自動(dòng)化并非新鮮事物，無(wú)論是在生產(chǎn)還是檢測(cè)領(lǐng)域，其需求都在迅速增長(zhǎng)。傳感器的使用越來(lái)越多，其中許多基于直接光或反射光檢測(cè)。有些傳感器工作在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，有些則工作在不可見(jiàn)光范圍內(nèi)。LED照明已成為大多數(shù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)楣虘B(tài)光源相較于其他照明技術(shù)擁有諸多優(yōu)勢(shì)。然而，LED照明系統(tǒng)的優(yōu)劣取決于外圍元器件，而LED驅(qū)動(dòng)器是許多應(yīng)用中的關(guān)鍵元件之一。

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)使用非常短的強(qiáng)光閃光來(lái)生成高速圖像，這些圖像廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)處理應(yīng)用。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 閃光燈通常用于近距離和運(yùn)動(dòng)感應(yīng)機(jī)器視覺(jué)。安防系統(tǒng)會(huì)發(fā)出高速、難以察覺(jué)的 LED 閃光，以感應(yīng)運(yùn)動(dòng)并捕捉和存儲(chǔ)安防錄像。

所有這些系統(tǒng)都面臨著一個(gè)挑戰(zhàn)，那就是創(chuàng)建極高電流和短時(shí)（微秒級(jí)）的 LED 攝像頭閃光波形，這些波形可能會(huì)分散在很長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)，例如 100 毫秒到 1 秒以上。創(chuàng)建間隔較長(zhǎng)的短方形 LED 閃光波形并非易事。隨著 LED（或 LED 燈串）的驅(qū)動(dòng)電流超過(guò) 1 A，LED 的開(kāi)啟時(shí)間縮短至微秒級(jí)，挑戰(zhàn)也隨之增加。許多具有高速 PWM 功能的 LED 驅(qū)動(dòng)器可能無(wú)法有效處理長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間和短時(shí)間內(nèi)的高電流，否則會(huì)降低正確高速圖像處理所需的方波波形。

專有 LED 閃光燈

幸運(yùn)的是，我們示例中的高速 LED 驅(qū)動(dòng)器可以為高達(dá) 2 A 的 LED 燈串提供機(jī)器視覺(jué)相機(jī)閃光燈，即使在 1 秒、1 小時(shí)、1 天或更長(zhǎng)時(shí)間的長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間內(nèi)也能實(shí)現(xiàn)。特殊的相機(jī)閃光燈功能使其即使在長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間內(nèi)也能保持輸出電容和控制環(huán)路的充電狀態(tài)。在對(duì)輸出和控制環(huán)路電容的狀態(tài)進(jìn)行采樣后，驅(qū)動(dòng)器會(huì)在長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間內(nèi)繼續(xù)對(duì)這些組件進(jìn)行涓流充電，以補(bǔ)償?shù)湫偷穆╇娏?，而其?LED 驅(qū)動(dòng)器無(wú)法解決這個(gè)問(wèn)題。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)以增加 LED 閃光燈電流時(shí)，專有閃光燈技術(shù)可以擴(kuò)展。所需的閃光形狀和完整性得以保持。圖 2 顯示了為 3 A 相機(jī)閃光燈并聯(lián)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器是多么容易——高達(dá) 4 A 的設(shè)計(jì)也是可行的。

圖 2：并聯(lián) 1.5 A LED 驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生 3 A 機(jī)器視覺(jué) LED 脈沖，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn) PWM 調(diào)光頻率具有較長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)間。

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì) LED 閃光燈的要求遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn) PWM 調(diào)光驅(qū)動(dòng)器所能滿足的水平。也就是說(shuō)，大多數(shù)LED 驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是以至少 100 Hz 的 PWM 頻率實(shí)現(xiàn) PWM 調(diào)光亮度控制。這是因?yàn)榧词?LED 波形是方波且可重復(fù)，較低的頻率也會(huì)被人眼感知為惱人的閃爍或頻閃。在 100 Hz 下，理論關(guān)斷時(shí)間約為max. 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)器的輸出電容電荷損失非常小，使其能夠以與上一個(gè) PWM 導(dǎo)通脈沖結(jié)束時(shí)大致相同的狀態(tài)啟動(dòng)控制環(huán)路。電感電流的快速響應(yīng)和上升以及下一個(gè) LED PWM 導(dǎo)通脈沖可以快速且可重復(fù)地啟動(dòng)，同時(shí)更大限度地縮短啟動(dòng)時(shí)間。較長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)間（頻率低于 100 Hz）可能會(huì)因漏電而導(dǎo)致輸出電容電荷損失，從而影響 LED 再次開(kāi)啟時(shí)的快速響應(yīng)。

并聯(lián) LED 驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)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。由于電流僅沿單向流向輸出，因此可以并聯(lián)多個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)器，并使其電流匯聚流過(guò)負(fù)載。電流源無(wú)需保護(hù)，以防止電流通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換器反向流動(dòng)或輸出不匹配。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)略有不同，則調(diào)節(jié)器可能會(huì)吸收反向電流。

LED 驅(qū)動(dòng)器會(huì)維持其輸出電流，而不受其他驅(qū)動(dòng)器可能提供的額外電流匯聚到輸出負(fù)載的影響。這使得 LED 驅(qū)動(dòng)器的并聯(lián)變得非常簡(jiǎn)單。例如，圖 2 所示的由兩個(gè)并聯(lián) LED 驅(qū)動(dòng)器組成的 LED 閃光燈系統(tǒng)可以高效地驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) 3 A 的 LED，并以機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)定義的長(zhǎng)周期（10 µs）分散的短脈沖驅(qū)動(dòng)。每個(gè)轉(zhuǎn)換器在PWM導(dǎo)通期間提供總燈串電流的一半，并在PWM關(guān)斷期間關(guān)閉并保存其輸出狀態(tài)。關(guān)斷時(shí)間可長(zhǎng)可短，對(duì)閃光波形的可重復(fù)性沒(méi)有影響。

并聯(lián)相機(jī)閃光燈應(yīng)用在長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間內(nèi)幾乎與單個(gè)轉(zhuǎn)換器一樣簡(jiǎn)單。轉(zhuǎn)換器在最后一個(gè) PWM 導(dǎo)通脈沖結(jié)束時(shí)監(jiān)測(cè)共享輸出電壓，并保持輸出電容充電至該狀態(tài)，即使在長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間內(nèi)也是如此。每個(gè)轉(zhuǎn)換器將其 PWM MOSFET 與共享負(fù)載斷開(kāi)，并通過(guò)在電容漏電時(shí)向其提供電流，使其輸出電容充電至接近上一個(gè)電壓狀態(tài)。這些電容在長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的任何漏電都可以通過(guò)少量維持電流來(lái)抵消。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，輸出電容啟動(dòng)時(shí)的狀態(tài)與上一個(gè)脈沖大致相同，無(wú)論時(shí)間過(guò)去了 10 毫秒還是一整天。

圖 3a 和 b 展示了并聯(lián) LED 驅(qū)動(dòng)器以 3 A 電流驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LED，并使用 10 µs 的機(jī)器視覺(jué)相機(jī)脈沖。無(wú)論是 10 毫秒 PWM 關(guān)閉時(shí)間（100 Hz）還是 1 秒 PWM 關(guān)閉時(shí)間（1 Hz），LED 脈沖都是尖銳而快速的，這對(duì)于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是理想的。

圖 3：無(wú)論 PWM 關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)短，圖 1 中并聯(lián) LED 驅(qū)動(dòng)器的相機(jī)閃光燈波形看起來(lái)都一樣。波形顯示，(a) 10 毫秒后和 (b) 1 秒后 10 µs 脈沖的波形相同。這款 LED 閃光燈在 PWM 關(guān)斷一天或更長(zhǎng)時(shí)間后看起來(lái)也一樣。

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)換器可以并聯(lián)，以產(chǎn)生具有陡峭邊沿的更高電流波形。由于該系統(tǒng)沒(méi)有主設(shè)備或從設(shè)備之分，所有轉(zhuǎn)換器均提供相同大小的電流并均等分擔(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。這可確保所有轉(zhuǎn)換器的輸出電容紋波相位大致相同，從而避免紋波電流反向流動(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)鐘保持同相至關(guān)重要。這可確保 LED 閃光波形保持方波且無(wú)抖動(dòng)，從而產(chǎn)生好的圖像處理效果。

該演示電路設(shè)計(jì)用于作為降壓 LED 驅(qū)動(dòng)器，以驅(qū)動(dòng) 1 A 電流流過(guò)一個(gè)或兩個(gè) LED。如圖 1 所示，它可以輕松進(jìn)行修改和并聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)更高的電流、更高的電壓或并聯(lián)操作。圖 4 演示了如何輕松連接兩個(gè)這樣的電路，以 24 V 輸入驅(qū)動(dòng) 10 µs、3 A 脈沖流經(jīng) 4 個(gè) LED。出于測(cè)試目的，可以使用脈沖發(fā)生器來(lái)提供同步時(shí)鐘信號(hào)，如圖 4 所示。在生產(chǎn)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，可以使用時(shí)鐘芯片來(lái)生成同步脈沖和 PWM 脈沖。如果需要更高的電流脈沖，可以使用相同的并聯(lián)方案添加更多演示電路轉(zhuǎn)換器。

圖 4：兩個(gè)演示電路可輕松并聯(lián)，以創(chuàng)建圖 2 所示的 3 A 至 4 A 機(jī)器視覺(jué) LED 閃光燈應(yīng)用。

結(jié)論

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、方波、高電流波形。所選 LED 驅(qū)動(dòng)器的專有相機(jī)閃光技術(shù)可以通過(guò)連接并聯(lián)轉(zhuǎn)換器擴(kuò)展到更高的電流。因此，即使在較長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)間下，也能實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的 3 A 及更高脈沖。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波且無(wú)抖動(dòng)。這是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用在生產(chǎn)中安全可靠運(yùn)行的必要條件。