UV-LED印刷固化設(shè)備光源驅(qū)動的電路設(shè)計

馬少茹，張貴山，李晉堯

（北京印刷學(xué)院，北京 102600）

UV-LED印刷固化設(shè)備光源驅(qū)動的電路設(shè)計

馬少茹，張貴山，李晉堯

（北京印刷學(xué)院，北京 102600）

UV-LED固化已經(jīng)越來越被市場所采納，成為了資本市場的新寵兒，該項技術(shù)也已成為國內(nèi)外印刷領(lǐng)域的研究熱點。UV-LED印刷固化技術(shù)具有節(jié)能、環(huán)保、綠色的特點。和傳統(tǒng)的UV固化方式相比，能夠減少80%-90%的耗電量，不產(chǎn)生臭氧，沒有VOC（易揮發(fā)的有機物質(zhì)）排放。其中，光源驅(qū)動的電路設(shè)計是UV-LED固化設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一。UV-LED光源驅(qū)動的電路需要有很高的穩(wěn)定性，以提高固化設(shè)備的工作可靠性和使用壽命。單顆UV-LED芯片功率只有幾瓦，不能滿足固化功率要求，因此可采用多顆芯片陣列組成UV-LED集成光源系統(tǒng)。本文介紹的光源系統(tǒng)是由72顆LED芯片采用陣列排布方式構(gòu)成的，重點介紹通過整流濾波、填谷電路直接驅(qū)動LED芯片的電路。該驅(qū)動電路不僅可滿足LED光源系統(tǒng)固化功率的要求，還可根據(jù)固化系統(tǒng)的實際需求對芯片功率進行補償及提升，使固化設(shè)備的工作可靠性和使用壽命得到提高。

UV-LED；固化；驅(qū)動電路

1 緒論

多年來，我國積極實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，將節(jié)能減排放在重要的戰(zhàn)略地位。2010年9月，環(huán)境保護部和新聞出版總署共同簽署了《實施綠色印刷戰(zhàn)略合作協(xié)議》，標志著我國綠色印刷實施工作的正式啟動[1]。2011年10月8日，新聞出版總署與環(huán)境保護部共同發(fā)布了《關(guān)于實施綠色印刷的公告》，對我國實施綠色印刷做出了較為全面的部署和安排，我國綠色印刷實施工作進入了一個新的階段。綠色印刷是指對生態(tài)環(huán)境影響小、污染少、節(jié)約資源和能源的印刷方式，涉及印刷生產(chǎn)全過程[2]。

UV-LED印刷固化技術(shù)是一種節(jié)能、環(huán)保的綠色固化技術(shù)。目前，印刷行業(yè)的UV干燥光源大多數(shù)仍是采用傳統(tǒng)的高壓水銀燈和金屬鹵素燈，這類傳統(tǒng)的UV燈含重金屬污染物、耗能高，并且使用壽命短，需要頻繁更換。和傳統(tǒng)的UV固化方式相比，UVLED固化主要有以下優(yōu)勢：

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其優(yōu)點主要表現(xiàn)為：

（1）UV-LED超長壽命：使用壽命是傳統(tǒng)汞燈式固化機的10倍以上，約20000－30000小時。

（2）UV-LED冷光源、無熱輻射，被照品表面溫升低，解決光通訊、液晶生產(chǎn)中長期存在的熱傷害問題。特別適合液晶封邊、薄膜印刷等要求溫升小的場合適用。

（3）UV-LED發(fā)熱量小，可解決汞燈噴繪設(shè)備發(fā)熱量大、工作人員難以忍受的問題。

（4）UV-LED瞬間點亮，不需要預(yù)熱即刻達到100%功率紫外輸出。

（5）UV-LED使用壽命不受開閉次數(shù)影響。

（6）UV-LED能量高，光輸出穩(wěn)定，照射均勻效果好，提高生產(chǎn)效率。

（7）UV-LED可定制有效照射區(qū)域，長度從20mm到1000mm。

（8）UV-LED不含汞，也不會產(chǎn)生臭氧，是替代傳統(tǒng)光源技術(shù)的一種更安全、更環(huán)保的選擇。

（9）UV-LED能耗低，耗電量僅為傳統(tǒng)汞燈式固化機的10%，能節(jié)約90%電量。

（10）UV-LED維護成本幾乎為零，采用UVLED固化設(shè)備每年至少節(jié)約10000元/臺的耗材費。

UV-LED固化技術(shù)廣泛應(yīng)用于膠印、柔印、絲印以及噴墨印刷等各種印刷方式，不同波長的紫外UVLED的應(yīng)用領(lǐng)域都不太一樣，大致可以分為工業(yè)應(yīng)用、醫(yī)療應(yīng)用、民用、軍工等幾個方面。工業(yè)應(yīng)用是目前比較成熟的一塊，主要是膠水固化和油墨固化。其中膠水固化涉及的面非常廣，幾乎涵蓋了我們?nèi)粘Ｉ钏佑|到的所有電子物品。例如：手機、電腦、手表、音響、智能手環(huán)等。油墨固化覆蓋了我們?nèi)粘Ｉ畛Ｒ娢锲?，例如：衣物、飲料外包裝、圖冊、廣告牌、家居裝潢等。民用、醫(yī)療以及軍工是正在快速發(fā)展的領(lǐng)域。主要是依靠深紫外能破壞細胞分子結(jié)構(gòu)的原理進行殺菌消毒。這個也是未來健康產(chǎn)業(yè)的主題[3]。

目前UV-LED固化技術(shù)主要存在以下的問題：一是UV-LED固化設(shè)備光源系統(tǒng)波長與UV油墨匹配度差；二是光源系統(tǒng)的驅(qū)動電路工作穩(wěn)定性差；三是固化功率不夠，造成固化速度達不到要求[4]；四是散熱問題沒有徹底解決。這幾方面的問題造成了國內(nèi)UV-LED固化系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)與市場推廣存在一定影響。因此，如果能夠在上面所述的幾個問題上有所突破，開發(fā)出的UV-LED干燥系統(tǒng)將有廣闊的市場前景。

2 UV-LED固化裝置光源驅(qū)動的電路設(shè)計

2.1 UV-LED固化裝置構(gòu)成

UV-LED固化裝置主要有四部分構(gòu)成，包括光源模塊、光源系統(tǒng)驅(qū)動電路、散熱模塊、單片機整機控制模塊。如圖1所示。

圖1 UV-LED固化裝置的構(gòu)成圖

2.2 光源系統(tǒng)驅(qū)動電路設(shè)計

2.2.1 UV-LED的發(fā)光原理

如圖2所示，PN結(jié)的端電壓構(gòu)成一定的勢壘，當加正向電壓后，勢壘下降，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U散，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子。由于電子遷移率和空穴遷移率大得多，所以會出現(xiàn)大量電子向P區(qū)擴散，構(gòu)成對P區(qū)少數(shù)載流子的注入。在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，而空穴和電子復(fù)合時得到的能量以熱能與光能的形式釋放出去。

圖2 UV-LED發(fā)光原理示意圖

2.2.2 UV-LED的驅(qū)動特性

在UV-LED固化系統(tǒng)中，單顆LED芯片并不能滿足功率要求，故采用多顆燈珠串聯(lián)、并聯(lián)或者混聯(lián)的方式組成UV-LED光源陣列來滿足實際生產(chǎn)要求，UV-LED負載的連接方式直接關(guān)系到其可靠性和使用壽命。在設(shè)計光源模塊的驅(qū)動電路時，一般要考慮成本和性能兩個因素。將多顆LED連接在一起使用時，正向電壓和電流均必須匹配，而且通過正向電壓將LED串聯(lián)起來可以實現(xiàn)恒定電流，這樣可使多顆LED芯片產(chǎn)生一致的亮度。目前多顆LED芯片的連接方式有三種：串聯(lián)驅(qū)動、并聯(lián)驅(qū)動和混聯(lián)驅(qū)動。

串聯(lián)驅(qū)動是驅(qū)動LED的最簡單方式，但缺點就是串聯(lián)的電阻會消耗過多的電能，并且單顆功率有限，成本也會很高，當其中一顆LED損壞時，整個電路將會斷開，因此大部分不使用此種驅(qū)動方式。

并聯(lián)驅(qū)動可以利用較低的電源來驅(qū)動LED，不需要升壓轉(zhuǎn)換器，甚至可以使用小型的干電池來直接驅(qū)動，但是此電路需要較大的電流來驅(qū)動大量的LED，因此并聯(lián)的數(shù)量越多，對電源的負擔就越大。

混聯(lián)矩陣式驅(qū)動結(jié)合了串聯(lián)電路的低電流驅(qū)動，也結(jié)合了并聯(lián)電路的低電壓驅(qū)動兩者的優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

本文采用以串聯(lián)驅(qū)動為基礎(chǔ)，在每只UV-LED并聯(lián)一個齊納二極管的新型驅(qū)動方式，其中齊納二極管的導(dǎo)通電壓要比LED的導(dǎo)通電壓要高，這種驅(qū)動方式可保證即使有燈珠損壞的情況下，剩余的燈珠還可繼續(xù)正常工作，如圖3所示。

圖3 UV-LED兩端并聯(lián)齊納二極管連接圖

2.3 光源系統(tǒng)驅(qū)動電路設(shè)計

在設(shè)計光源系統(tǒng)驅(qū)動電路時，應(yīng)重點考慮UVLED對電壓和電流的要求。驅(qū)動電路對UV-LED的工作性能、穩(wěn)定性和壽命都有較大的影響，應(yīng)當具有高效、簡便易用等特性。

UV-LED具有非線性伏安特性曲線，為減少其光衰并增加其壽命，需要恒流電路驅(qū)動UV-LED。UV-LED的發(fā)光原理是使電能轉(zhuǎn)換為光能，也就是對化合物半導(dǎo)體施加電流，通過電子與空穴的結(jié)合，使過剩的能量以光的形式釋放，采用恒流驅(qū)動電路會防止電流過大所引起的UV-LED大面積損壞，同時還要對UV-LED輸出電壓進行考慮，在UV-LED輸出電壓方式上，有高壓輸出和低壓輸出兩種方式。在高壓輸出情況下，UV-LED可以串聯(lián)在一起，從而減少并聯(lián)的路數(shù)，線路總的電流就會變得比較小，較小的電流意味著較小的線路損耗。如果采用恒流驅(qū)動芯片對UV-LED進行驅(qū)動，則需要的驅(qū)動芯片也會比較少，電路結(jié)構(gòu)簡單[5]，而且因為串聯(lián)的電流相同，從而在發(fā)光的一致性方面更好。對于大功率輸出來說，采用較高的輸出電壓對驅(qū)動數(shù)目較多的UV-LED芯片來說更為方便，因此本文設(shè)計的驅(qū)動電源采用的是較高電壓作為輸出，即高電壓小電流的輸出方式。具體實施方式是直接通過AC220V供電，并通過橋式整流濾波、驅(qū)動芯片、自適應(yīng)填谷電路對LED芯片進行供電，并且可以根據(jù)實際工作需要的功率要求增加光源模塊，提高UV-LED干燥裝置的功率。光源驅(qū)動電路過程圖如圖4所示。

圖4 UV-LED驅(qū)動電路過程圖

2.3.1 整流濾波電路設(shè)計

在本設(shè)計中，輸入電壓是交流AC220V，單顆UV-LED的驅(qū)動電壓值為3V，導(dǎo)通電流范圍是0.1～700mA，UV-LED驅(qū)動電路的主要功能是將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，并同時完成與UV-LED的電壓和電流的匹配。因此，在AC220V供電后通過整流濾波電路來實現(xiàn)交/直流變換，如圖5所示。通常使用的整流濾波網(wǎng)絡(luò)由二極管和濾波電容等元器件構(gòu)成，使得驅(qū)動電源對電源供電電網(wǎng)表現(xiàn)為非線性作用，為了獲得較好的濾波效果，通常選取電容值較大的濾波電容。

圖5 橋式整流電路及電壓電路波形圖

在選擇電路中的濾波元件時，主要考慮以下參數(shù)：

輸出電壓的平均值：

輸出的最大峰值電壓：

整流濾波中的放電時間常數(shù)為：

通常為了取得更好的濾波效果，RLC選取得比較大，常?。?～5）T/2，使得電容C的放電時間遠大于其充電時間[6]。輸入電壓為AC220V，由式（3）可得當輸出點的時間常數(shù)τd為40ms時，由式（1）可以得到平均電壓U0為270V左右，由式（2）可以得到最大峰值電壓為310V左右，考慮設(shè)計要給予1.5系數(shù)的安全余量，設(shè)計選用600V/0.8A的整流橋堆，以及外加400V耐壓6.8μF的鋁電解電容來滿足前級的整流濾波。

2.3.2 SDS3106控制芯片的電路設(shè)計

UV-LED驅(qū)動電源的控制芯片是對整個驅(qū)動電源電路整體工作運行進行檢測和控制的集成電路，芯片的選擇在驅(qū)動電源的設(shè)計中具有關(guān)鍵性意義，所有的控制電路都是圍繞著芯片進行設(shè)計的，不同的芯片所設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)也是不相同的。在本設(shè)計中，芯片的選型要綜合考慮電路的功能、價格成本、結(jié)構(gòu)的簡化、性能的穩(wěn)定等因素，選用SDS3106芯片。

（1）SDS3106控制芯片概述

SDS3106控制芯片是一款單通道高壓恒流UVLED驅(qū)動芯片。采用線性恒流技術(shù)，通過外部電阻設(shè)定LED芯片的驅(qū)動電流，分兩段結(jié)構(gòu)，配置靈活，可適應(yīng)3～18W各種LED的應(yīng)用要求，并且采用自適應(yīng)填谷專利技術(shù)[7]，可以有效的改善電源系統(tǒng)的效率和線性調(diào)整率。

（2）SDS3106芯片的特性

A、芯片間恒流精度偏差＜±4%；

B、具有溫度補償和過熱保護功能；

C、輸入功率線性調(diào)整率＜2%/10V；

D、PF值＞0.5，也可高PF值配置；

E、線路簡單，電源系統(tǒng)成本低；

F、ESOP8封裝。

SDS3106芯片的腳位圖如圖6所示。

圖6 SDS3106芯片的腳位圖

傳統(tǒng)的高壓線性恒流LED驅(qū)動一般采用驅(qū)動芯片與LED芯片串聯(lián)，整流橋的兩個輸出端并聯(lián)一個大電容用來穩(wěn)壓，以降低整流橋輸出電壓的波動，其驅(qū)動波形如圖7所示。具體地，圖中上面的波形為市電輸入交流信號，下面的驅(qū)動波形為整流輸出波形圖；實線部分為市電電壓較低時的驅(qū)動波形圖，虛線部分為市電電壓較高時的驅(qū)動波形圖。由圖可知，在T2時間段內(nèi)，市電輸入對電容充電，整流輸出的電壓隨著市電電壓絕對值的增加而升高；在T1、T3時間段內(nèi)，電容兩端的電壓高于市電電壓，電容對LED芯片放電，電容上的電壓緩慢下降。

圖7 傳統(tǒng)填谷電路驅(qū)動波形

圖8 芯片供電電路圖

對比圖中的實線與虛線可以得出，當市電電壓升高時，LED燈串的驅(qū)動電壓也隨之整體升高。由于LED燈芯是恒流驅(qū)動，所以LED燈串的兩端的電壓不變，增加的這部分電壓就直接施加在驅(qū)動芯片上，使得芯片上的功耗急劇增加。因此采用傳統(tǒng)電容填谷方式的高壓線性恒流LED驅(qū)動隨交流電壓升高效率會急劇變差，通常從最優(yōu)驅(qū)動點220V開始，交流電電壓每上升10V電源效率下降約5%（線性調(diào)整率）。

如圖8是采用自適應(yīng)填谷技術(shù)的驅(qū)動電路的SDS3106芯片的UV-LED光源驅(qū)動電路。在整流橋輸出電壓上升階段，對電容進行充電。充電過程中，SDS3106檢測整流橋輸出電壓，當整流輸出電壓高于某個閾值電壓時，SDS3106停止對電容C1充電。當整流橋輸出電壓下降低于電容電壓時，電容對LED燈串放電。圖8中CS引腳接電阻到地，用來調(diào)節(jié)LED燈串中的電流。LED燈串的電流計算公式如下：

芯片的Vref電壓為負溫度系數(shù)的參考電壓，當結(jié)溫超過110℃時，參考電壓隨著溫度的升高而下降，以降低LED中的電流從而提高系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。

如圖9是自適應(yīng)填谷的LED燈串驅(qū)動電壓波形，Vth1是LED燈串完全點亮的電壓，Vth2是電容C1停止充電的電壓。一方面，合理地設(shè)置電容大小，保證電容C1放電過程中最低電壓正好等于Vth1，可以保證交流電220V時，電源系統(tǒng)效率最高；另一方面，當交流電電壓升高時，電容C1上最高電壓Vth2不會隨著升高，在T1和T4時間段，加在LED燈串上的電壓不會升高，這樣克服了傳統(tǒng)填谷電路電源效率隨交流電電壓升高急劇變差的缺陷，通常從最優(yōu)驅(qū)動點220V開始，交流電電壓每上升10V電源效率下降約2%（線性調(diào)整率）。

圖9 自適應(yīng)填谷電路驅(qū)動波形

4 小結(jié)

本文主要對UV-LED綠色印刷固化設(shè)備光源系統(tǒng)的驅(qū)動電路進行研究，介紹由72顆395nm波段的LED芯片陣列排布構(gòu)成的光源系統(tǒng)的驅(qū)動電路通過串聯(lián)連接起來，在每顆燈珠上并聯(lián)了一個齊納二極管的方式，以及對SDS3106控制芯片構(gòu)成的驅(qū)動電路的性能和特點進行了說明，重點介紹自適應(yīng)填谷電路以及控制芯片的技術(shù)。采用自適應(yīng)填谷電路技術(shù)，對光源系統(tǒng)驅(qū)動電路具有相當?shù)膶嵱靡饬x。

[1] 印刷環(huán)保技術(shù)重點實驗室. 綠色印刷技術(shù)指南[M]. 北京：印刷工業(yè)出版社，2011.9.

[2] 印刷環(huán)保部環(huán)境發(fā)展中心. 綠色印刷與中國環(huán)境標志[M]. 北京：中國環(huán)境出版社，2012.9.

[3] 深圳市維海立信科技發(fā)展有限公司. 綠色-智能-環(huán)保-高效的UVLED固化技術(shù)[J]. 網(wǎng)印工業(yè)，2015.6.

[4] 趙歡. LED陣列型紫外固化光源的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2008.

[5] 劉彬. 恒流驅(qū)動電源的研究與設(shè)計[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2009.

[6] 麻幼學(xué). 整流濾波電壓算法探討[J]. 肇慶學(xué)院學(xué)報，2010, 31(2):32-35.

[7]周志敏，周紀海.開關(guān)電源功率因數(shù)校正電路設(shè)計與應(yīng)用（第一版）[D].北京：人民郵電出版社. 2004.

Design of Printing Curing Equipment’s Light Source-Driven Circuit

MA Shao-ru, ZHANG Gui-shan, LI Jin-yao

UV-LED curing has been increasingly adopted by the market, become the new darling of the capital market, and become a hot research fi eld of printing at home and abroad. UV-LED printing curing technology is energy-saving, environmental, green. Compared with the traditional UV curing method,it can reduce the consumption of 80%-90%, produce no ozone, no VOC (volatile organic compounds)emissions. Among them, it is one of the key technologies in the UV-LED curing equipment to design the light source-driven circuit. UV-LED light source-driven circuit requires high stability, in order to improve reliability and service life of the curing equipment. Single UV-LED chip power is only a few watts, which can not meet the curing power requirements, so choose to use a way of multiple chips arrays to form UVLED integrated light source system. The light source system this paper describes is composed of 72 LED chips in array arrangement, focusing on through the rectif i er fi lter, fi lling the valley circuit directly drives the LED chip circuit. The driving circuit can not only meet the requirements of curing power of LED light source system, but also the reliability and service life of curing equipment can be improved according to the actual demand of curing system to compensate and improve the chips power.

UV-LED; curing; driving circuit

TS805

A

1400 (2017) 10-0045-06

10.19362/j.cnki.cn10-1400/tb.2017.10.002

馬少茹（1991—），女，河北邢臺人，北京印刷學(xué)院機電工程學(xué)院研究生，主要從事機電系統(tǒng)控制及自動化技術(shù)方面的研究。