陣列UV-LED光源驅(qū)動電路的設(shè)計

李小蓉，李炬，佘瑞峰，肖 麗（四川聚能核技術(shù)工程有限公司，四川江油，621700）

陣列UV-LED光源驅(qū)動電路的設(shè)計

李小蓉，李炬，佘瑞峰，肖 麗
（四川聚能核技術(shù)工程有限公司，四川江油，621700）

為滿足光固化用陣列紫外LED（UV-LED）光源光輻射能量高均勻性和穩(wěn)定性的需求，設(shè)計多路輸出的LED驅(qū)動電路，實現(xiàn)了工作頻率280Hz，電壓2～52 V自適應(yīng)調(diào)整、電流0～700mA、占空比0～100%均可調(diào)的脈沖輸出。試驗結(jié)果表明，該驅(qū)動電路在保證工作壽命的前提下，實現(xiàn)了LED工作電流的精確控制，使光源光輻射能量得到精確控制，輻射面均勻性的調(diào)試變得簡單可行。已在“LED曝光機(jī)”中得到應(yīng)用。

陣列UV-LED；恒流驅(qū)動；占空比；PWM調(diào)光

0 引言

紫外光固化是指在特殊配方的體系（稱為光固化體系）中加入光敏劑，在光固化設(shè)備產(chǎn)生的高強度紫外光作用下，體系中的光敏物質(zhì)可通過光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生活性粒子或基因，從而引發(fā)體系中的樹脂進(jìn)行交聯(lián)聚合。目前，紫外光固化技術(shù)作為一種“3E（economy， ecology， energy）”技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于涂料、油墨、粘合劑和印刷版才等各生產(chǎn)領(lǐng)域。因此，紫外光源是光固化中的至關(guān)重要的部件。目前，市面上主要的紫外光源（高壓汞燈、金屬鹵素?zé)舻龋┐嬖谥仨毟邏候?qū)動、耗電量大、壽命短、輻射光譜寬、固化效率低、紅外輻射大、易使固化對象受熱變形、光強不均勻和存在重金屬污染等諸多缺點。LED具有耗電量小、發(fā)光效率高、壽命長達(dá)5～8萬小時、節(jié)能減排、無毒無害，隨著LED制造工藝的迅猛發(fā)展，UV-LED正逐步取代傳統(tǒng)紫外光固化光源。

LED體積小、放熱量少（無紅外光輻射），但單個LED為點輻射，輻射能量小，使用距離和輻照面積也有很大限制。要取代線（面）光源式傳統(tǒng)固化光源，就要用多個UV-LED組成陣列，使多個燈珠發(fā)出的光斑相互疊加，以提高紫外光輻射能量，增大光輻射面積，這就對陣列光源能量和均勻性提出了要求。

本文即針對多個UV-LED組成陣列光源提出驅(qū)動控制方案，設(shè)計了詳細(xì)的驅(qū)動電路，并通過試驗驗證了該驅(qū)動電路對陣列光源的控制有效。

1 驅(qū)動控制方案

光固化要求必須在瞬間提供高強度、高均勻性的紫外光，陣列中的LED燈珠的點亮必須高度同步，這就要求驅(qū)動控制的一致性。將陣列中所有的LED串聯(lián)驅(qū)動將造成驅(qū)動電壓過高；將所有LED并聯(lián)又將造成驅(qū)動電流過高。本文所采取的驅(qū)動方式是將燈珠分為若干組，每組燈珠先串聯(lián)，再將各組進(jìn)行并聯(lián)驅(qū)動。

LED驅(qū)動控制分為穩(wěn)壓式和恒流式兩種。穩(wěn)壓式即驅(qū)動電路輸出的是固定電壓，輸出電流隨著負(fù)載的增減變化。因LED具有個體差異性（燈珠PN結(jié)壓降不同），要使穩(wěn)壓電路驅(qū)動每組LED發(fā)光亮度基本一致，需要在各組加上合適的電阻，且每組所加電阻阻值不定，或者對燈珠進(jìn)行相似性篩選（選取PN結(jié)壓降相近的燈珠）。目前大部分光固化用陣列LED光源廠家采用此方法。其優(yōu)點是，控制電路簡單，控制成本低；缺點是，工作量大，且造成燈珠浪費。而本文所采用的恒流驅(qū)動方式，其輸出的電流是恒定的，輸出電壓隨負(fù)載阻值在一定范圍內(nèi)自適應(yīng)調(diào)整。采用同一基準(zhǔn)控制信號，使得各組恒流模塊同時輸出恒定且可調(diào)整的驅(qū)動電流，各組驅(qū)動電流單獨可調(diào)，也可通過上位機(jī)進(jìn)行整個陣列的驅(qū)動電流調(diào)整。

如圖1所示，為陣列UV-LED光源控制原理框圖，驅(qū)動控制由直流電源、脈沖發(fā)生電路、PWM調(diào)光電路組、LED恒流驅(qū)動模塊組和UV-LED陣列組成。脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生唯一的、固定頻率的脈沖信號作為整個驅(qū)動電路組的基準(zhǔn)控制信號，各驅(qū)動控制組接受同步的脈沖，這就保證了各組LED發(fā)光的一致性和同步性。PWM調(diào)光電路組在脈沖信號周期固定的基礎(chǔ)上，可分別對正（負(fù)）占空比寬度進(jìn)行調(diào)整。恒流驅(qū)動模塊輸出的驅(qū)動電流與其接收到的PWM正占空比成正比，如圖2所示。

LED的發(fā)光強度在規(guī)定范圍內(nèi)與流過它的正向工作電流IF成正比。因此，LED燈組接收到了可控的電流信號，使其發(fā)光強度變得可調(diào)節(jié)。在光源均勻度調(diào)試時，可單獨調(diào)節(jié)每組燈珠的驅(qū)動電流來進(jìn)行每組燈珠個體差異的補償，使整個面光源達(dá)到良好的均勻性。陣列光源在使用過程中，可通過上位機(jī)或外部調(diào)節(jié)電路直接進(jìn)行整個面光源的電流調(diào)整，使光源能量滿足不同工藝的光固化需求。

圖1 陣列UV-LED光源控制原理框圖

圖2 PWM調(diào)光控制原理圖

2 驅(qū)動電路設(shè)計

NE555根據(jù)外圍電路的不同連接可組成脈沖發(fā)生器、單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器、多穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器、定時器等多種電路，功能強大、價格低廉且性能穩(wěn)定。本文所述驅(qū)動電路即以NE555為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計。如圖3為單路UV-LED光源驅(qū)動電路原理圖。

如圖3所示， IC1、IC2均為NE555時基電路。IC1及其外圍電路構(gòu)成了脈沖發(fā)生電路，也叫做振蕩器。接通電源后，電源Vcc通過R1和R2對電容C3充電，當(dāng)Uc＜1/3Vcc時，振蕩器輸出Vo=1，放電管截止。當(dāng)Uc充電到大于等于2/3Vcc后，振蕩器輸出Vo翻轉(zhuǎn)成0，此時放電管導(dǎo)通，使放電端接地，電容C3通過R2對地放電，使Uc下降。當(dāng)Uc下降到1/3Vcc后，振蕩器輸出Vo又翻轉(zhuǎn)成1，如此周而復(fù)始，在輸出端Vo得到連續(xù)變化的振蕩脈沖波形。

IC2及其外圍電路構(gòu)成了PWM調(diào)光電路，將NE555的6、7腳并接在定時電容C6上，2腳輸入脈沖信號Vi1。接通電源后，當(dāng)2腳輸入高電平，DIS（7腳）端接地，C6上的電壓為0，輸出Vo1保持為0。當(dāng)輸入負(fù)脈沖時，輸出立即反轉(zhuǎn)成Vo1=0，DIS端接地，C6上電荷很快放到零。當(dāng)2腳輸入一定頻率的脈沖信號時，3腳則將輸出一定頻率的方波信號，其正（負(fù)）占空比由Rp、C6及其供電電壓AI決定。當(dāng)AI固定不變時，分別調(diào)節(jié)各組可變電位器Rp即可改變PWM信號的占空比，此項功能在光源均勻性調(diào)試時至關(guān)重要。調(diào)試完成后，電阻Rp固定不變，通過上位機(jī)輸出或外部電路改變AI值，即可改變PWM信號的占空比，已達(dá)到調(diào)光的作用。陣列中所有燈組接收同樣的AI值，故可進(jìn)行整個陣列光源的調(diào)光。

恒流驅(qū)動模塊（圖中LED-Q）接收占空比可調(diào)的PWM信號，輸出與其一致的驅(qū)動電流，驅(qū)動LED燈組發(fā)光。圖3只為一組LED驅(qū)動電路，本設(shè)計為多組驅(qū)動電路同時驅(qū)動多組LED燈組，整個控制陣列光源發(fā)光。

3 實驗與結(jié)果

3.1 實驗設(shè)計

實驗選用臺灣聯(lián)勝Sili-A35UX-B型號的紫外LED燈珠，該型號燈珠的額定工作電壓為3.6～4.0V，最大工作電流為1000mA（不能長時間工作于最大電流，此處僅為實驗）。根據(jù)該燈珠工作特性參數(shù)，設(shè)計選用臺灣明緯LDD-1000H型號的恒流驅(qū)動電源模塊，每個單路驅(qū)動可提供2～52V自適應(yīng)輸出電壓，0～1000mA連續(xù)可調(diào)輸出電流。

如圖3中所示搭建電路，連接VCC=5V，Vin由穩(wěn)壓電源供給55V直流電壓，每組驅(qū)動電路連接一組（10只）UV-LED燈珠。通電后，用示波器監(jiān)測電路中各點波形，萬用表監(jiān)測對應(yīng)組UV-LED燈組電流值，能量計監(jiān)測一固定監(jiān)測點光輻射能量。

調(diào)節(jié)單路電位器，觀察各監(jiān)測值得變化。

3.2 實驗結(jié)果

圖3 UV-LED光源驅(qū)動電路原理圖

從30%到90%時，相對應(yīng)的驅(qū)動電流、光輻射能量的測量值。

表1 PWM對光能量的控制實驗數(shù)據(jù)

分析表中數(shù)據(jù)得出，所設(shè)計的陣列UV-LED光源驅(qū)動電路能夠提供0～1000mA可調(diào)的恒定驅(qū)動電流，各組驅(qū)動電流獨立可調(diào)。PWM調(diào)光電路輸出方波的占空比即可調(diào)節(jié)UV-LED的驅(qū)動電流，從而改變LED發(fā)光強度，且在工作范圍內(nèi)成線性關(guān)系。

4 結(jié)論

根據(jù)光固化對紫外光源的需求，響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，利用市面上現(xiàn)有的UV-LED燈珠和恒流驅(qū)動電源模塊的特性，設(shè)計了一種陣列UV-LED光源驅(qū)動控制電路。對該驅(qū)動電路的設(shè)計原理進(jìn)行了介紹，并用實驗證明了該電路的可行性。本驅(qū)動電路性能穩(wěn)定、成本低廉，并且由于其結(jié)構(gòu)靈活，可根據(jù)實際需求增減系統(tǒng)的LED數(shù)量以適應(yīng)不同工藝的需求，若采用更大功率的UVLED燈珠，本驅(qū)動電路仍然適用。

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實驗所得數(shù)據(jù)如表1所示，分別測出了控制電路波形占空比

Design of driving circuit for array UV-LED light

Li Xiaorong，Li Ju，She Ruifeng，Xiao Li
（Sichuan Junenghe Technology Engineering Co.， Ltd.，Sichuan Jiangyou，621700）

To meet requirements of high uniformity and stability of the array UV-LED light that is used for UV curing，this paper designs multiplex output LED driving circuit， that achieve the pulse output with working frequency 290 Hz，adaptive voltage 2～52 V，current 0～700 mA， duty-cycle 0～100 %，which can be adjusted.Experimental results showed that， in the premise of UV-LED working life，the driving circuit realizes the precise control of LED working current，that makes the light energy radiation can be accuratelycontrolled， the uniformity of radiation surface becomes simple and feasible debugging.It has been applied in“LED exposure machine”.

Array UV-LED；constant current drive；duty cycle；PWM dimming

李小蓉（1990-），女，本科，初級工程師，主要研究方向：光電子技術(shù)。