紅外氣體傳感器中光源恒功率控制電路的設(shè)計(jì)*

楊幫華，丁麗娜，張永懷

(1.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200072;2.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海200233)

0 引言

氣體分析在地震預(yù)報(bào)、礦井安全、石油勘探、醫(yī)療衛(wèi)生、污染源監(jiān)測(cè)、化工過(guò)程控制、冶金等傳統(tǒng)工業(yè)乃至現(xiàn)在所有的新技術(shù)革命帶頭學(xué)科(如生物科學(xué)、微電子學(xué)、新型材料)等領(lǐng)域均有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。常用的氣體分析方法有很多種，其中紅外吸收法應(yīng)用最為引人注目，是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一［1］。

在紅外氣體傳感器和紅外氣體檢測(cè)儀器中，要求光源發(fā)光強(qiáng)度不變，即光源功率保持恒定。光源屬于純電阻負(fù)載，純電阻負(fù)載會(huì)隨著溫度變化和負(fù)載材料損耗而變化。負(fù)載的阻值變化會(huì)導(dǎo)致負(fù)載的電流或者電壓發(fā)生變化，從而使得負(fù)載功率發(fā)生變化。光源在發(fā)光過(guò)程中，溫度會(huì)升高，導(dǎo)致光源的等效阻值發(fā)生變化;隨著光源材料消耗，負(fù)載阻值也發(fā)生變化，光強(qiáng)度就發(fā)生變化，會(huì)使得紅外氣體傳感器和紅外氣體檢測(cè)儀器的輸出信號(hào)波動(dòng)。另外，一批光源產(chǎn)品中，光源的內(nèi)阻也會(huì)存在差別，用它制作的紅外氣體傳感器產(chǎn)品的一致性就會(huì)較差。由此，研究電阻性負(fù)載的恒功率控制具有重要的實(shí)際意義。

目前，在電阻性負(fù)載的恒功率控制方面，有設(shè)計(jì)出以軟件方式控制的恒功率電路，具有控制算法簡(jiǎn)單可靠、設(shè)定值靈活可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。但其需要編寫(xiě)程序，且當(dāng)單片機(jī)受自身或外部環(huán)境因素影響時(shí)程序會(huì)報(bào)錯(cuò)［2］。本文設(shè)計(jì)了一種恒功率電路，只依靠硬件電路實(shí)現(xiàn)恒功率控制，降低了復(fù)雜度，且成本低，使用方便，能夠更好地用在紅外光源驅(qū)動(dòng)上，解決了傳統(tǒng)紅外光源在恒電壓、恒電流控制電路中輸出功率不穩(wěn)定的問(wèn)題［3］，可在一定程度上提高產(chǎn)品一致性，在紅外氣體傳感器、檢測(cè)儀、分析儀器以及紅外光譜儀中都將有廣泛而積極的應(yīng)用。

1 恒功率電路工作原理與具體實(shí)現(xiàn)

1.1 工作原理

恒功率電路原理框圖如圖1所示，由功率監(jiān)視器(電流電壓采樣部分)、調(diào)節(jié)電路和光源負(fù)載三部分組成。

圖1 恒功率電路的原理框圖Fig 1 Principle block diagram of constant power circuit

設(shè)計(jì)恒功率電路的思想就是利用功率監(jiān)視器通過(guò)外部檢流電阻檢測(cè)負(fù)載電流，向芯片輸入表示負(fù)載電流的電壓，芯片內(nèi)部的乘法器將輸入的負(fù)載電壓和表示負(fù)載電流的電壓相乘，輸出一個(gè)表示負(fù)載功率的電壓作為調(diào)節(jié)電路的輸入。調(diào)節(jié)電路通過(guò)運(yùn)算放大器和三極管組成一個(gè)反饋系統(tǒng)，具有自動(dòng)穩(wěn)定負(fù)載功率的功能。當(dāng)負(fù)載的功率發(fā)生變化的時(shí)候，通過(guò)反饋系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，恒定負(fù)載輸入功率，達(dá)到光源發(fā)光強(qiáng)度不變。

1.2 具體實(shí)現(xiàn)

恒功率光源驅(qū)動(dòng)電路以EMIRS200 MEMS光源為負(fù)載，進(jìn)行恒功率電路設(shè)計(jì)。MEMS光源的等效電阻變化范圍為35～55Ω，考慮到 EMIRS200 MEMS光源典型功率為450 mW，若保持恒定450 mW的功率，則其驅(qū)動(dòng)電壓在5.7 V左右，驅(qū)動(dòng)電流在79 mA左右(參考MEMS光源的datasheet)，恒功率電路包括電流、電壓采樣電路和調(diào)節(jié)電路。恒功率電路、恒壓電路與恒流電路如圖2(a)，(b)，(c)所示。

1)電流、電壓采樣電路:主要由MAX4211EEUE功率監(jiān)視器、電阻RSENSE，R6，R10和三極管BCP54構(gòu)成。

電流采樣電路:電流源輸出電流由功率監(jiān)視芯片的端輸入，經(jīng)RSENSE，R4和三極管Q1到MEMS光源負(fù)載上，電阻RSENSE為檢流電阻，將電流以電壓的形式加在功率監(jiān)視器MAX4211EEUE的引腳1和引腳2上，在功率監(jiān)視器內(nèi)部進(jìn)行處理。

電壓采樣電路:電壓采樣電路由功率監(jiān)視器、電阻R6和R10組成，R6，R10與光源負(fù)載并聯(lián)，2個(gè)電阻兩端的總電壓與負(fù)載電壓相等，因?yàn)楣β时O(jiān)視器的輸入電壓要不大于1 V，所以，用R10分得小于1 V的電壓，代表負(fù)載的電壓值，作為功率監(jiān)視器的引腳4輸入。

2)調(diào)節(jié)電路:調(diào)節(jié)電路由功率監(jiān)視器、運(yùn)算放大器LM358與三極管BCP54組成反饋回路進(jìn)行微調(diào)。MAX4211功率監(jiān)視器，其原理如圖3所示。

功率監(jiān)視芯片將采集得到的表示負(fù)載電流和電壓的電壓值通過(guò)乘法器相乘得到表示功率的電壓值輸出。輸出電壓的計(jì)算公式為

圖2 恒功率、恒壓、恒流電路原理圖Fig 2 Principle diagram of constant power/constant voltage/constant current circuit

圖3 MAX4211功率監(jiān)視芯片結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Structure diagram of power monitoring chip

式中 UPOUT為功率監(jiān)視器的輸出電壓，AV為功率監(jiān)視器中放大器增益值，URSENSE為RSENSE兩端的電壓值，UIN為功率監(jiān)視器的輸入電壓。

結(jié)合式(1)與模擬電路知識(shí)得式(2)和式(3)

式中 ULamp為光源兩段的電壓，Ic為三極管的集電極電流，K=AVR6/R6+R10RSENSE，Ib為三極管的基極電流，Ie為三極管的發(fā)射極電流，β為三極管的電流放大系數(shù)。

由上述公式得到 UPOUT=KULampIe，其中，K=AVR6/(R6+R10)RSENSEβ/(1+β)，所以，UPOUT表示負(fù)載功率，只要保持UPOUT為恒定的值即可達(dá)到恒定負(fù)載功率的目的。

調(diào)節(jié)電路中調(diào)節(jié)負(fù)載電壓的流程如下所示

假設(shè)功率監(jiān)視芯片的輸出電壓UPOUT下降，因?yàn)閁b=A(U+－U－)=A(U+－UPOUT)，所以，Ub升高。根據(jù)三極管特性知 Uce=Uc－，故 Uce下降，調(diào)節(jié) Ue升高，R10的分壓Urvout下降，由于UPOUT=AVUR10Urvout，所以，調(diào)節(jié)功率監(jiān)視芯片的輸出電壓UPOUT升高，完成負(fù)載功率的調(diào)節(jié);反之，亦然。

2 恒壓、恒流和恒功率電路的對(duì)比

為了驗(yàn)證恒功率電路對(duì)光源負(fù)載變化的穩(wěn)定性，采用恒壓、恒流電路作為對(duì)照，通過(guò)測(cè)量計(jì)算3種電路的輸出功率，以不同負(fù)載下輸出功率數(shù)據(jù)的波動(dòng)大小作為評(píng)價(jià)依據(jù)，用功率變化的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表征波動(dòng)大小。

比較3種控制電路的效果，可以變化光源的等效阻值，觀察負(fù)載輸出功率。不論是光源隨時(shí)間變化導(dǎo)致的內(nèi)阻損耗還是紅外光源產(chǎn)品的分散性，都表現(xiàn)為等效阻值發(fā)生變化。通過(guò)紅外光源串/并聯(lián)電阻模擬實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中光源阻值發(fā)生的變化。阻值發(fā)生變化，光源的輸入電壓和輸入電流會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量輸入電流和電壓，從而計(jì)算輸入功率的大小。光源的輸入功率穩(wěn)定，那么，光源的光功率，即光源的發(fā)光強(qiáng)度也恒定。

3種光源驅(qū)動(dòng)電路分別為:恒功率電路、恒壓電路、恒流電路如圖2中(a)，(b)，(c)所示。負(fù)載是一個(gè)紅外光源(其阻值為50Ω)。恒壓電路由電壓芯片輸出穩(wěn)定的5.7 V電壓加載負(fù)載光源上，其負(fù)載電壓在光源阻值變化范圍內(nèi)不隨負(fù)載變化而變化。恒流電路由3只三極管BCP54組成的電流源，輸出恒定的79 mA電流，不受光源阻值變化影響。

記錄3種電路中的電壓表和電流表顯示的數(shù)據(jù)，如表1所示。

上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理后得到數(shù)據(jù)波動(dòng)圖形，如圖4所示。

表1 不同光源等效電阻下3種電路的電壓值和電流值Tab 1 Voltage and current values of three circuits in different equivalent resistance of the light source

圖4 三種電路在不同阻值的功率變化Fig 4 Power changes caused by different resistance in the three circuits

由圖4可以看出:當(dāng)負(fù)載光源的阻值由50Ω分別變?yōu)?5，40Ω和55Ω時(shí)，恒功率電路作為光源驅(qū)動(dòng)電路，其功率的波動(dòng)最小。經(jīng)計(jì)算，恒壓、恒流和恒功率電路負(fù)載的功率變化標(biāo)準(zhǔn)差分別為13.11，32.80mW 和3.62mW，恒功率電路負(fù)載功率的標(biāo)準(zhǔn)差最小，進(jìn)一步表明恒功率電路輸出功率的變化最小。

3 結(jié)論

恒功率電路針對(duì)一批不同阻值的光源可以使其的發(fā)光強(qiáng)度保持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，從而減少紅外傳感器的分散性;對(duì)于長(zhǎng)期光源損耗產(chǎn)生的光源強(qiáng)度差異也有較好的調(diào)節(jié)作用，從而抑制了紅外傳感器的基線(xiàn)漂移，增加了可靠性。該電路還可以根據(jù)不同的場(chǎng)合和不同的需求，進(jìn)行改進(jìn)，具有更廣闊應(yīng)用范圍和實(shí)用價(jià)值。

［1］張永懷，白 鵬，劉君華.紅外氣體分析器［J］.分析儀器，2002(3):36－40.

［2］路立平，高 巍.電阻性負(fù)載恒功率驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)［J］.鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，25(5):1－3.

［3］崔春艷，胡新寧，趙尚武，等.一種光纖傳感器光源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2007，26(7)，98－100.

［4］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分［M］.5版.北京:高等教育出版社，2006:111－119.