基于大功率UV燈的數字電源管理系統研究

劉志芳，李湘伍，楊 棟

（1.廣東工程職業技術學院，廣東 廣州 510520；2.廣州市瑞欣電子科技有限公司，廣東 廣州 511452）

1 概 述

紫外線（Ultra-Violet Ray，UV）燈現在廣泛應用于印刷和醫療等行業，其固化效率一直是企業研究的重點。尤其在印刷方面，UV燈發揮了很大的作用，經過UV燈照射之后可以加快產品的干燥速度，而且還可以提升產品的附著力，讓各項指標都保持在達標的范圍內。

數字電源技術的應用是傳統UV行業的一次革命，其特有的智能化、高效率以及節能減排等特性極大提升了UV設備的性能，降低了能耗，保護了環境。并且能夠減小設備體積，延長燈管使用壽命，增大燈管紫外能量發生，提高電源的利用率，所以目前國內外對智能數字電源的研發都比較重視[1]。

課題研究依托廣州市瑞欣電子科技有限公司，重點研究了UV設備數字電源的核心無極可調模塊。該模塊外加UV燈管，可以構成整套電源系統，實現10%～100%無極調節，取代傳統變壓器加電容調節的結構。

2 系統框架設計

該UV燈的數字電源管理系統采用基于STM32的嵌入式系統，能夠高速且智能地控制各個模塊，整體設計如圖1所示。

圖1 系統整體設計框圖

圖1系統主要根據設定的輸入值檢測UV燈兩端的電壓值、電流值以及風機狀態，通過逆變模塊快速調節電壓、電流的大小達到預定范圍，同時控制風機系統，將溫度達到預定值。在整個控制過程中，如果檢測值超過設定上下限，則通過報警模塊發出報警提示。系統的核心部分為逆變模塊，該模塊采用高頻鏈逆變技術，通過PWM調制技術能夠在非常短的時間內調節輸出更強的光，加快UV燈的固化時間，減少熱量，提高效率[2]。

3 硬件電路設計

3.1 逆變驅動電路

系統的電源控制電路主要由整流濾波電路、穩壓電路、高頻逆變電路以及采樣電路組成。逆變驅動控制電路由全橋逆變電路、高頻變壓器、緩沖電路、控制電路、驅動電路、信號輸入輸出電路、采樣電路、告警檢測電路、通信電路以及顯示電路組成，具體如圖2所示。

圖2 逆變電路部分電路圖

圖2中逆變驅動電路使用高頻鏈軟開關全橋變換器，主要采用9 A低端超高速MOSFET驅動器IXDN609SI[3]。該芯片為高電流輸出，產生的電壓上升和下降時間小于25 ns，輸入CMOS兼容，并且幾乎不受閉鎖。專有的控制電路消除了跨導、電流“直通”低傳播延遲以及快速匹配的上升和下降時間，能夠滿足高速功率變化調節。在電源管理系統下，其響應特性如圖3所示。

圖3 IXDN609SI輸出特性曲線

3.2 穩壓電路

UV燈無極調光過程中，短時間需要達到穩定可靠的電壓，其中穩壓電路至關重要。如圖4所示，該系統穩壓電路的芯片采用了LM25575MH。該芯片輸入電壓范圍為6～42 V，負載瞬態響應性和環路補償特性較好，不會出現低占空比限制。該設計電路可以實現限流和短路保護，且在溫度過高時可以進行熱關斷或遠程關斷。

圖4 穩壓電路

3.3 風機控制電路

風機控制電路包含風機電源、風機調速以及風機告警檢測3個部分的設計。風機電源部分采用電阻降壓方案，電路的每一路風機供電都使用電阻分壓，最大電流為2 A，優點是電路簡單、成本低且散熱好[4]。

4 軟件設計

該數字電源管理系統采用控制算法控制全橋電路中的電源電壓進行變換，調節電路的電壓和電流，通過移相PWM、ZVZCS變換技術實現對逆變器的控制，根據輸出的控制量不同，不僅可以實現恒流或恒功率的控制，還可以根據采集的外界溫度和速度，智能化實時調節系統各個模塊的控制時序。軟件架構如圖5所示，由主程序、信號處理程序、PWM控制程序、中斷服務程序以及通信處理程序等組成[5]。

圖5 系統軟件架構圖

信號處理程序由輸入和輸出兩個子程序組成，主要對信號進行轉換處理以及對輸入信號進行濾波。輸入程序的信號主要為采集的鍵盤、觸摸屏以及電流和電源檢測模塊的數據。中斷服務程序主要通過比較設定值和釆樣結果，調用控制算法進行計算，完成對PWM的調節控制。告警處理程序主要是對電源系統、UV燈系統以及風機冷卻系統的告警參數檢測和處理。PWM控制程序采用控制算法編寫程序，結合管理模塊實現電源的無極調節和功率控制。顯示處理程序用于顯示智能數字電源的功率和運行情況，通過參數設置窗口，傳遞輸入輸出命令，控制和管理數字電源的運行情況。通信處理程序用于傳輸觸摸屏控制和設備自身發起的通信任務，進行遠程控制和分組的數據傳輸[6]。

5 結 論

本次研究的大功率數字電源管理系統，以高精度的傳感器采集電壓、電流、溫度以及速度信號作為輸入，以高頻的MCU運行時鐘作為控制步進，通過智能控制算法實時調節電源運行功率，精確操控UV燈的工作情況，提升工作效率。該系統可以應用于不同種類的數字電源管理中，可以快速且穩定地啟動不同種類和不同長度的UV燈管，節省電力和能源。即使在輸入出現波動的情況下，仍然能夠保持穩定輸出。輸出功率能達到10%～100%的無極調控，在滿足功率的要求下，自動調節工作電壓和電流以提供平穩的UV能量輸出。經長期測試該系統可以節省高達30%以上的能源，具有良好的經濟效益。