自動化并非新鮮事物，無論是在生產(chǎn)還是檢測領(lǐng)域，其需求都在迅速增長。傳感器的使用越來越多，其中許多基于直接光或反射光檢測。有些傳感器工作在可見光范圍內(nèi)，有些則工作在不可見光范圍內(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。然而，LED照明系統(tǒng)的優(yōu)劣取決于外圍元器件，而LED驅(qū)動器是許多應(yīng)用中的關(guān)鍵元件之一。

機(jī)器視覺系統(tǒng)使用非常短的強(qiáng)光閃光來生成高速圖像，這些圖像廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)處理應(yīng)用。例如，快速移動的傳送帶通過機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行快速標(biāo)簽和缺陷檢測。紅外和激光 LED 閃光燈通常用于近距離和運(yùn)動感應(yīng)機(jī)器視覺。安防系統(tǒng)會發(fā)出高速、難以察覺的 LED 閃光，以感應(yīng)運(yùn)動并捕捉和存儲安防錄像。

所有這些系統(tǒng)都面臨著一個挑戰(zhàn)，那就是創(chuàng)建極高電流和短時（微秒級）的 LED 攝像頭閃光波形，這些波形可能會分散在很長的時間段內(nèi)，例如 100 毫秒到 1 秒以上。創(chuàng)建間隔較長的短方形 LED 閃光波形并非易事。隨著 LED（或 LED 燈串）的驅(qū)動電流超過 1 A，LED 的開啟時間縮短至微秒級，挑戰(zhàn)也隨之增加。許多具有高速 PWM 功能的 LED 驅(qū)動器可能無法有效處理長關(guān)斷時間和短時間內(nèi)的高電流，否則會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)動器可以為高達(dá) 2 A 的 LED 燈串提供機(jī)器視覺相機(jī)閃光燈，即使在 1 秒、1 小時、1 天或更長時間的長關(guān)斷時間內(nèi)也能實(shí)現(xiàn)。特殊的相機(jī)閃光燈功能使其即使在長關(guān)斷時間內(nèi)也能保持輸出電容和控制環(huán)路的充電狀態(tài)。在對輸出和控制環(huán)路電容的狀態(tài)進(jìn)行采樣后，驅(qū)動器會在長關(guān)斷時間內(nèi)繼續(xù)對這些組件進(jìn)行涓流充電，以補(bǔ)償?shù)湫偷穆╇娏?，而其?LED 驅(qū)動器無法解決這個問題。

當(dāng)驅(qū)動器并聯(lián)以增加 LED 閃光燈電流時，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)兩個驅(qū)動器是多么容易——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)動器產(chǎn)生 3 A 機(jī)器視覺 LED 脈沖，相對于標(biāo)準(zhǔn) PWM 調(diào)光頻率具有較長的關(guān)斷時間。

機(jī)器視覺系統(tǒng)對 LED 閃光燈的要求遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn) PWM 調(diào)光驅(qū)動器所能滿足的水平。也就是說，大多數(shù)LED 驅(qū)動器的設(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)，較低的頻率也會被人眼感知為惱人的閃爍或頻閃。在 100 Hz 下，理論關(guān)斷時間約為max. 10 ms。在 10 ms 關(guān)斷時間內(nèi)，如果設(shè)計(jì)正確，LED 驅(qū)動器的輸出電容電荷損失非常小，使其能夠以與上一個 PWM 導(dǎo)通脈沖結(jié)束時大致相同的狀態(tài)啟動控制環(huán)路。電感電流的快速響應(yīng)和上升以及下一個 LED PWM 導(dǎo)通脈沖可以快速且可重復(fù)地啟動，同時更大限度地縮短啟動時間。較長的關(guān)斷時間（頻率低于 100 Hz）可能會因漏電而導(dǎo)致輸出電容電荷損失，從而影響 LED 再次開啟時的快速響應(yīng)。

并聯(lián) LED 驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)更高電流

LED 驅(qū)動器充當(dāng)電流源，調(diào)節(jié)通過發(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 LED 驅(qū)動器，并使其電流匯聚流過負(fù)載。電流源無需保護(hù)，以防止電流通過一個轉(zhuǎn)換器反向流動或輸出不匹配。另一方面，電壓調(diào)節(jié)器本身并不擅長均流。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)器可能會吸收反向電流。

LED 驅(qū)動器會維持其輸出電流，而不受其他驅(qū)動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)動器的并聯(lián)變得非常簡單。例如，圖 2 所示的由兩個并聯(lián) LED 驅(qū)動器組成的 LED 閃光燈系統(tǒng)可以高效地驅(qū)動 4 個 3 A 的 LED，并以機(jī)器視覺系統(tǒng)定義的長周期（10 µs）分散的短脈沖驅(qū)動。每個轉(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)斷時間可長可短，對閃光波形的可重復(fù)性沒有影響。

并聯(lián)相機(jī)閃光燈應(yīng)用在長關(guān)斷時間內(nèi)幾乎與單個轉(zhuǎn)換器一樣簡單。轉(zhuǎn)換器在最后一個 PWM 導(dǎo)通脈沖結(jié)束時監(jiān)測共享輸出電壓，并保持輸出電容充電至該狀態(tài)，即使在長關(guān)斷時間內(nèi)也是如此。每個轉(zhuǎn)換器將其 PWM MOSFET 與共享負(fù)載斷開，并通過在電容漏電時向其提供電流，使其輸出電容充電至接近上一個電壓狀態(tài)。這些電容在長關(guān)斷時間內(nèi)產(chǎn)生的任何漏電都可以通過少量維持電流來抵消。當(dāng)下一個 PWM 導(dǎo)通脈沖開始時，每個轉(zhuǎn)換器的 PWM MOSFET 導(dǎo)通，輸出電容啟動時的狀態(tài)與上一個脈沖大致相同，無論時間過去了 10 毫秒還是一整天。

圖 3a 和 b 展示了并聯(lián) LED 驅(qū)動器以 3 A 電流驅(qū)動 4 個 LED，并使用 10 µs 的機(jī)器視覺相機(jī)脈沖。無論是 10 毫秒 PWM 關(guān)閉時間（100 Hz）還是 1 秒 PWM 關(guān)閉時間（1 Hz），LED 脈沖都是尖銳而快速的，這對于機(jī)器視覺系統(tǒng)來說是理想的。

圖 3：無論 PWM 關(guān)斷時間長短，圖 1 中并聯(lián) LED 驅(qū)動器的相機(jī)閃光燈波形看起來都一樣。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)斷一天或更長時間后看起來也一樣。

更高電流亦可行

并聯(lián) LED 驅(qū)動器不限于兩個轉(zhuǎn)換器。三個或更多轉(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)動器轉(zhuǎn)換器共享相同的同步時鐘并保持同相。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或在不同轉(zhuǎn)換器之間流動。PWM 脈沖波形與 2 MHz 同步時鐘保持同相至關(guān)重要。這可確保 LED 閃光波形保持方波且無抖動，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)動器，以驅(qū)動 1 A 電流流過一個或兩個 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這樣的電路，以 24 V 輸入驅(qū)動 10 µs、3 A 脈沖流經(jīng) 4 個 LED。出于測試目的，可以使用脈沖發(fā)生器來提供同步時鐘信號，如圖 4 所示。在生產(chǎn)機(jī)器視覺系統(tǒng)中，可以使用時鐘芯片來生成同步脈沖和 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 LED 閃光燈應(yīng)用。

結(jié)論

機(jī)器視覺系統(tǒng)可以使用并聯(lián) LED 驅(qū)動器來創(chuàng)建自動圖像處理所需的快速、方波、高電流波形。所選 LED 驅(qū)動器的專有相機(jī)閃光技術(shù)可以通過連接并聯(lián)轉(zhuǎn)換器擴(kuò)展到更高的電流。因此，即使在較長的關(guān)斷時間下，也能實(shí)現(xiàn)微秒級的 3 A 及更高脈沖。無論 LED 閃光之間的關(guān)斷時間有多長，LED 相機(jī)閃光波形都能保持方波且無抖動。這是機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)用在生產(chǎn)中安全可靠運(yùn)行的必要條件。