率型LED与准直透镜组成，准直透镜位于LED出光侧，完全覆盖出光面，使光线进入准直透镜，二次配光后LED 脉冲光源模块输出平行准直光束，通过二次配光，将发散的LED光源光线准直成平行光束输出。
进一步说，该功率型LED光源，可以根据实际需要更换不同波长的LED 光源。
本发明所述的一种功率型LED脉冲光源，集成在一块体积较小的PCB板上，大大减小了该脉冲光源的体积。
本发明的优点在于：
1、常见的脉冲光源实现方法中很少有脉冲信号的产生部分。本发明所述中，该功率型LED脉冲光源采用基于FPGA的脉冲信号发生模块方便脉冲信号的调整，不仅可以根据实际应用需要，输出脉冲频率更高，占空比更小的脉冲信号，进一步拓展其应用范围，而且该方法结构简单、易于实现。
2、驱动电路模块使用快速响应的场效应管设计而成，能够满足高频窄脉冲信号的及时响应，实现LED的快速驱动；同时降低噪声影响，输出稳定。
3、LED脉冲光源模块通过利用准直透镜，对LED光源二次配光，可以使脉冲光源输出平行准直光束，且LED光源可以根据不同的应用需要，选择不同波长的功率型LED光源或LED模组。
整个装置可以集成在一块较小的PCB板上，与LD脉冲光源及其他类型脉冲光源相比，大大降低了该脉冲光源实现方法的复杂性，提高了重用性，本发明所涉及的功率型LED脉冲光源大大增加了其便携性，易于安装固定，降低了脉冲光源的成本。同时，本发明所涉及的功率型LED脉冲光源波长覆盖范围更广，脉冲频率更高，占空比更小。
附图说明
图1为本发明的结构原理图。
图2为本发明中LED脉冲光源模块的结构示意图。
图3为本发明驱动电路部分电路图。
图4为本发明实施过程中的电脉冲波形图和光脉冲波形图。
附图标记：脉冲信号发生模块1、驱动电路模块2、LED脉冲光源模块3、 LED光源31、准直透镜32、平行准直光束33。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1、请参阅图1，一种功率型LED脉冲光源的实现方法，包括脉冲信号发生模块1、驱动电路模块2、LED脉冲光源模块3；其中：脉冲信号发生模块1主要由FPGA芯片、晶振、JTAG下载接口和相关配置芯片等组成，根据所需脉冲信号的要求，利用VHDL语言编写程序，直接通过I/O输出特定的脉冲信号；驱动电路模块2根据高频窄脉冲信号特性以及驱动LED的电气属性，选用合适的场效应管驱动器U1来驱动相应的高速场效应管，使电路能达到纳秒级响应，以达到稳定且持续的脉冲输出；LED脉冲光源模块3由功率型LED光源和准直透镜组合而成，通过二次配光使LED脉冲光源输出平行的准直光束。
实施例2，请参阅图4，有实施例实现重复频率为10kHz，脉冲宽度为50ns 的光脉冲信号。即通过程序编写、烧录，使脉冲信号发生模块在I/O输出所需的电脉冲信号a，通过电气连接将脉冲信号a输入驱动电路模块，场效应管在脉冲信号控制下迅速响应，控制LED脉冲光源模块以脉冲方式工作，产生预定要求的光脉冲信号b。
本发明涉及一种功率型LED脉冲光源的实现方法，其中除脉冲信号发生模块需5V直流电压供电外，其他部分均可通过直流可调电源供电。
本发明涉及一种功率型LED脉冲光源的实现方法，其中采用功率型LED 光源做脉冲光源，能保证在高频窄脉冲信号下正常驱动，输出要求的光脉冲信号，且功率型LED光源的使用及易更换的优势，增加了波长覆盖范围，可以拓展LED脉冲光源的应用领域，可用于需要脉冲光源的相关领域的研究，如：光声成像、植物照明、紫外杀菌等。
本发明涉及一种功率型LED脉冲光源的实现方法，如图2所示，其中LED 脉冲光源模块由功率型LED光源31与准直透镜32组合而成。根据所选功率型LED光源31的波长、发光角度等特征出发，对LED光源进行二次配光，选择合适的准直透镜32。通过对透镜设计及光路模拟，选择全内反射(Total Internal Reflection TIR)透镜为准直透镜。最后通过LED脉冲光源模块，使脉冲光源输出平行准直光束33，降低了光源光线耗损严重的现象。
本发明涉及一种功率型LED脉冲光源的实现方法，如图2所示，实际情况下准直透镜32位于LED光源31的出光侧，光源的全部光线在通过全反射、折射后，光线经出射面以平行准直光束出射，很大程度上减少了光线的损失。
本发明涉及一种功率型LED脉冲光源的实现方法，图2所示的LED光源模块的结构集成在如图1所示的LED脉冲光源模块3上，加强了装置模块化程度。
本发明涉及一种功率型LED脉冲光源的实现方法，其中所述的脉冲光源集成在一块面积不足100cm2的PCB板上，体积远小于常见的OPO等激光器。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种功率型LED脉冲光源的实现方法，该功率型LED脉冲光源包括脉冲信号发生模块（1）、驱动电路模块（2）和LED脉冲光源模块（3）；其特征在于：
所述脉冲信号发生模块（1）包括FPGA芯片、晶振、JTAG下载接口；晶振与JTAG下载接口分别与FPGA芯片电性连接，利用VHDL语言编写程序来控制脉冲信号发生模块（1）产生所需要的脉冲信号；
所述驱动电路模块（2）包括MOS管Q1、肖特基二极管D1、MOS管驱动器U1、磁珠FB1，以贴片的方式接入PCB板上的驱动电路，磁珠FB1一端与电源VDD连接，另一端分别与MOS管驱动器U1端口相连，肖特基二极管D1与LED光源并联分别一端通过电阻R4与电源VDD连接，另一端与MOS管Q1源极连接，MOS管Q1栅极通过电阻R2和电阻R3分别与MOS管驱动器U1输出端口相连；
所述LED脉冲光源模块（3）包括功率型LED与准直透镜，功率型LED贴片固定在PCB板上的预留位置，与驱动电路模块（2）连接，准直透镜位于功率型LED出光侧，通过螺旋方式固定在PCB板上。
2.根据权利要求1所述的一种功率型LED脉冲光源的实现方法，其特征在于：脉冲信号是基于FPGA的脉冲信号发生模块（1）产生的，通过VHDL语言修改、编写程序产生不同脉宽、不同占空比的脉冲信号。
3.根据权利要求1所述的一种功率型LED脉冲光源的实现方法，其特征在于：驱动电路模块（2）通过MOS管驱动器U1来驱动相应的场效应管，采用高频窄脉宽信号控制场效应管的开关状态，从而使驱动电路模块（2）快速响应。
4.根据权利要求1所述的一种功率型LED脉冲光源的实现方法，其特征在于：LED脉冲光源模块（3）采用更换不同波长的功率型LED光源或者使用多颗集成的LED光源系统满足高功率应用需求。
5.根据权利要求1所述的一种功率型LED脉冲光源的实现方法，其特征在于：LED脉冲光源模块（3）由功率型LED与准直透镜组成，准直透镜位于LED出光侧，完全覆盖出光面，使光线进入准直透镜，二次配光后LED脉冲光源模块（3）输出平行准直光束。
6.根据权利要求1所述的一种功率型LED脉冲光源的实现方法，其特征在于：脉冲信号发生模块（1）采用5V直流电源进行供电。
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