大功率紫外LED固化光源可編程電源系統設計

□呂健滔

一、引言

紫外光固化是一種有機涂料快速凝固技術，由于具有安全快捷、無污染、固化質量高等優點，目前廣泛應用于多個工業領域，包括印刷、光電子器件裝配、汽車制造等方面[1～3]。特別是，近年來紫外固化技術廣泛應用于陶瓷印刷行業，并極大地提高了陶瓷制作的工藝水平以及生產效率，同時也降低了生產成本。一方面，陶瓷印刷工藝對涂料的固化質量和速度要求較高；另一方面，用于陶瓷印刷的涂料在固化過程中對紫外輻射的能量密度要求也非常高；再者，為了保證陶瓷印刷質量，特別是涂料固化后的顏色一致性問題，對紫外輻射的空間均勻性和時間穩定性也提出了很高的要求。然而，長期以來紫外固化設備所用的光源都是高壓汞燈，這種傳統的氣體放電光源效率較低、功耗大，而且壽命短，光強的時間穩定性較差。上述問題極大地制約了紫外光固化技術的進一步推廣。因此，研制新型的紫外光源以替代傳統的高壓汞燈，成為了目前紫外固化領域迫切有待解決的技術“瓶頸”。幸運的是，近十年來，LED技術，特別是大功率紫外LED的研制成功極大地推動了紫外輻射固化技術的發展。紫外LED具備了有別于傳統光源的多種優勢，包括發光效率高、壽命長、節能環保、控制電源簡單等特點。因此，紫外LED取代傳統光源作為紫外輻射固化系統的光源是必然趨勢[4～5]。

目前，對于紫外LED光源的研究主要針對三個方面進行：第一，LED芯片工藝的提高，以獲得更好的光譜特性和更高的發光效率；第二，通過非成像光學設計手段設計適合的聚光系統或者選擇適當的陣列排布形式，提高光源的均勻度和照射的峰值功率密度；第三，從電源出發，研制出功率更大、穩定性更高的數字式智能控制電源模塊，以提高紫外輻射輸出的穩定性以及自動化生產的需求。本文以集成化紫外LED光源為目標，設計一種穩定性較高的大功率恒流源模塊，并具有數字化控制功能，以實現輸出功率的檢測與自動調節功能。

二、系統總體設計

本電路要實現兩個基本功能，一是需要實現大功率的恒流輸出；二是要求對輸出光功率進行實時檢測，并實現輸出電流的反饋控制。由于LED光強與電流的曲線是接近線性的，所以作為一款LED調光電源，其對電流控制的能力，即可看做其控制光強的能力。同時，電源效率也是電源的一個重要指標。因此，本電路的電源采用BUCK拓撲的方式降壓實現恒流輸出，并采用比較成熟的PID(比例-積分-微分)控制方式實現輸出光強的恒定控制[6]。

PID控制器是一個在工業控制應用中常見的反饋回路部件，其中P、I、D分別代表比例單元、積分單元、微分單元。在三種算法中，比例控制是PID的核心環節，而積分控制則用于消除穩態誤差，微分控制則可提高系統的響應速度[6]。PID方式在數字電源控制系統中尤為適用，其系統機構如圖1所示,其中PID和PWM控制主要由MCU程序實現，反饋則由MCU的ADC采樣實現。

圖1 PID控制環路

三、電路及程序實現

系統總體方案可分解成以下四個單元來實現：電源部分、調光及外部控制接口部分、光強監測電路、系統程序設計。

(一)電源設計。為了提高系統的整體效率，電源采用了雙MOS開關的BUCK電路方式。圖2為BUCK變換器主電路，通過兩路PWM實現開關控制，并通過電壓和電流采樣的方式實現PID反饋控制。其中，電壓反饋比例為ADC_VOUT=(3.3-VOUT/10)V，電流反饋為ADC_IOUT=(3.3-IOUT*0.05*5)V。因此，最終的輸出控制范圍是：ADC_VOUT電壓為0.3～2.3V，ADC_IOUT電壓為0.8～3.275V。如此通過PID調節PWM即可實現恒壓或者恒流輸出，而在正常的輸出區間內其輸出精度和范圍主要取決于采樣精度和范圍。

圖2 BUCK變換器主電路

(二)調光及外部控制接口電路。外部調光接口是以一種模擬輸入轉數字調光的方式實現的。輸出轉換電路如圖3所示，輸入范圍是1～10V，經過轉換輸出至ADC采樣，即可實現數字調光。而調光精度則取決于ADC的取樣精度。

圖3 1～10V控制輸入電路

為實現數字命令控制，電源中也加入了RS485接口電路，如圖4所示。與RS232接口相比，RS485最大的優勢在于可實現聯網功能，而不是RS232的點對點通訊方式。RS485在網絡通信中一般采用主從通信方式，即一個主機帶多個從機。而且，由于其獨特的通訊協議和設備標準，特別適用于遠距離的高噪聲數字通訊需求。系統在添加了這部分電路后，可實現從上位機直接發送指令對電源進行控制。而且，在大型的紫外LED固化設備中，光源系統通常由多個獨立的紫外光源模塊組成，這就需要上位機同時對多個光源模塊進行控制，而RS485則很好的滿足了一主多從的通訊架構。

圖4 RS485控制電路

(三)功率監測電路。自動調光主要是利用光電探測器對輸出光強進行采樣，并輸出相應的信號作為反饋源。在電源中嵌入了紫外光電強探測器以及相應的外圍電路，其原理圖如圖5所示。紫外光電池采用電流放大形式，其光電流與光強度成正比，經過放大后即可輸入至ADC采樣。

圖5 光電探測電路

(四)系統控制程序。對于整個系統而言主要還是靠MCU程序實現自動控制，程序執行框圖如圖6所示。系統軟件的執行過程如下：啟動系統后進行初始化設置；啟動ADC采集控制，并利用上位機通過RS485接口輸入電壓和光強的設定值，程序經過運算后輸出相應的電壓及電流；PID程序可根據所采集的光強數據以及輸入命令程序進行分析，并控制PWM輸出。上述循環不斷進行，以達到數字調光目的，而光強的穩定精度則可通過循環周期來設定。另外，為了保證紫外固化設備的正常運行，程序中還將添加光強失控報警以及電流異常處理等模塊。

圖6 控制程序流程圖

四、結語

本文所設計的智能化大功率紫外LED電源采用雙MOS開關的BUCK電路形式，可有效提高電源轉換效率。在自動監測和恒光強控制的實現上，利用現有MCU的ADC和PWM等常用接口，極大地簡化了硬件電路。并通過PID算法實現電源恒壓、恒流模式，以達到光強可調的目的。本研究成果將為實用化紫外LED光源的研發提供支持，并可進一步提高紫外LED固化光源的穩定性以及降低設備成本，具有較高的實用價值。