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(dòng)電路的設(shè)計(jì)

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(mǎn)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(jì)多路輸出的LED驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)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(yàn)結(jié)果表明，該驅(qū)動(dòng)電路在保證工作壽命的前提下，實(shí)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(jiǎn)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(dòng)；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(chēng)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(qiáng)度紫外光作用下，體系中的光敏物質(zhì)可通過(guò)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(shù)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(dòng)、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(duì)象受熱變形、光強(qiáng)不均勻和存在重金屬污染等諸多缺點(diǎn)。LED具有耗電量小、發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)達(dá)5～8萬(wàn)小時(shí)、節(jié)能減排、無(wú)毒無(wú)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(wú)紅外光輻射），但單個(gè)LED為點(diǎn)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(xiàn)（面）光源式傳統(tǒng)固化光源，就要用多個(gè)UV-LED組成陣列，使多個(gè)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(duì)陣列光源能量和均勻性提出了要求。

本文即針對(duì)多個(gè)UV-LED組成陣列光源提出驅(qū)動(dòng)控制方案，設(shè)計(jì)了詳細(xì)的驅(qū)動(dòng)電路，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該驅(qū)動(dòng)電路對(duì)陣列光源的控制有效。

1 驅(qū)動(dòng)控制方案

光固化要求必須在瞬間提供高強(qiáng)度、高均勻性的紫外光，陣列中的LED燈珠的點(diǎn)亮必須高度同步，這就要求驅(qū)動(dòng)控制的一致性。將陣列中所有的LED串聯(lián)驅(qū)動(dòng)將造成驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)高；將所有LED并聯(lián)又將造成驅(qū)動(dòng)電流過(guò)高。本文所采取的驅(qū)動(dòng)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(dòng)。

LED驅(qū)動(dòng)控制分為穩(wěn)壓式和恒流式兩種。穩(wěn)壓式即驅(qū)動(dòng)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(gè)體差異性（燈珠PN結(jié)壓降不同），要使穩(wěn)壓電路驅(qū)動(dòng)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(duì)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(chǎng)家采用此方法。其優(yōu)點(diǎn)是，控制電路簡(jiǎn)單，控制成本低；缺點(diǎn)是，工作量大，且造成燈珠浪費(fèi)。而本文所采用的恒流驅(qū)動(dòng)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(hào)，使得各組恒流模塊同時(shí)輸出恒定且可調(diào)整的驅(qū)動(dòng)電流，各組驅(qū)動(dòng)電流單獨(dú)可調(diào)，也可通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行整個(gè)陣列的驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(hào)作為整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路組的基準(zhǔn)控制信號(hào)，各驅(qū)動(dòng)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(hào)周期固定的基礎(chǔ)上，可分別對(duì)正（負(fù)）占空比寬度進(jìn)行調(diào)整。恒流驅(qū)動(dòng)模塊輸出的驅(qū)動(dòng)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(qiáng)度在規(guī)定范圍內(nèi)與流過(guò)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(hào)，使其發(fā)光強(qiáng)度變得可調(diào)節(jié)。在光源均勻度調(diào)試時(shí)，可單獨(dú)調(diào)節(jié)每組燈珠的驅(qū)動(dòng)電流來(lái)進(jìn)行每組燈珠個(gè)體差異的補(bǔ)償，使整個(gè)面光源達(dá)到良好的均勻性。陣列光源在使用過(guò)程中，可通過(guò)上位機(jī)或外部調(diào)節(jié)電路直接進(jìn)行整個(gè)面光源的電流調(diào)整，使光源能量滿(mǎn)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(dòng)電路設(shè)計(jì)

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(shí)器等多種電路，功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定。本文所述驅(qū)動(dòng)電路即以NE555為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖3為單路UV-LED光源驅(qū)動(dòng)電路原理圖。

如圖3所示， IC1、IC2均為NE555時(shí)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(guò)R1和R2對(duì)電容C3充電，當(dāng)Uc＜1/3Vcc時(shí)，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(shí)放電管導(dǎo)通，使放電端接地，電容C3通過(guò)R2對(duì)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(shí)電容C6上，2腳輸入脈沖信號(hào)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(shí)，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(hào)時(shí)，3腳則將輸出一定頻率的方波信號(hào)，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(shí)，分別調(diào)節(jié)各組可變電位器Rp即可改變PWM信號(hào)的占空比，此項(xiàng)功能在光源均勻性調(diào)試時(shí)至關(guān)重要。調(diào)試完成后，電阻Rp固定不變，通過(guò)上位機(jī)輸出或外部電路改變AI值，即可改變PWM信號(hào)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(gè)陣列光源的調(diào)光。

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

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)選用臺(tái)灣聯(lián)勝Sili-A35UX-B型號(hào)的紫外LED燈珠，該型號(hào)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(zhǎng)時(shí)間工作于最大電流，此處僅為實(shí)驗(yàn)）。根據(jù)該燈珠工作特性參數(shù)，設(shè)計(jì)選用臺(tái)灣明緯LDD-1000H型號(hào)的恒流驅(qū)動(dòng)電源模塊，每個(gè)單路驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路連接一組（10只）UV-LED燈珠。通電后，用示波器監(jiān)測(cè)電路中各點(diǎn)波形，萬(wàn)用表監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)組UV-LED燈組電流值，能量計(jì)監(jiān)測(cè)一固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)光輻射能量。

調(diào)節(jié)單路電位器，觀(guān)察各監(jiān)測(cè)值得變化。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 UV-LED光源驅(qū)動(dòng)電路原理圖

從30%到90%時(shí)，相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流、光輻射能量的測(cè)量值。

表1 PWM對(duì)光能量的控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

分析表中數(shù)據(jù)得出，所設(shè)計(jì)的陣列UV-LED光源驅(qū)動(dòng)電路能夠提供0～1000mA可調(diào)的恒定驅(qū)動(dòng)電流，各組驅(qū)動(dòng)電流獨(dú)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(dòng)電流，從而改變LED發(fā)光強(qiáng)度，且在工作范圍內(nèi)成線(xiàn)性關(guān)系。

4 結(jié)論

根據(jù)光固化對(duì)紫外光源的需求，響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，利用市面上現(xiàn)有的UV-LED燈珠和恒流驅(qū)動(dòng)電源模塊的特性，設(shè)計(jì)了一種陣列UV-LED光源驅(qū)動(dòng)控制電路。對(duì)該驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了介紹，并用實(shí)驗(yàn)證明了該電路的可行性。本驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)電路仍然適用。

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實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如表1所示，分別測(cè)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(jí)工程師，主要研究方向：光電子技術(shù)。