基于大功率UV灯的数字电源管理系统研究

刘志芳，李湘伍，杨 栋

（1.广东工程职业技术学院，广东 广州 510520；2.广州市瑞欣电子科技有限公司，广东 广州 511452）

1 概 述

紫外线（Ultra-Violet Ray，UV）灯现在广泛应用于印刷和医疗等行业，其固化效率一直是企业研究的重点。尤其在印刷方面，UV灯发挥了很大的作用，经过UV灯照射之后可以加快产品的干燥速度，而且还可以提升产品的附着力，让各项指标都保持在达标的范围内。

数字电源技术的应用是传统UV行业的一次革命，其特有的智能化、高效率以及节能减排等特性极大提升了UV设备的性能，降低了能耗，保护了环境。并且能够减小设备体积，延长灯管使用寿命，增大灯管紫外能量发生，提高电源的利用率，所以目前国内外对智能数字电源的研发都比较重视[1]。

课题研究依托广州市瑞欣电子科技有限公司，重点研究了UV设备数字电源的核心无极可调模块。该模块外加UV灯管，可以构成整套电源系统，实现10%～100%无极调节，取代传统变压器加电容调节的结构。

2 系统框架设计

该UV灯的数字电源管理系统采用基于STM32的嵌入式系统，能够高速且智能地控制各个模块，整体设计如图1所示。

图1 系统整体设计框图

图1系统主要根据设定的输入值检测UV灯两端的电压值、电流值以及风机状态，通过逆变模块快速调节电压、电流的大小达到预定范围，同时控制风机系统，将温度达到预定值。在整个控制过程中，如果检测值超过设定上下限，则通过报警模块发出报警提示。系统的核心部分为逆变模块，该模块采用高频链逆变技术，通过PWM调制技术能够在非常短的时间内调节输出更强的光，加快UV灯的固化时间，减少热量，提高效率[2]。

3 硬件电路设计

3.1 逆变驱动电路

系统的电源控制电路主要由整流滤波电路、稳压电路、高频逆变电路以及采样电路组成。逆变驱动控制电路由全桥逆变电路、高频变压器、缓冲电路、控制电路、驱动电路、信号输入输出电路、采样电路、告警检测电路、通信电路以及显示电路组成，具体如图2所示。

图2 逆变电路部分电路图

图2中逆变驱动电路使用高频链软开关全桥变换器，主要采用9 A低端超高速MOSFET驱动器IXDN609SI[3]。该芯片为高电流输出，产生的电压上升和下降时间小于25 ns，输入CMOS兼容，并且几乎不受闭锁。专有的控制电路消除了跨导、电流“直通”低传播延迟以及快速匹配的上升和下降时间，能够满足高速功率变化调节。在电源管理系统下，其响应特性如图3所示。

图3 IXDN609SI输出特性曲线

3.2 稳压电路

UV灯无极调光过程中，短时间需要达到稳定可靠的电压，其中稳压电路至关重要。如图4所示，该系统稳压电路的芯片采用了LM25575MH。该芯片输入电压范围为6～42 V，负载瞬态响应性和环路补偿特性较好，不会出现低占空比限制。该设计电路可以实现限流和短路保护，且在温度过高时可以进行热关断或远程关断。

图4 稳压电路

3.3 风机控制电路

风机控制电路包含风机电源、风机调速以及风机告警检测3个部分的设计。风机电源部分采用电阻降压方案，电路的每一路风机供电都使用电阻分压，最大电流为2 A，优点是电路简单、成本低且散热好[4]。

4 软件设计

该数字电源管理系统采用控制算法控制全桥电路中的电源电压进行变换，调节电路的电压和电流，通过移相PWM、ZVZCS变换技术实现对逆变器的控制，根据输出的控制量不同，不仅可以实现恒流或恒功率的控制，还可以根据采集的外界温度和速度，智能化实时调节系统各个模块的控制时序。软件架构如图5所示，由主程序、信号处理程序、PWM控制程序、中断服务程序以及通信处理程序等组成[5]。

图5 系统软件架构图

信号处理程序由输入和输出两个子程序组成，主要对信号进行转换处理以及对输入信号进行滤波。输入程序的信号主要为采集的键盘、触摸屏以及电流和电源检测模块的数据。中断服务程序主要通过比较设定值和釆样结果，调用控制算法进行计算，完成对PWM的调节控制。告警处理程序主要是对电源系统、UV灯系统以及风机冷却系统的告警参数检测和处理。PWM控制程序采用控制算法编写程序，结合管理模块实现电源的无极调节和功率控制。显示处理程序用于显示智能数字电源的功率和运行情况，通过参数设置窗口，传递输入输出命令，控制和管理数字电源的运行情况。通信处理程序用于传输触摸屏控制和设备自身发起的通信任务，进行远程控制和分组的数据传输[6]。

5 结 论

本次研究的大功率数字电源管理系统，以高精度的传感器采集电压、电流、温度以及速度信号作为输入，以高频的MCU运行时钟作为控制步进，通过智能控制算法实时调节电源运行功率，精确操控UV灯的工作情况，提升工作效率。该系统可以应用于不同种类的数字电源管理中，可以快速且稳定地启动不同种类和不同长度的UV灯管，节省电力和能源。即使在输入出现波动的情况下，仍然能够保持稳定输出。输出功率能达到10%～100%的无极调控，在满足功率的要求下，自动调节工作电压和电流以提供平稳的UV能量输出。经长期测试该系统可以节省高达30%以上的能源，具有良好的经济效益。