大功率紫外LED固化光源可編程電源系統(tǒng)設(shè)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(shù)，由于具有安全快捷、無污染、固化質(zhì)量高等優(yōu)點，目前廣泛應(yīng)用于多個工業(yè)領(lǐng)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(shù)廣泛應(yīng)用于陶瓷印刷行業(yè)，并極大地提高了陶瓷制作的工藝水平以及生產(chǎn)效率，同時也降低了生產(chǎn)成本。一方面，陶瓷印刷工藝對涂料的固化質(zhì)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(zhì)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(wěn)定性也提出了很高的要求。然而，長期以來紫外固化設(shè)備所用的光源都是高壓汞燈，這種傳統(tǒng)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(wěn)定性較差。上述問題極大地制約了紫外光固化技術(shù)的進一步推廣。因此，研制新型的紫外光源以替代傳統(tǒng)的高壓汞燈，成為了目前紫外固化領(lǐng)域迫切有待解決的技術(shù)“瓶頸”。幸運的是，近十年來，LED技術(shù)，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(shù)的發(fā)展。紫外LED具備了有別于傳統(tǒng)光源的多種優(yōu)勢，包括發(fā)光效率高、壽命長、節(jié)能環(huán)保、控制電源簡單等特點。因此，紫外LED取代傳統(tǒng)光源作為紫外輻射固化系統(tǒng)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(fā)光效率；第二，通過非成像光學(xué)設(shè)計手段設(shè)計適合的聚光系統(tǒng)或者選擇適當(dāng)?shù)年嚵信挪夹问剑岣吖庠吹木鶆蚨群驼丈涞姆逯倒β拭芏龋坏谌瑥碾娫闯霭l(fā)，研制出功率更大、穩(wěn)定性更高的數(shù)字式智能控制電源模塊，以提高紫外輻射輸出的穩(wěn)定性以及自動化生產(chǎn)的需求。本文以集成化紫外LED光源為目標(biāo)，設(shè)計一種穩(wěn)定性較高的大功率恒流源模塊，并具有數(shù)字化控制功能，以實現(xiàn)輸出功率的檢測與自動調(diào)節(jié)功能。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計

本電路要實現(xiàn)兩個基本功能，一是需要實現(xiàn)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(xiàn)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(diào)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(biāo)。因此，本電路的電源采用BUCK拓?fù)涞姆绞浇祲簩崿F(xiàn)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(xiàn)輸出光強的恒定控制[6]。

PID控制器是一個在工業(yè)控制應(yīng)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(huán)節(jié)，而積分控制則用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，微分控制則可提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度[6]。PID方式在數(shù)字電源控制系統(tǒng)中尤為適用，其系統(tǒng)機構(gòu)如圖1所示,其中PID和PWM控制主要由MCU程序?qū)崿F(xiàn)，反饋則由MCU的ADC采樣實現(xiàn)。

圖1 PID控制環(huán)路

三、電路及程序?qū)崿F(xiàn)

系統(tǒng)總體方案可分解成以下四個單元來實現(xiàn)：電源部分、調(diào)光及外部控制接口部分、光強監(jiān)測電路、系統(tǒng)程序設(shè)計。

(一)電源設(shè)計。為了提高系統(tǒng)的整體效率，電源采用了雙MOS開關(guān)的BUCK電路方式。圖2為BUCK變換器主電路，通過兩路PWM實現(xiàn)開關(guān)控制，并通過電壓和電流采樣的方式實現(xiàn)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(diào)節(jié)PWM即可實現(xiàn)恒壓或者恒流輸出，而在正常的輸出區(qū)間內(nèi)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(diào)光及外部控制接口電路。外部調(diào)光接口是以一種模擬輸入轉(zhuǎn)數(shù)字調(diào)光的方式實現(xiàn)的。輸出轉(zhuǎn)換電路如圖3所示，輸入范圍是1～10V，經(jīng)過轉(zhuǎn)換輸出至ADC采樣，即可實現(xiàn)數(shù)字調(diào)光。而調(diào)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(xiàn)數(shù)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(yōu)勢在于可實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，而不是RS232的點對點通訊方式。RS485在網(wǎng)絡(luò)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(xié)議和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，特別適用于遠(yuǎn)距離的高噪聲數(shù)字通訊需求。系統(tǒng)在添加了這部分電路后，可實現(xiàn)從上位機直接發(fā)送指令對電源進行控制。而且，在大型的紫外LED固化設(shè)備中，光源系統(tǒng)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(gòu)。

圖4 RS485控制電路

(三)功率監(jiān)測電路。自動調(diào)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(yīng)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(yīng)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(jīng)過放大后即可輸入至ADC采樣。

圖5 光電探測電路

(四)系統(tǒng)控制程序。對于整個系統(tǒng)而言主要還是靠MCU程序?qū)崿F(xiàn)自動控制，程序執(zhí)行框圖如圖6所示。系統(tǒng)軟件的執(zhí)行過程如下：啟動系統(tǒng)后進行初始化設(shè)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(shè)定值，程序經(jīng)過運算后輸出相應(yīng)的電壓及電流；PID程序可根據(jù)所采集的光強數(shù)據(jù)以及輸入命令程序進行分析，并控制PWM輸出。上述循環(huán)不斷進行，以達(dá)到數(shù)字調(diào)光目的，而光強的穩(wěn)定精度則可通過循環(huán)周期來設(shè)定。另外，為了保證紫外固化設(shè)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(jié)語

本文所設(shè)計的智能化大功率紫外LED電源采用雙MOS開關(guān)的BUCK電路形式，可有效提高電源轉(zhuǎn)換效率。在自動監(jiān)測和恒光強控制的實現(xiàn)上，利用現(xiàn)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(xiàn)電源恒壓、恒流模式，以達(dá)到光強可調(diào)的目的。本研究成果將為實用化紫外LED光源的研發(fā)提供支持，并可進一步提高紫外LED固化光源的穩(wěn)定性以及降低設(shè)備成本，具有較高的實用價值。