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）

摘要：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。

关键词：阵列UV-LED ；恒流驱动；占空比；PWM 调光

Design of driving circuit for array UV-LED light

Li Xiao rong，Li Ju，She Ruifeng，Xiao Li

（Sichuan Junenghe Technology Engineering Co., Ltd.，Sichuan Jiangyou，621700）

Abstract ：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”.

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

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13

设计与研发

2016.10

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

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

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图3 UV-LED 光源驱动电路原理图14