紅外氣體傳感器中光源恒功率控制電路的設計*

楊幫華，丁麗娜，張永懷

(1.上海大學機電工程與自動化學院自動化系上海市電站自動化技術重點實驗室，上海200072;2.中國科學院上海微系統與信息技術研究所，上海200233)

0 引言

氣體分析在地震預報、礦井安全、石油勘探、醫療衛生、污染源監測、化工過程控制、冶金等傳統工業乃至現在所有的新技術革命帶頭學科(如生物科學、微電子學、新型材料)等領域均有著越來越廣泛的應用。常用的氣體分析方法有很多種，其中紅外吸收法應用最為引人注目，是當前研究熱點之一［1］。

在紅外氣體傳感器和紅外氣體檢測儀器中，要求光源發光強度不變，即光源功率保持恒定。光源屬于純電阻負載，純電阻負載會隨著溫度變化和負載材料損耗而變化。負載的阻值變化會導致負載的電流或者電壓發生變化，從而使得負載功率發生變化。光源在發光過程中，溫度會升高，導致光源的等效阻值發生變化;隨著光源材料消耗，負載阻值也發生變化，光強度就發生變化，會使得紅外氣體傳感器和紅外氣體檢測儀器的輸出信號波動。另外，一批光源產品中，光源的內阻也會存在差別，用它制作的紅外氣體傳感器產品的一致性就會較差。由此，研究電阻性負載的恒功率控制具有重要的實際意義。

目前，在電阻性負載的恒功率控制方面，有設計出以軟件方式控制的恒功率電路，具有控制算法簡單可靠、設定值靈活可調等優點。但其需要編寫程序，且當單片機受自身或外部環境因素影響時程序會報錯［2］。本文設計了一種恒功率電路，只依靠硬件電路實現恒功率控制，降低了復雜度，且成本低，使用方便，能夠更好地用在紅外光源驅動上，解決了傳統紅外光源在恒電壓、恒電流控制電路中輸出功率不穩定的問題［3］，可在一定程度上提高產品一致性，在紅外氣體傳感器、檢測儀、分析儀器以及紅外光譜儀中都將有廣泛而積極的應用。

1 恒功率電路工作原理與具體實現

1.1 工作原理

恒功率電路原理框圖如圖1所示，由功率監視器(電流電壓采樣部分)、調節電路和光源負載三部分組成。

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

設計恒功率電路的思想就是利用功率監視器通過外部檢流電阻檢測負載電流，向芯片輸入表示負載電流的電壓，芯片內部的乘法器將輸入的負載電壓和表示負載電流的電壓相乘，輸出一個表示負載功率的電壓作為調節電路的輸入。調節電路通過運算放大器和三極管組成一個反饋系統，具有自動穩定負載功率的功能。當負載的功率發生變化的時候，通過反饋系統的調節，恒定負載輸入功率，達到光源發光強度不變。

1.2 具體實現

恒功率光源驅動電路以EMIRS200 MEMS光源為負載，進行恒功率電路設計。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，則其驅動電壓在5.7 V左右，驅動電流在79 mA左右(參考MEMS光源的datasheet)，恒功率電路包括電流、電壓采樣電路和調節電路。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功率監視器、電阻RSENSE，R6，R10和三極管BCP54構成。

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

電壓采樣電路:電壓采樣電路由功率監視器、電阻R6和R10組成，R6，R10與光源負載并聯，2個電阻兩端的總電壓與負載電壓相等，因為功率監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，代表負載的電壓值，作為功率監視器的引腳4輸入。

2)調節電路:調節電路由功率監視器、運算放大器LM358與三極管BCP54組成反饋回路進行微調。MAX4211功率監視器，其原理如圖3所示。

功率監視芯片將采集得到的表示負載電流和電壓的電壓值通過乘法器相乘得到表示功率的電壓值輸出。輸出電壓的計算公式為

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功率監視芯片結構圖Fig 3 Structure diagram of power monitoring chip

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

結合式(1)與模擬電路知識得式(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為三極管的發射極電流，β為三極管的電流放大系數。

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

調節電路中調節負載電壓的流程如下所示

假設功率監視芯片的輸出電壓UPOUT下降，因為Ub=A(U+－U－)=A(U+－UPOUT)，所以，Ub升高。根據三極管特性知 Uce=Uc－，故 Uce下降，調節 Ue升高，R10的分壓Urvout下降，由于UPOUT=AVUR10Urvout，所以，調節功率監視芯片的輸出電壓UPOUT升高，完成負載功率的調節;反之，亦然。

2 恒壓、恒流和恒功率電路的對比

為了驗證恒功率電路對光源負載變化的穩定性，采用恒壓、恒流電路作為對照，通過測量計算3種電路的輸出功率，以不同負載下輸出功率數據的波動大小作為評價依據，用功率變化的標準差來表征波動大小。

比較3種控制電路的效果，可以變化光源的等效阻值，觀察負載輸出功率。不論是光源隨時間變化導致的內阻損耗還是紅外光源產品的分散性，都表現為等效阻值發生變化。通過紅外光源串/并聯電阻模擬實際應用過程中光源阻值發生的變化。阻值發生變化，光源的輸入電壓和輸入電流會發生變化，通過測量輸入電流和電壓，從而計算輸入功率的大小。光源的輸入功率穩定，那么，光源的光功率，即光源的發光強度也恒定。

3種光源驅動電路分別為:恒功率電路、恒壓電路、恒流電路如圖2中(a)，(b)，(c)所示。負載是一個紅外光源(其阻值為50Ω)。恒壓電路由電壓芯片輸出穩定的5.7 V電壓加載負載光源上，其負載電壓在光源阻值變化范圍內不隨負載變化而變化。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據，如表1所示。

上述實驗數據整理后得到數據波動圖形，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:當負載光源的阻值由50Ω分別變為35，40Ω和55Ω時，恒功率電路作為光源驅動電路，其功率的波動最小。經計算，恒壓、恒流和恒功率電路負載的功率變化標準差分別為13.11，32.80mW 和3.62mW，恒功率電路負載功率的標準差最小，進一步表明恒功率電路輸出功率的變化最小。

3 結論

恒功率電路針對一批不同阻值的光源可以使其的發光強度保持在一個較小的范圍內波動，從而減少紅外傳感器的分散性;對于長期光源損耗產生的光源強度差異也有較好的調節作用，從而抑制了紅外傳感器的基線漂移，增加了可靠性。該電路還可以根據不同的場合和不同的需求，進行改進，具有更廣闊應用范圍和實用價值。

［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.電阻性負載恒功率驅動電源設計［J］.鄭州輕工業學院學報，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動電路的設計［J］.傳感器與微系統，2007，26(7)，98－100.

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