红外气体传感器中光源恒功率控制电路的设计*

2012-12-07杨帮华丁丽娜张永怀

传感器与微系统 2012年5期

杨帮华，丁丽娜，张永怀

(1.上海大学机电工程与自动化学院自动化系上海市电站自动化技术重点实验室，上海200072;2.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200233)

0 引言

气体分析在地震预报、矿井安全、石油勘探、医疗卫生、污染源监测、化工过程控制、冶金等传统工业乃至现在所有的新技术革命带头学科(如生物科学、微电子学、新型材料)等领域均有着越来越广泛的应用。常用的气体分析方法有很多种，其中红外吸收法应用最为引人注目，是当前研究热点之一［1］。

在红外气体传感器和红外气体检测仪器中，要求光源发光强度不变，即光源功率保持恒定。光源属于纯电阻负载，纯电阻负载会随着温度变化和负载材料损耗而变化。负载的阻值变化会导致负载的电流或者电压发生变化，从而使得负载功率发生变化。光源在发光过程中，温度会升高，导致光源的等效阻值发生变化;随着光源材料消耗，负载阻值也发生变化，光强度就发生变化，会使得红外气体传感器和红外气体检测仪器的输出信号波动。另外，一批光源产品中，光源的内阻也会存在差别，用它制作的红外气体传感器产品的一致性就会较差。由此，研究电阻性负载的恒功率控制具有重要的实际意义。

目前，在电阻性负载的恒功率控制方面，有设计出以软件方式控制的恒功率电路，具有控制算法简单可靠、设定值灵活可调等优点。但其需要编写程序，且当单片机受自身或外部环境因素影响时程序会报错［2］。本文设计了一种恒功率电路，只依靠硬件电路实现恒功率控制，降低了复杂度，且成本低，使用方便，能够更好地用在红外光源驱动上，解决了传统红外光源在恒电压、恒电流控制电路中输出功率不稳定的问题［3］，可在一定程度上提高产品一致性，在红外气体传感器、检测仪、分析仪器以及红外光谱仪中都将有广泛而积极的应用。

1 恒功率电路工作原理与具体实现

1.1 工作原理

恒功率电路原理框图如图1所示，由功率监视器(电流电压采样部分)、调节电路和光源负载三部分组成。

图1 恒功率电路的原理框图Fig 1 Principle block diagram of constant power circuit

设计恒功率电路的思想就是利用功率监视器通过外部检流电阻检测负载电流，向芯片输入表示负载电流的电压，芯片内部的乘法器将输入的负载电压和表示负载电流的电压相乘，输出一个表示负载功率的电压作为调节电路的输入。调节电路通过运算放大器和三极管组成一个反馈系统，具有自动稳定负载功率的功能。当负载的功率发生变化的时候，通过反馈系统的调节，恒定负载输入功率，达到光源发光强度不变。

1.2 具体实现

恒功率光源驱动电路以EMIRS200 MEMS光源为负载，进行恒功率电路设计。MEMS光源的等效电阻变化范围为35～55Ω，考虑到 EMIRS200 MEMS光源典型功率为450 mW，若保持恒定450 mW的功率，则其驱动电压在5.7 V左右，驱动电流在79 mA左右(参考MEMS光源的datasheet)，恒功率电路包括电流、电压采样电路和调节电路。恒功率电路、恒压电路与恒流电路如图2(a)，(b)，(c)所示。

1)电流、电压采样电路:主要由MAX4211EEUE功率监视器、电阻RSENSE，R6，R10和三极管BCP54构成。

电流采样电路:电流源输出电流由功率监视芯片的端输入，经RSENSE，R4和三极管Q1到MEMS光源负载上，电阻RSENSE为检流电阻，将电流以电压的形式加在功率监视器MAX4211EEUE的引脚1和引脚2上，在功率监视器内部进行处理。

电压采样电路:电压采样电路由功率监视器、电阻R6和R10组成，R6，R10与光源负载并联，2个电阻两端的总电压与负载电压相等，因为功率监视器的输入电压要不大于1 V，所以，用R10分得小于1 V的电压，代表负载的电压值，作为功率监视器的引脚4输入。

2)调节电路:调节电路由功率监视器、运算放大器LM358与三极管BCP54组成反馈回路进行微调。MAX4211功率监视器，其原理如图3所示。

功率监视芯片将采集得到的表示负载电流和电压的电压值通过乘法器相乘得到表示功率的电压值输出。输出电压的计算公式为

图2 恒功率、恒压、恒流电路原理图Fig 2 Principle diagram of constant power/constant voltage/constant current circuit

图3 MAX4211功率监视芯片结构图Fig 3 Structure diagram of power monitoring chip

式中 UPOUT为功率监视器的输出电压，AV为功率监视器中放大器增益值，URSENSE为RSENSE两端的电压值，UIN为功率监视器的输入电压。

结合式(1)与模拟电路知识得式(2)和式(3)

式中 ULamp为光源两段的电压，Ic为三极管的集电极电流，K=AVR6/R6+R10RSENSE，Ib为三极管的基极电流，Ie为三极管的发射极电流，β为三极管的电流放大系数。

由上述公式得到 UPOUT=KULampIe，其中，K=AVR6/(R6+R10)RSENSEβ/(1+β)，所以，UPOUT表示负载功率，只要保持UPOUT为恒定的值即可达到恒定负载功率的目的。

调节电路中调节负载电压的流程如下所示

假设功率监视芯片的输出电压UPOUT下降，因为Ub=A(U+－U－)=A(U+－UPOUT)，所以，Ub升高。根据三极管特性知 Uce=Uc－，故 Uce下降，调节 Ue升高，R10的分压Urvout下降，由于UPOUT=AVUR10Urvout，所以，调节功率监视芯片的输出电压UPOUT升高，完成负载功率的调节;反之，亦然。

2 恒压、恒流和恒功率电路的对比

为了验证恒功率电路对光源负载变化的稳定性，采用恒压、恒流电路作为对照，通过测量计算3种电路的输出功率，以不同负载下输出功率数据的波动大小作为评价依据，用功率变化的标准差来表征波动大小。

比较3种控制电路的效果，可以变化光源的等效阻值，观察负载输出功率。不论是光源随时间变化导致的内阻损耗还是红外光源产品的分散性，都表现为等效阻值发生变化。通过红外光源串/并联电阻模拟实际应用过程中光源阻值发生的变化。阻值发生变化，光源的输入电压和输入电流会发生变化，通过测量输入电流和电压，从而计算输入功率的大小。光源的输入功率稳定，那么，光源的光功率，即光源的发光强度也恒定。

3种光源驱动电路分别为:恒功率电路、恒压电路、恒流电路如图2中(a)，(b)，(c)所示。负载是一个红外光源(其阻值为50Ω)。恒压电路由电压芯片输出稳定的5.7 V电压加载负载光源上，其负载电压在光源阻值变化范围内不随负载变化而变化。恒流电路由3只三极管BCP54组成的电流源，输出恒定的79 mA电流，不受光源阻值变化影响。

记录3种电路中的电压表和电流表显示的数据，如表1所示。

上述实验数据整理后得到数据波动图形，如图4所示。