大功率紫外LED固化光源可编程电源系统设计

□吕健滔

一、引言

紫外光固化是一种有机涂料快速凝固技术，由于具有安全快捷、无污染、固化质量高等优点，目前广泛应用于多个工业领域，包括印刷、光电子器件装配、汽车制造等方面[1～3]。特别是，近年来紫外固化技术广泛应用于陶瓷印刷行业，并极大地提高了陶瓷制作的工艺水平以及生产效率，同时也降低了生产成本。一方面，陶瓷印刷工艺对涂料的固化质量和速度要求较高；另一方面，用于陶瓷印刷的涂料在固化过程中对紫外辐射的能量密度要求也非常高；再者，为了保证陶瓷印刷质量，特别是涂料固化后的颜色一致性问题，对紫外辐射的空间均匀性和时间稳定性也提出了很高的要求。然而，长期以来紫外固化设备所用的光源都是高压汞灯，这种传统的气体放电光源效率较低、功耗大，而且寿命短，光强的时间稳定性较差。上述问题极大地制约了紫外光固化技术的进一步推广。因此，研制新型的紫外光源以替代传统的高压汞灯，成为了目前紫外固化领域迫切有待解决的技术“瓶颈”。幸运的是，近十年来，LED技术，特别是大功率紫外LED的研制成功极大地推动了紫外辐射固化技术的发展。紫外LED具备了有别于传统光源的多种优势，包括发光效率高、寿命长、节能环保、控制电源简单等特点。因此，紫外LED取代传统光源作为紫外辐射固化系统的光源是必然趋势[4～5]。

目前，对于紫外LED光源的研究主要针对三个方面进行：第一，LED芯片工艺的提高，以获得更好的光谱特性和更高的发光效率；第二，通过非成像光学设计手段设计适合的聚光系统或者选择适当的阵列排布形式，提高光源的均匀度和照射的峰值功率密度；第三，从电源出发，研制出功率更大、稳定性更高的数字式智能控制电源模块，以提高紫外辐射输出的稳定性以及自动化生产的需求。本文以集成化紫外LED光源为目标，设计一种稳定性较高的大功率恒流源模块，并具有数字化控制功能，以实现输出功率的检测与自动调节功能。

二、系统总体设计

本电路要实现两个基本功能，一是需要实现大功率的恒流输出；二是要求对输出光功率进行实时检测，并实现输出电流的反馈控制。由于LED光强与电流的曲线是接近线性的，所以作为一款LED调光电源，其对电流控制的能力，即可看做其控制光强的能力。同时，电源效率也是电源的一个重要指标。因此，本电路的电源采用BUCK拓扑的方式降压实现恒流输出，并采用比较成熟的PID(比例-积分-微分)控制方式实现输出光强的恒定控制[6]。

PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，其中P、I、D分别代表比例单元、积分单元、微分单元。在三种算法中，比例控制是PID的核心环节，而积分控制则用于消除稳态误差，微分控制则可提高系统的响应速度[6]。PID方式在数字电源控制系统中尤为适用，其系统机构如图1所示,其中PID和PWM控制主要由MCU程序实现，反馈则由MCU的ADC采样实现。

图1 PID控制环路

三、电路及程序实现

系统总体方案可分解成以下四个单元来实现：电源部分、调光及外部控制接口部分、光强监测电路、系统程序设计。

(一)电源设计。为了提高系统的整体效率，电源采用了双MOS开关的BUCK电路方式。图2为BUCK变换器主电路，通过两路PWM实现开关控制，并通过电压和电流采样的方式实现PID反馈控制。其中，电压反馈比例为ADC_VOUT=(3.3-VOUT/10)V，电流反馈为ADC_IOUT=(3.3-IOUT*0.05*5)V。因此，最终的输出控制范围是：ADC_VOUT电压为0.3～2.3V，ADC_IOUT电压为0.8～3.275V。如此通过PID调节PWM即可实现恒压或者恒流输出，而在正常的输出区间内其输出精度和范围主要取决于采样精度和范围。

图2 BUCK变换器主电路

(二)调光及外部控制接口电路。外部调光接口是以一种模拟输入转数字调光的方式实现的。输出转换电路如图3所示，输入范围是1～10V，经过转换输出至ADC采样，即可实现数字调光。而调光精度则取决于ADC的取样精度。

图3 1～10V控制输入电路

为实现数字命令控制，电源中也加入了RS485接口电路，如图4所示。与RS232接口相比，RS485最大的优势在于可实现联网功能，而不是RS232的点对点通讯方式。RS485在网络通信中一般采用主从通信方式，即一个主机带多个从机。而且，由于其独特的通讯协议和设备标准，特别适用于远距离的高噪声数字通讯需求。系统在添加了这部分电路后，可实现从上位机直接发送指令对电源进行控制。而且，在大型的紫外LED固化设备中，光源系统通常由多个独立的紫外光源模块组成，这就需要上位机同时对多个光源模块进行控制，而RS485则很好的满足了一主多从的通讯架构。

图4 RS485控制电路

(三)功率监测电路。自动调光主要是利用光电探测器对输出光强进行采样，并输出相应的信号作为反馈源。在电源中嵌入了紫外光电强探测器以及相应的外围电路，其原理图如图5所示。紫外光电池采用电流放大形式，其光电流与光强度成正比，经过放大后即可输入至ADC采样。

图5 光电探测电路

(四)系统控制程序。对于整个系统而言主要还是靠MCU程序实现自动控制，程序执行框图如图6所示。系统软件的执行过程如下：启动系统后进行初始化设置；启动ADC采集控制，并利用上位机通过RS485接口输入电压和光强的设定值，程序经过运算后输出相应的电压及电流；PID程序可根据所采集的光强数据以及输入命令程序进行分析，并控制PWM输出。上述循环不断进行，以达到数字调光目的，而光强的稳定精度则可通过循环周期来设定。另外，为了保证紫外固化设备的正常运行，程序中还将添加光强失控报警以及电流异常处理等模块。

图6 控制程序流程图

四、结语

本文所设计的智能化大功率紫外LED电源采用双MOS开关的BUCK电路形式，可有效提高电源转换效率。在自动监测和恒光强控制的实现上，利用现有MCU的ADC和PWM等常用接口，极大地简化了硬件电路。并通过PID算法实现电源恒压、恒流模式，以达到光强可调的目的。本研究成果将为实用化紫外LED光源的研发提供支持，并可进一步提高紫外LED固化光源的稳定性以及降低设备成本，具有较高的实用价值。