阵列UV-LED光源驱动电路的设计

李小蓉，李炬，佘瑞峰，肖 丽（四川聚能核技术工程有限公司，四川江油，621700）

阵列UV-LED光源驱动电路的设计

李小蓉，李炬，佘瑞峰，肖 丽
（四川聚能核技术工程有限公司，四川江油，621700）

为满足光固化用阵列紫外LED（UV-LED）光源光辐射能量高均匀性和稳定性的需求，设计多路输出的LED驱动电路，实现了工作频率280Hz，电压2～52 V自适应调整、电流0～700mA、占空比0～100%均可调的脉冲输出。试验结果表明，该驱动电路在保证工作寿命的前提下，实现了LED工作电流的精确控制，使光源光辐射能量得到精确控制，辐射面均匀性的调试变得简单可行。已在“LED曝光机”中得到应用。

阵列UV-LED；恒流驱动；占空比；PWM调光

0 引言

紫外光固化是指在特殊配方的体系（称为光固化体系）中加入光敏剂，在光固化设备产生的高强度紫外光作用下，体系中的光敏物质可通过光化学反应产生活性粒子或基因，从而引发体系中的树脂进行交联聚合。目前，紫外光固化技术作为一种“3E（economy， ecology， energy）”技术，已广泛应用于涂料、油墨、粘合剂和印刷版才等各生产领域。因此，紫外光源是光固化中的至关重要的部件。目前，市面上主要的紫外光源（高压汞灯、金属卤素灯等）存在着必须高压驱动、耗电量大、寿命短、辐射光谱宽、固化效率低、红外辐射大、易使固化对象受热变形、光强不均匀和存在重金属污染等诸多缺点。LED具有耗电量小、发光效率高、寿命长达5～8万小时、节能减排、无毒无害，随着LED制造工艺的迅猛发展，UV-LED正逐步取代传统紫外光固化光源。

LED体积小、放热量少（无红外光辐射），但单个LED为点辐射，辐射能量小，使用距离和辐照面积也有很大限制。要取代线（面）光源式传统固化光源，就要用多个UV-LED组成阵列，使多个灯珠发出的光斑相互叠加，以提高紫外光辐射能量，增大光辐射面积，这就对阵列光源能量和均匀性提出了要求。

本文即针对多个UV-LED组成阵列光源提出驱动控制方案，设计了详细的驱动电路，并通过试验验证了该驱动电路对阵列光源的控制有效。

1 驱动控制方案

光固化要求必须在瞬间提供高强度、高均匀性的紫外光，阵列中的LED灯珠的点亮必须高度同步，这就要求驱动控制的一致性。将阵列中所有的LED串联驱动将造成驱动电压过高；将所有LED并联又将造成驱动电流过高。本文所采取的驱动方式是将灯珠分为若干组，每组灯珠先串联，再将各组进行并联驱动。

LED驱动控制分为稳压式和恒流式两种。稳压式即驱动电路输出的是固定电压，输出电流随着负载的增减变化。因LED具有个体差异性（灯珠PN结压降不同），要使稳压电路驱动每组LED发光亮度基本一致，需要在各组加上合适的电阻，且每组所加电阻阻值不定，或者对灯珠进行相似性筛选（选取PN结压降相近的灯珠）。目前大部分光固化用阵列LED光源厂家采用此方法。其优点是，控制电路简单，控制成本低；缺点是，工作量大，且造成灯珠浪费。而本文所采用的恒流驱动方式，其输出的电流是恒定的，输出电压随负载阻值在一定范围内自适应调整。采用同一基准控制信号，使得各组恒流模块同时输出恒定且可调整的驱动电流，各组驱动电流单独可调，也可通过上位机进行整个阵列的驱动电流调整。

如图1所示，为阵列UV-LED光源控制原理框图，驱动控制由直流电源、脉冲发生电路、PWM调光电路组、LED恒流驱动模块组和UV-LED阵列组成。脉冲发生电路产生唯一的、固定频率的脉冲信号作为整个驱动电路组的基准控制信号，各驱动控制组接受同步的脉冲，这就保证了各组LED发光的一致性和同步性。PWM调光电路组在脉冲信号周期固定的基础上，可分别对正（负）占空比宽度进行调整。恒流驱动模块输出的驱动电流与其接收到的PWM正占空比成正比，如图2所示。

LED的发光强度在规定范围内与流过它的正向工作电流IF成正比。因此，LED灯组接收到了可控的电流信号，使其发光强度变得可调节。在光源均匀度调试时，可单独调节每组灯珠的驱动电流来进行每组灯珠个体差异的补偿，使整个面光源达到良好的均匀性。阵列光源在使用过程中，可通过上位机或外部调节电路直接进行整个面光源的电流调整，使光源能量满足不同工艺的光固化需求。

图1 阵列UV-LED光源控制原理框图

图2 PWM调光控制原理图

2 驱动电路设计

NE555根据外围电路的不同连接可组成脉冲发生器、单稳态多谐振荡器、多稳态多谐振荡器、定时器等多种电路，功能强大、价格低廉且性能稳定。本文所述驱动电路即以NE555为基础进行设计。如图3为单路UV-LED光源驱动电路原理图。

如图3所示， IC1、IC2均为NE555时基电路。IC1及其外围电路构成了脉冲发生电路，也叫做振荡器。接通电源后，电源Vcc通过R1和R2对电容C3充电，当Uc＜1/3Vcc时，振荡器输出Vo=1，放电管截止。当Uc充电到大于等于2/3Vcc后，振荡器输出Vo翻转成0，此时放电管导通，使放电端接地，电容C3通过R2对地放电，使Uc下降。当Uc下降到1/3Vcc后，振荡器输出Vo又翻转成1，如此周而复始，在输出端Vo得到连续变化的振荡脉冲波形。

IC2及其外围电路构成了PWM调光电路，将NE555的6、7脚并接在定时电容C6上，2脚输入脉冲信号Vi1。接通电源后，当2脚输入高电平，DIS（7脚）端接地，C6上的电压为0，输出Vo1保持为0。当输入负脉冲时，输出立即反转成Vo1=0，DIS端接地，C6上电荷很快放到零。当2脚输入一定频率的脉冲信号时，3脚则将输出一定频率的方波信号，其正（负）占空比由Rp、C6及其供电电压AI决定。当AI固定不变时，分别调节各组可变电位器Rp即可改变PWM信号的占空比，此项功能在光源均匀性调试时至关重要。调试完成后，电阻Rp固定不变，通过上位机输出或外部电路改变AI值，即可改变PWM信号的占空比，已达到调光的作用。阵列中所有灯组接收同样的AI值，故可进行整个阵列光源的调光。

恒流驱动模块（图中LED-Q）接收占空比可调的PWM信号，输出与其一致的驱动电流，驱动LED灯组发光。图3只为一组LED驱动电路，本设计为多组驱动电路同时驱动多组LED灯组，整个控制阵列光源发光。

3 实验与结果

3.1 实验设计

实验选用台湾联胜Sili-A35UX-B型号的紫外LED灯珠，该型号灯珠的额定工作电压为3.6～4.0V，最大工作电流为1000mA（不能长时间工作于最大电流，此处仅为实验）。根据该灯珠工作特性参数，设计选用台湾明纬LDD-1000H型号的恒流驱动电源模块，每个单路驱动可提供2～52V自适应输出电压，0～1000mA连续可调输出电流。

如图3中所示搭建电路，连接VCC=5V，Vin由稳压电源供给55V直流电压，每组驱动电路连接一组（10只）UV-LED灯珠。通电后，用示波器监测电路中各点波形，万用表监测对应组UV-LED灯组电流值，能量计监测一固定监测点光辐射能量。

调节单路电位器，观察各监测值得变化。

3.2 实验结果

图3 UV-LED光源驱动电路原理图

从30%到90%时，相对应的驱动电流、光辐射能量的测量值。

表1 PWM对光能量的控制实验数据

分析表中数据得出，所设计的阵列UV-LED光源驱动电路能够提供0～1000mA可调的恒定驱动电流，各组驱动电流独立可调。PWM调光电路输出方波的占空比即可调节UV-LED的驱动电流，从而改变LED发光强度，且在工作范围内成线性关系。

4 结论

根据光固化对紫外光源的需求，响应国家节能减排的号召，利用市面上现有的UV-LED灯珠和恒流驱动电源模块的特性，设计了一种阵列UV-LED光源驱动控制电路。对该驱动电路的设计原理进行了介绍，并用实验证明了该电路的可行性。本驱动电路性能稳定、成本低廉，并且由于其结构灵活，可根据实际需求增减系统的LED数量以适应不同工艺的需求，若采用更大功率的UVLED灯珠，本驱动电路仍然适用。

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［5］周秀云，张涛，尹伯彪，黄建国.光电检测技术及应用［M］.北京：电子工业出版社，2009.

实验所得数据如表1所示，分别测出了控制电路波形占空比

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，初级工程师，主要研究方向：光电子技术。