【導(dǎo)讀】機(jī)器視覺系統(tǒng)利用非常短的強(qiáng)光閃爍產(chǎn)生高速圖像運(yùn)用于各種數(shù)據(jù)處理應(yīng)用。比如,快速移動(dòng)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閃光燈常用于近程和運(yùn)動(dòng)檢測機(jī)器視覺。安全系統(tǒng)發(fā)出高速、難以察覺的LED閃光燈來檢測運(yùn)動(dòng),捕獲和存儲安全影像。
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,這些波形可能散開在較長時(shí)間內(nèi),例如100 ms到1 s以上。產(chǎn)生間隔較長時(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)器可能無法有效處理較長關(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)器視覺相機(jī)閃光燈,關(guān)斷時(shí)間可以長達(dá)1秒、1小時(shí)、1天或更長時(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),哪怕是在長關(guān)斷時(shí)間內(nèi)。對輸出和控制環(huán)路電容的狀態(tài)進(jìn)行采樣后,LT3932繼續(xù)在長關(guān)斷期間對這些元件進(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。
圖1. 相對于標(biāo)準(zhǔn)PWM調(diào)光頻率,并聯(lián)LT3932 1.5 A LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生具有長關(guān)斷時(shí)間的3 A機(jī)器視覺LED脈沖
機(jī)器視覺系統(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,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)?,若頻率較低,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重新開啟時(shí)無法快速響應(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,其電流匯總后通過負(fù)載。電流源不需要防范電流通過一個(gè)轉(zhuǎn)換器反向流動(dòng),也無需擔(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)器視覺系統(tǒng)所定義的較長期間內(nèi)沖散開來。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,對閃光波形的重復(fù)性沒有影響。
圖2. 無論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)過一天或更長的PWM關(guān)斷時(shí)間之后,LT3932 LED閃光波形看起來也相同。
在長關(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。這些電容在長關(guān)斷時(shí)間內(nèi)發(fā)生的任何泄漏都可以通過少量維持電流來補(bǔ)償。當(dāng)下一個(gè)PWM導(dǎo)通脈沖開始時(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),無論是經(jīng)過了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)器視覺相機(jī)脈沖為10μs。無論是10 ms PWM關(guān)斷時(shí)間(100 Hz)還是1 sPWM關(guān)斷時(shí)間(1 Hz),LED脈沖都很陡峭且快速,這對于機(jī)器視覺系統(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。出于測試目的,脈沖發(fā)生器可用于提供同步時(shí)鐘信號,如圖4所示。在量產(chǎn)機(jī)器視覺系統(tǒng)中,可利用時(shí)鐘芯片生成同步時(shí)鐘信號和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)器視覺例子。檢測系統(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LED閃光燈應(yīng)用。
結(jié)語
機(jī)器視覺系統(tǒng)可以使用并聯(lián)LED驅(qū)動(dòng)器來創(chuàng)建自動(dòng)圖像處理所需的快速、方形、高電流波形。通過并聯(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,也可以實(shí)現(xiàn)3 A和更高的微秒級脈沖。無論LED閃光之間的關(guān)斷時(shí)間有多長,LED相機(jī)閃光波形都能保持方形且無抖動(dòng)。