基于大功率UV燈的數(shù)字電源管理系統(tǒng)研究

劉志芳，李湘伍，楊 棟

（1.廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)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(xiàn)在廣泛應(yīng)用于印刷和醫(yī)療等行業(yè)，其固化效率一直是企業(yè)研究的重點。尤其在印刷方面，UV燈發(fā)揮了很大的作用，經(jīng)過UV燈照射之后可以加快產(chǎn)品的干燥速度，而且還可以提升產(chǎn)品的附著力，讓各項指標(biāo)都保持在達(dá)標(biāo)的范圍內(nèi)。

數(shù)字電源技術(shù)的應(yīng)用是傳統(tǒng)UV行業(yè)的一次革命，其特有的智能化、高效率以及節(jié)能減排等特性極大提升了UV設(shè)備的性能，降低了能耗，保護(hù)了環(huán)境。并且能夠減小設(shè)備體積，延長燈管使用壽命，增大燈管紫外能量發(fā)生，提高電源的利用率，所以目前國內(nèi)外對智能數(shù)字電源的研發(fā)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(shè)備數(shù)字電源的核心無極可調(diào)模塊。該模塊外加UV燈管，可以構(gòu)成整套電源系統(tǒng)，實現(xiàn)10%～100%無極調(diào)節(jié)，取代傳統(tǒng)變壓器加電容調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計

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

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

圖1系統(tǒng)主要根據(jù)設(shè)定的輸入值檢測UV燈兩端的電壓值、電流值以及風(fēng)機(jī)狀態(tài)，通過逆變模塊快速調(diào)節(jié)電壓、電流的大小達(dá)到預(yù)定范圍，同時控制風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，將溫度達(dá)到預(yù)定值。在整個控制過程中，如果檢測值超過設(shè)定上下限，則通過報警模塊發(fā)出報警提示。系統(tǒng)的核心部分為逆變模塊，該模塊采用高頻鏈逆變技術(shù)，通過PWM調(diào)制技術(shù)能夠在非常短的時間內(nèi)調(diào)節(jié)輸出更強(qiáng)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(shè)計

3.1 逆變驅(qū)動電路

系統(tǒng)的電源控制電路主要由整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、高頻逆變電路以及采樣電路組成。逆變驅(qū)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(qū)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(qū)動電路使用高頻鏈軟開關(guān)全橋變換器，主要采用9 A低端超高速MOSFET驅(qū)動器IXDN609SI[3]。該芯片為高電流輸出，產(chǎn)生的電壓上升和下降時間小于25 ns，輸入CMOS兼容，并且?guī)缀醪皇荛]鎖。專有的控制電路消除了跨導(dǎo)、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(diào)節(jié)。在電源管理系統(tǒng)下，其響應(yīng)特性如圖3所示。

圖3 IXDN609SI輸出特性曲線

3.2 穩(wěn)壓電路

UV燈無極調(diào)光過程中，短時間需要達(dá)到穩(wěn)定可靠的電壓，其中穩(wěn)壓電路至關(guān)重要。如圖4所示，該系統(tǒng)穩(wěn)壓電路的芯片采用了LM25575MH。該芯片輸入電壓范圍為6～42 V，負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性和環(huán)路補(bǔ)償特性較好，不會出現(xiàn)低占空比限制。該設(shè)計電路可以實現(xiàn)限流和短路保護(hù)，且在溫度過高時可以進(jìn)行熱關(guān)斷或遠(yuǎn)程關(guān)斷。

圖4 穩(wěn)壓電路

3.3 風(fēng)機(jī)控制電路

風(fēng)機(jī)控制電路包含風(fēng)機(jī)電源、風(fēng)機(jī)調(diào)速以及風(fēng)機(jī)告警檢測3個部分的設(shè)計。風(fēng)機(jī)電源部分采用電阻降壓方案，電路的每一路風(fēng)機(jī)供電都使用電阻分壓，最大電流為2 A，優(yōu)點是電路簡單、成本低且散熱好[4]。

4 軟件設(shè)計

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

圖5 系統(tǒng)軟件架構(gòu)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(jìn)行轉(zhuǎn)換處理以及對輸入信號進(jìn)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(shù)據(jù)。中斷服務(wù)程序主要通過比較設(shè)定值和釆樣結(jié)果，調(diào)用控制算法進(jìn)行計算，完成對PWM的調(diào)節(jié)控制。告警處理程序主要是對電源系統(tǒng)、UV燈系統(tǒng)以及風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的告警參數(shù)檢測和處理。PWM控制程序采用控制算法編寫程序，結(jié)合管理模塊實現(xiàn)電源的無極調(diào)節(jié)和功率控制。顯示處理程序用于顯示智能數(shù)字電源的功率和運行情況，通過參數(shù)設(shè)置窗口，傳遞輸入輸出命令，控制和管理數(shù)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(shè)備自身發(fā)起的通信任務(wù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和分組的數(shù)據(jù)傳輸[6]。

5 結(jié) 論

本次研究的大功率數(shù)字電源管理系統(tǒng)，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(jìn)，通過智能控制算法實時調(diào)節(jié)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(tǒng)可以應(yīng)用于不同種類的數(shù)字電源管理中，可以快速且穩(wěn)定地啟動不同種類和不同長度的UV燈管，節(jié)省電力和能源。即使在輸入出現(xiàn)波動的情況下，仍然能夠保持穩(wěn)定輸出。輸出功率能達(dá)到10%～100%的無極調(diào)控，在滿足功率的要求下，自動調(diào)節(jié)工作電壓和電流以提供平穩(wěn)的UV能量輸出。經(jīng)長期測試該系統(tǒng)可以節(jié)省高達(dá)30%以上的能源，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。