UV-LED印刷固化设备光源驱动的电路设计

马少茹，张贵山，李晋尧

（北京印刷学院，北京 102600）

UV-LED印刷固化设备光源驱动的电路设计

马少茹，张贵山，李晋尧

（北京印刷学院，北京 102600）

UV-LED固化已经越来越被市场所采纳，成为了资本市场的新宠儿，该项技术也已成为国内外印刷领域的研究热点。UV-LED印刷固化技术具有节能、环保、绿色的特点。和传统的UV固化方式相比，能够减少80%-90%的耗电量，不产生臭氧，没有VOC（易挥发的有机物质）排放。其中，光源驱动的电路设计是UV-LED固化设备的关键技术之一。UV-LED光源驱动的电路需要有很高的稳定性，以提高固化设备的工作可靠性和使用寿命。单颗UV-LED芯片功率只有几瓦，不能满足固化功率要求，因此可采用多颗芯片阵列组成UV-LED集成光源系统。本文介绍的光源系统是由72颗LED芯片采用阵列排布方式构成的，重点介绍通过整流滤波、填谷电路直接驱动LED芯片的电路。该驱动电路不仅可满足LED光源系统固化功率的要求，还可根据固化系统的实际需求对芯片功率进行补偿及提升，使固化设备的工作可靠性和使用寿命得到提高。

UV-LED；固化；驱动电路

1 绪论

多年来，我国积极实施可持续发展战略，将节能减排放在重要的战略地位。2010年9月，环境保护部和新闻出版总署共同签署了《实施绿色印刷战略合作协议》，标志着我国绿色印刷实施工作的正式启动[1]。2011年10月8日，新闻出版总署与环境保护部共同发布了《关于实施绿色印刷的公告》，对我国实施绿色印刷做出了较为全面的部署和安排，我国绿色印刷实施工作进入了一个新的阶段。绿色印刷是指对生态环境影响小、污染少、节约资源和能源的印刷方式，涉及印刷生产全过程[2]。

UV-LED印刷固化技术是一种节能、环保的绿色固化技术。目前，印刷行业的UV干燥光源大多数仍是采用传统的高压水银灯和金属卤素灯，这类传统的UV灯含重金属污染物、耗能高，并且使用寿命短，需要频繁更换。和传统的UV固化方式相比，UVLED固化主要有以下优势：

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其优点主要表现为：

（1）UV-LED超长寿命：使用寿命是传统汞灯式固化机的10倍以上，约20000－30000小时。

（2）UV-LED冷光源、无热辐射，被照品表面温升低，解决光通讯、液晶生产中长期存在的热伤害问题。特别适合液晶封边、薄膜印刷等要求温升小的场合适用。

（3）UV-LED发热量小，可解决汞灯喷绘设备发热量大、工作人员难以忍受的问题。

（4）UV-LED瞬间点亮，不需要预热即刻达到100%功率紫外输出。

（5）UV-LED使用寿命不受开闭次数影响。

（6）UV-LED能量高，光输出稳定，照射均匀效果好，提高生产效率。

（7）UV-LED可定制有效照射区域，长度从20mm到1000mm。

（8）UV-LED不含汞，也不会产生臭氧，是替代传统光源技术的一种更安全、更环保的选择。

（9）UV-LED能耗低，耗电量仅为传统汞灯式固化机的10%，能节约90%电量。

（10）UV-LED维护成本几乎为零，采用UVLED固化设备每年至少节约10000元/台的耗材费。

UV-LED固化技术广泛应用于胶印、柔印、丝印以及喷墨印刷等各种印刷方式，不同波长的紫外UVLED的应用领域都不太一样，大致可以分为工业应用、医疗应用、民用、军工等几个方面。工业应用是目前比较成熟的一块，主要是胶水固化和油墨固化。其中胶水固化涉及的面非常广，几乎涵盖了我们日常生活所接触到的所有电子物品。例如：手机、电脑、手表、音响、智能手环等。油墨固化覆盖了我们日常生活常见物品，例如：衣物、饮料外包装、图册、广告牌、家居装潢等。民用、医疗以及军工是正在快速发展的领域。主要是依靠深紫外能破坏细胞分子结构的原理进行杀菌消毒。这个也是未来健康产业的主题[3]。

目前UV-LED固化技术主要存在以下的问题：一是UV-LED固化设备光源系统波长与UV油墨匹配度差；二是光源系统的驱动电路工作稳定性差；三是固化功率不够，造成固化速度达不到要求[4]；四是散热问题没有彻底解决。这几方面的问题造成了国内UV-LED固化系统的产品开发与市场推广存在一定影响。因此，如果能够在上面所述的几个问题上有所突破，开发出的UV-LED干燥系统将有广阔的市场前景。

2 UV-LED固化装置光源驱动的电路设计

2.1 UV-LED固化装置构成

UV-LED固化装置主要有四部分构成，包括光源模块、光源系统驱动电路、散热模块、单片机整机控制模块。如图1所示。

图1 UV-LED固化装置的构成图

2.2 光源系统驱动电路设计

2.2.1 UV-LED的发光原理

如图2所示，PN结的端电压构成一定的势垒，当加正向电压后，势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子。由于电子迁移率和空穴迁移率大得多，所以会出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，而空穴和电子复合时得到的能量以热能与光能的形式释放出去。

图2 UV-LED发光原理示意图

2.2.2 UV-LED的驱动特性

在UV-LED固化系统中，单颗LED芯片并不能满足功率要求，故采用多颗灯珠串联、并联或者混联的方式组成UV-LED光源阵列来满足实际生产要求，UV-LED负载的连接方式直接关系到其可靠性和使用寿命。在设计光源模块的驱动电路时，一般要考虑成本和性能两个因素。将多颗LED连接在一起使用时，正向电压和电流均必须匹配，而且通过正向电压将LED串联起来可以实现恒定电流，这样可使多颗LED芯片产生一致的亮度。目前多颗LED芯片的连接方式有三种：串联驱动、并联驱动和混联驱动。

串联驱动是驱动LED的最简单方式，但缺点就是串联的电阻会消耗过多的电能，并且单颗功率有限，成本也会很高，当其中一颗LED损坏时，整个电路将会断开，因此大部分不使用此种驱动方式。

并联驱动可以利用较低的电源来驱动LED，不需要升压转换器，甚至可以使用小型的干电池来直接驱动，但是此电路需要较大的电流来驱动大量的LED，因此并联的数量越多，对电源的负担就越大。

混联矩阵式驱动结合了串联电路的低电流驱动，也结合了并联电路的低电压驱动两者的优点，但结构比较复杂。

本文采用以串联驱动为基础，在每只UV-LED并联一个齐纳二极管的新型驱动方式，其中齐纳二极管的导通电压要比LED的导通电压要高，这种驱动方式可保证即使有灯珠损坏的情况下，剩余的灯珠还可继续正常工作，如图3所示。

图3 UV-LED两端并联齐纳二极管连接图

2.3 光源系统驱动电路设计

在设计光源系统驱动电路时，应重点考虑UVLED对电压和电流的要求。驱动电路对UV-LED的工作性能、稳定性和寿命都有较大的影响，应当具有高效、简便易用等特性。

UV-LED具有非线性伏安特性曲线，为减少其光衰并增加其寿命，需要恒流电路驱动UV-LED。UV-LED的发光原理是使电能转换为光能，也就是对化合物半导体施加电流，通过电子与空穴的结合，使过剩的能量以光的形式释放，采用恒流驱动电路会防止电流过大所引起的UV-LED大面积损坏，同时还要对UV-LED输出电压进行考虑，在UV-LED输出电压方式上，有高压输出和低压输出两种方式。在高压输出情况下，UV-LED可以串联在一起，从而减少并联的路数，线路总的电流就会变得比较小，较小的电流意味着较小的线路损耗。如果采用恒流驱动芯片对UV-LED进行驱动，则需要的驱动芯片也会比较少，电路结构简单[5]，而且因为串联的电流相同，从而在发光的一致性方面更好。对于大功率输出来说，采用较高的输出电压对驱动数目较多的UV-LED芯片来说更为方便，因此本文设计的驱动电源采用的是较高电压作为输出，即高电压小电流的输出方式。具体实施方式是直接通过AC220V供电，并通过桥式整流滤波、驱动芯片、自适应填谷电路对LED芯片进行供电，并且可以根据实际工作需要的功率要求增加光源模块，提高UV-LED干燥装置的功率。光源驱动电路过程图如图4所示。

图4 UV-LED驱动电路过程图

2.3.1 整流滤波电路设计

在本设计中，输入电压是交流AC220V，单颗UV-LED的驱动电压值为3V，导通电流范围是0.1～700mA，UV-LED驱动电路的主要功能是将交流电压转换为直流电压，并同时完成与UV-LED的电压和电流的匹配。因此，在AC220V供电后通过整流滤波电路来实现交/直流变换，如图5所示。通常使用的整流滤波网络由二极管和滤波电容等元器件构成，使得驱动电源对电源供电电网表现为非线性作用，为了获得较好的滤波效果，通常选取电容值较大的滤波电容。

图5 桥式整流电路及电压电路波形图

在选择电路中的滤波元件时，主要考虑以下参数：

输出电压的平均值：

输出的最大峰值电压：

整流滤波中的放电时间常数为：

通常为了取得更好的滤波效果，RLC选取得比较大，常取（3～5）T/2，使得电容C的放电时间远大于其充电时间[6]。输入电压为AC220V，由式（3）可得当输出点的时间常数τd为40ms时，由式（1）可以得到平均电压U0为270V左右，由式（2）可以得到最大峰值电压为310V左右，考虑设计要给予1.5系数的安全余量，设计选用600V/0.8A的整流桥堆，以及外加400V耐压6.8μF的铝电解电容来满足前级的整流滤波。

2.3.2 SDS3106控制芯片的电路设计

UV-LED驱动电源的控制芯片是对整个驱动电源电路整体工作运行进行检测和控制的集成电路，芯片的选择在驱动电源的设计中具有关键性意义，所有的控制电路都是围绕着芯片进行设计的，不同的芯片所设计的电路结构也是不相同的。在本设计中，芯片的选型要综合考虑电路的功能、价格成本、结构的简化、性能的稳定等因素，选用SDS3106芯片。

（1）SDS3106控制芯片概述

SDS3106控制芯片是一款单通道高压恒流UVLED驱动芯片。采用线性恒流技术，通过外部电阻设定LED芯片的驱动电流，分两段结构，配置灵活，可适应3～18W各种LED的应用要求，并且采用自适应填谷专利技术[7]，可以有效的改善电源系统的效率和线性调整率。

（2）SDS3106芯片的特性

A、芯片间恒流精度偏差＜±4%；

B、具有温度补偿和过热保护功能；

C、输入功率线性调整率＜2%/10V；

D、PF值＞0.5，也可高PF值配置；

E、线路简单，电源系统成本低；

F、ESOP8封装。

SDS3106芯片的脚位图如图6所示。

图6 SDS3106芯片的脚位图

传统的高压线性恒流LED驱动一般采用驱动芯片与LED芯片串联，整流桥的两个输出端并联一个大电容用来稳压，以降低整流桥输出电压的波动，其驱动波形如图7所示。具体地，图中上面的波形为市电输入交流信号，下面的驱动波形为整流输出波形图；实线部分为市电电压较低时的驱动波形图，虚线部分为市电电压较高时的驱动波形图。由图可知，在T2时间段内，市电输入对电容充电，整流输出的电压随着市电电压绝对值的增加而升高；在T1、T3时间段内，电容两端的电压高于市电电压，电容对LED芯片放电，电容上的电压缓慢下降。

图7 传统填谷电路驱动波形

图8 芯片供电电路图

对比图中的实线与虚线可以得出，当市电电压升高时，LED灯串的驱动电压也随之整体升高。由于LED灯芯是恒流驱动，所以LED灯串的两端的电压不变，增加的这部分电压就直接施加在驱动芯片上，使得芯片上的功耗急剧增加。因此采用传统电容填谷方式的高压线性恒流LED驱动随交流电压升高效率会急剧变差，通常从最优驱动点220V开始，交流电电压每上升10V电源效率下降约5%（线性调整率）。

如图8是采用自适应填谷技术的驱动电路的SDS3106芯片的UV-LED光源驱动电路。在整流桥输出电压上升阶段，对电容进行充电。充电过程中，SDS3106检测整流桥输出电压，当整流输出电压高于某个阈值电压时，SDS3106停止对电容C1充电。当整流桥输出电压下降低于电容电压时，电容对LED灯串放电。图8中CS引脚接电阻到地，用来调节LED灯串中的电流。LED灯串的电流计算公式如下：

芯片的Vref电压为负温度系数的参考电压，当结温超过110℃时，参考电压随着温度的升高而下降，以降低LED中的电流从而提高系统的热稳定性。

如图9是自适应填谷的LED灯串驱动电压波形，Vth1是LED灯串完全点亮的电压，Vth2是电容C1停止充电的电压。一方面，合理地设置电容大小，保证电容C1放电过程中最低电压正好等于Vth1，可以保证交流电220V时，电源系统效率最高；另一方面，当交流电电压升高时，电容C1上最高电压Vth2不会随着升高，在T1和T4时间段，加在LED灯串上的电压不会升高，这样克服了传统填谷电路电源效率随交流电电压升高急剧变差的缺陷，通常从最优驱动点220V开始，交流电电压每上升10V电源效率下降约2%（线性调整率）。

图9 自适应填谷电路驱动波形

4 小结

本文主要对UV-LED绿色印刷固化设备光源系统的驱动电路进行研究，介绍由72颗395nm波段的LED芯片阵列排布构成的光源系统的驱动电路通过串联连接起来，在每颗灯珠上并联了一个齐纳二极管的方式，以及对SDS3106控制芯片构成的驱动电路的性能和特点进行了说明，重点介绍自适应填谷电路以及控制芯片的技术。采用自适应填谷电路技术，对光源系统驱动电路具有相当的实用意义。

[1] 印刷环保技术重点实验室. 绿色印刷技术指南[M]. 北京：印刷工业出版社，2011.9.

[2] 印刷环保部环境发展中心. 绿色印刷与中国环境标志[M]. 北京：中国环境出版社，2012.9.

[3] 深圳市维海立信科技发展有限公司. 绿色-智能-环保-高效的UVLED固化技术[J]. 网印工业，2015.6.

[4] 赵欢. LED阵列型紫外固化光源的关键技术研究[D].大连：大连海事大学，2008.

[5] 刘彬. 恒流驱动电源的研究与设计[D]. 北京：北京交通大学，2009.

[6] 麻幼学. 整流滤波电压算法探讨[J]. 肇庆学院学报，2010, 31(2):32-35.

[7]周志敏，周纪海.开关电源功率因数校正电路设计与应用（第一版）[D].北京：人民邮电出版社. 2004.

Design of Printing Curing Equipment’s Light Source-Driven Circuit

MA Shao-ru, ZHANG Gui-shan, LI Jin-yao

UV-LED curing has been increasingly adopted by the market, become the new darling of the capital market, and become a hot research fi eld of printing at home and abroad. UV-LED printing curing technology is energy-saving, environmental, green. Compared with the traditional UV curing method,it can reduce the consumption of 80%-90%, produce no ozone, no VOC (volatile organic compounds)emissions. Among them, it is one of the key technologies in the UV-LED curing equipment to design the light source-driven circuit. UV-LED light source-driven circuit requires high stability, in order to improve reliability and service life of the curing equipment. Single UV-LED chip power is only a few watts, which can not meet the curing power requirements, so choose to use a way of multiple chips arrays to form UVLED integrated light source system. The light source system this paper describes is composed of 72 LED chips in array arrangement, focusing on through the rectif i er fi lter, fi lling the valley circuit directly drives the LED chip circuit. The driving circuit can not only meet the requirements of curing power of LED light source system, but also the reliability and service life of curing equipment can be improved according to the actual demand of curing system to compensate and improve the chips power.

UV-LED; curing; driving circuit

TS805

A

1400 (2017) 10-0045-06

10.19362/j.cnki.cn10-1400/tb.2017.10.002

马少茹（1991—），女，河北邢台人，北京印刷学院机电工程学院研究生，主要从事机电系统控制及自动化技术方面的研究。