高功率机器视觉闪光灯的 LED 驱动器

自动化并非新鲜事物，无论是在生产还是检测领域，其需求都在迅速增长。传感器的使用越来越多，其中许多基于直接光或反射光检测。有些传感器工作在可见光范围内，有些则工作在不可见光范围内。LED照明已成为大多数应用的标准，因为固态光源相较于其他照明技术拥有诸多优势。然而，LED照明系统的优劣取决于外围元器件，而LED驱动器是许多应用中的关键元件之一。

机器视觉系统使用非常短的强光闪光来生成高速图像，这些图像广泛应用于各种数据处理应用。例如，快速移动的传送带通过机器视觉系统进行快速标签和缺陷检测。红外和激光 LED 闪光灯通常用于近距离和运动感应机器视觉。安防系统会发出高速、难以察觉的 LED 闪光，以感应运动并捕捉和存储安防录像。

所有这些系统都面临着一个挑战，那就是创建极高电流和短时（微秒级）的 LED 摄像头闪光波形，这些波形可能会分散在很长的时间段内，例如 100 毫秒到 1 秒以上。创建间隔较长的短方形 LED 闪光波形并非易事。随着 LED（或 LED 灯串）的驱动电流超过 1 A，LED 的开启时间缩短至微秒级，挑战也随之增加。许多具有高速 PWM 功能的 LED 驱动器可能无法有效处理长关断时间和短时间内的高电流，否则会降低正确高速图像处理所需的方波波形。

专有 LED 闪光灯

幸运的是，我们示例中的高速 LED 驱动器可以为高达 2 A 的 LED 灯串提供机器视觉相机闪光灯，即使在 1 秒、1 小时、1 天或更长时间的长关断时间内也能实现。特殊的相机闪光灯功能使其即使在长关断时间内也能保持输出电容和控制环路的充电状态。在对输出和控制环路电容的状态进行采样后，驱动器会在长关断时间内继续对这些组件进行涓流充电，以补偿典型的漏电流，而其他 LED 驱动器无法解决这个问题。

当驱动器并联以增加 LED 闪光灯电流时，专有闪光灯技术可以扩展。所需的闪光形状和完整性得以保持。图 2 显示了为 3 A 相机闪光灯并联两个驱动器是多么容易——高达 4 A 的设计也是可行的。

图 2：并联 1.5 A LED 驱动器产生 3 A 机器视觉 LED 脉冲，相对于标准 PWM 调光频率具有较长的关断时间。

机器视觉系统对 LED 闪光灯的要求远超标准 PWM 调光驱动器所能满足的水平。也就是说，大多数LED 驱动器的设计目标是以至少 100 Hz 的 PWM 频率实现 PWM 调光亮度控制。这是因为即使 LED 波形是方波且可重复，较低的频率也会被人眼感知为恼人的闪烁或频闪。在 100 Hz 下，理论关断时间约为max. 10 ms。在 10 ms 关断时间内，如果设计正确，LED 驱动器的输出电容电荷损失非常小，使其能够以与上一个 PWM 导通脉冲结束时大致相同的状态启动控制环路。电感电流的快速响应和上升以及下一个 LED PWM 导通脉冲可以快速且可重复地启动，同时更大限度地缩短启动时间。较长的关断时间（频率低于 100 Hz）可能会因漏电而导致输出电容电荷损失，从而影响 LED 再次开启时的快速响应。

并联 LED 驱动器实现更高电流

LED 驱动器充当电流源，调节通过发光二极管发出的电流。由于电流仅沿单向流向输出，因此可以并联多个 LED 驱动器，并使其电流汇聚流过负载。电流源无需保护，以防止电流通过一个转换器反向流动或输出不匹配。另一方面，电压调节器本身并不擅长均流。如果它们都试图将输出电压调节到某一点，并且其反馈网络略有不同，则调节器可能会吸收反向电流。

LED 驱动器会维持其输出电流，而不受其他驱动器可能提供的额外电流汇聚到输出负载的影响。这使得 LED 驱动器的并联变得非常简单。例如，图 2 所示的由两个并联 LED 驱动器组成的 LED 闪光灯系统可以高效地驱动 4 个 3 A 的 LED，并以机器视觉系统定义的长周期（10 µs）分散的短脉冲驱动。每个转换器在PWM导通期间提供总灯串电流的一半，并在PWM关断期间关闭并保存其输出状态。关断时间可长可短，对闪光波形的可重复性没有影响。

并联相机闪光灯应用在长关断时间内几乎与单个转换器一样简单。转换器在最后一个 PWM 导通脉冲结束时监测共享输出电压，并保持输出电容充电至该状态，即使在长关断时间内也是如此。每个转换器将其 PWM MOSFET 与共享负载断开，并通过在电容漏电时向其提供电流，使其输出电容充电至接近上一个电压状态。这些电容在长关断时间内产生的任何漏电都可以通过少量维持电流来抵消。当下一个 PWM 导通脉冲开始时，每个转换器的 PWM MOSFET 导通，输出电容启动时的状态与上一个脉冲大致相同，无论时间过去了 10 毫秒还是一整天。

图 3a 和 b 展示了并联 LED 驱动器以 3 A 电流驱动 4 个 LED，并使用 10 µs 的机器视觉相机脉冲。无论是 10 毫秒 PWM 关闭时间（100 Hz）还是 1 秒 PWM 关闭时间（1 Hz），LED 脉冲都是尖锐而快速的，这对于机器视觉系统来说是理想的。

图 3：无论 PWM 关断时间长短，图 1 中并联 LED 驱动器的相机闪光灯波形看起来都一样。波形显示，(a) 10 毫秒后和 (b) 1 秒后 10 µs 脉冲的波形相同。这款 LED 闪光灯在 PWM 关断一天或更长时间后看起来也一样。

更高电流亦可行

并联 LED 驱动器不限于两个转换器。三个或更多转换器可以并联，以产生具有陡峭边沿的更高电流波形。由于该系统没有主设备或从设备之分，所有转换器均提供相同大小的电流并均等分担负载。建议所有并联 LED 驱动器转换器共享相同的同步时钟并保持同相。这可确保所有转换器的输出电容纹波相位大致相同，从而避免纹波电流反向流动或在不同转换器之间流动。PWM 脉冲波形与 2 MHz 同步时钟保持同相至关重要。这可确保 LED 闪光波形保持方波且无抖动，从而产生好的图像处理效果。

该演示电路设计用于作为降压 LED 驱动器，以驱动 1 A 电流流过一个或两个 LED。如图 1 所示，它可以轻松进行修改和并联，以实现更高的电流、更高的电压或并联操作。图 4 演示了如何轻松连接两个这样的电路，以 24 V 输入驱动 10 µs、3 A 脉冲流经 4 个 LED。出于测试目的，可以使用脉冲发生器来提供同步时钟信号，如图 4 所示。在生产机器视觉系统中，可以使用时钟芯片来生成同步脉冲和 PWM 脉冲。如果需要更高的电流脉冲，可以使用相同的并联方案添加更多演示电路转换器。

图 4：两个演示电路可轻松并联，以创建图 2 所示的 3 A 至 4 A 机器视觉 LED 闪光灯应用。

结论

机器视觉系统可以使用并联 LED 驱动器来创建自动图像处理所需的快速、方波、高电流波形。所选 LED 驱动器的专有相机闪光技术可以通过连接并联转换器扩展到更高的电流。因此，即使在较长的关断时间下，也能实现微秒级的 3 A 及更高脉冲。无论 LED 闪光之间的关断时间有多长，LED 相机闪光波形都能保持方波且无抖动。这是机器视觉系统应用在生产中安全可靠运行的必要条件。