大功率紫外LED固化光源可編程電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□呂健滔

一、引言

紫外光固化是一種有機(jī)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(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于多個(gè)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(shí)也降低了生產(chǎn)成本。一方面，陶瓷印刷工藝對(duì)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(duì)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(duì)紫外輻射的空間均勻性和時(shí)間穩(wěn)定性也提出了很高的要求。然而，長(zhǎng)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(qiáng)的時(shí)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(jìn)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(yùn)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(dòng)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(shì)，包括發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保、控制電源簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。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(shì)[4～5]。

目前，對(duì)于紫外LED光源的研究主要針對(duì)三個(gè)方面進(jìn)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(jì)手段設(shè)計(jì)適合的聚光系統(tǒng)或者選擇適當(dāng)?shù)年嚵信挪夹问?，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(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(dòng)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(jì)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(shí)現(xiàn)輸出功率的檢測(cè)與自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本電路要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基本功能，一是需要實(shí)現(xiàn)大功率的恒流輸出；二是要求對(duì)輸出光功率進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)輸出電流的反饋控制。由于LED光強(qiáng)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(duì)電流控制的能力，即可看做其控制光強(qiáng)的能力。同時(shí)，電源效率也是電源的一個(gè)重要指標(biāo)。因此，本電路的電源采用BUCK拓?fù)涞姆绞浇祲簩?shí)現(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(shí)現(xiàn)輸出光強(qiáng)的恒定控制[6]。

PID控制器是一個(gè)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(jī)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(shí)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(gè)單元來實(shí)現(xiàn)：電源部分、調(diào)光及外部控制接口部分、光強(qiáng)監(jiān)測(cè)電路、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。

(一)電源設(shè)計(jì)。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(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，并通過電壓和電流采樣的方式實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shì)在于可實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，而不是RS232的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(gè)主機(jī)帶多個(gè)從機(jī)。而且，由于其獨(dú)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(shí)現(xiàn)從上位機(jī)直接發(fā)送指令對(duì)電源進(jìn)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(gè)獨(dú)立的紫外光源模塊組成，這就需要上位機(jī)同時(shí)對(duì)多個(gè)光源模塊進(jìn)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(cè)電路。自動(dòng)調(diào)光主要是利用光電探測(cè)器對(duì)輸出光強(qiáng)進(jìn)行采樣，并輸出相應(yīng)的信號(hào)作為反饋源。在電源中嵌入了紫外光電強(qiáng)探測(cè)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(qiáng)度成正比，經(jīng)過放大后即可輸入至ADC采樣。

圖5 光電探測(cè)電路

(四)系統(tǒng)控制程序。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言主要還是靠MCU程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)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：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)后進(jìn)行初始化設(shè)置；啟動(dòng)ADC采集控制，并利用上位機(jī)通過RS485接口輸入電壓和光強(qiáng)的設(shè)定值，程序經(jīng)過運(yùn)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(qiáng)數(shù)據(jù)以及輸入命令程序進(jìn)行分析，并控制PWM輸出。上述循環(huán)不斷進(jìn)行，以達(dá)到數(shù)字調(diào)光目的，而光強(qiáng)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(yùn)行，程序中還將添加光強(qiáng)失控報(bào)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(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)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(dòng)監(jiān)測(cè)和恒光強(qiáng)控制的實(shí)現(xiàn)上，利用現(xiàn)有MCU的ADC和PWM等常用接口，極大地簡(jiǎn)化了硬件電路。并通過PID算法實(shí)現(xiàn)電源恒壓、恒流模式，以達(dá)到光強(qiáng)可調(diào)的目的。本研究成果將為實(shí)用化紫外LED光源的研發(fā)提供支持，并可進(jìn)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(shí)用價(jià)值。