一些晶体受热时,会在晶体两端产生数目相等而极性相异的电荷,这类现象被称为热释电效应.热释电红外传感器正是利用热释电效应将红外辐射转化为电信号,而实现这一转化的元件被称为热释电元件.在自然界中,一般温度超过绝对零度的物体都能产生红外辐射.人体正常体温通常在37 ℃左右,会发出波长约为10 μm的特定的红外线,热释电红外传感器就是靠探测人体发出的红外线进行工作的^[5].

菲涅尔透镜表面的一侧为光滑的,而在内部的另一侧则刻有齿纹,这种结构可以将入射光的波长峰值限制在10 μm左右,同时其纹理是按照接收角度和相对接收灵敏度要求设计和制造的^[6].菲涅尔透镜主要有2个作用:1)聚焦作用,即将热释电红外信号折射在热释电红外传感器上; 2)将探测区内分为若干个明区和暗区,使进入探测区内的移动物体能以温度变化的形式在热释电红外传感器上产生变化热释红外信号^[7].菲涅尔透镜视窗的设计一般都是不均匀的,一般中间密集、两侧稀疏,上面较多、下面较少.透镜上面齿纹较多是因为人的面部、手臂红外辐射能力较强; 透镜下面齿纹较少是因为人体下部红外辐射能力较弱,同时可防止地面动物红外辐射的干扰^[8].

热释电红外控制电路模块是整个系统的核心,负责外界光照信号和人体红外辐射信号的检测以及对数据的分析与对系统的控制等.该模块主要由光检测电路、人体红外辐射检测电路、信号滤波与放大电路、信号处理与执行电路等部分构成.光检测电路主要是由光敏电阻来检测光照强弱; 人体红外辐射检测电路主要由热释电红外传感器和菲涅尔透镜配合使用检测运动中的人体发出的特定波长的红外信号,并把该信号经信号滤波与放大电路转化为电信号发送至信号处理电路; 信号处理与执行电路主要是判断各类信号的作用,从而判断LED智能楼道灯的通断.CS9803是为热释电红外传感器配套设计的专用集成电路,配上热释电红外传感器和少量外围元件,就可构成工作稳定可靠的控制系统.热释电红外控制电路功能图如图3所示.

图3 热释电红外控制电路功能图
Fig.3 Function block diagram of pyroelectric infrared control circuit

热释电红外控制电路功能说明如下:

1)人体红外感应信号由内部放大,经检测有触发,则运算放大器输出高电平.此刻计时检测电路启动,在计满特定的内部时钟周期后跳变高,可以避免误触发^[9].

2)光敏电阻连接内部施密特触发器,有光线照射时光敏电阻阻值低,施密特反相器输出低,从而导致输出的抑止; 若入射光减弱时则相反,施密特反相器输出为高.

3)在1),2)的输出同时为高时,输出控制器输出一个正脉冲,控制热释电红外感应电路.

4)热释电红外传感器与集成电路芯片之间引线越短越好,尽量减少噪声干扰.

5)在1)所述情况下的计时期间内,光敏电阻触发信号不起作用.

6)CS9803引脚6所接电阻和电容决定了集成电路芯片的内部时钟.计算公式为:

F=(1±20%)/(1.1RC).(1)

7)引脚8所接电阻和电容决定了集成电路芯片内部定时器的周期,频率满足式(1); 同时调节电阻和电容大小,还可以调节输出控制的时间长短.

热释电红外控制电路调试方法:由于环境温度不同,检测灵敏度随环境温度的变化而变化,在温度低的地方灵敏度会比较高,但在温度高的地方灵敏度会有所降低.所以通过调整运放的放大倍数,采用两级放大器集成电路芯片对热释电红外传感器信号进行放大,运放的放大倍数算法:引脚1～3间电阻除以引脚3的电阻(一级运放倍数),引脚14～16间电阻除以引脚14的电阻(二级运放倍数),通过调整电阻阻值改变放大倍数,但放大倍数越大,则越容易被误触发.

R9133是一款非隔离降压型LED恒流控制器,工作在准谐振软开关(谷底导通)模式,效率高,电磁干扰(EMI)低,输出电流能够自动适应变压器感量变化和输入、输出电压的变化,从而实现高精度恒流驱动LED; 同时综合保护功能丰富,包含温度、过压、断路、短路保护等.LED驱动电路功能图如图4所示.

OVP:过压保护.

图4 LED驱动电路功能图
Fig.4 Functional block diagram of LED drive circuit

LED驱动电路设计说明如下:

1)供电电阻计算

R9133为低功耗芯片,工作中通过供电电阻R_2B,R_2A,R₂为芯片供电,常态供电电流I_vdd为0.41 mA时芯片电压V_dd约7.0 V(开关频率40～60 kHz),公式如下:

R=(1.2V_acmin-V_dd)/(10³ I_Vdd)×(1-(V_outmax)/(1.2×V_acmin)).(2)

例:输入电压180～265 V,输出电压为40～85 V,V_dd电压为7.0 V,最大供电电阻R_2B+R_2A+R₂由式(12)计算得309 kΩ,供电电阻R取值300 kΩ.

最大供电电阻功耗计算公式:

P_R=((1.4×V_acmax-V_dd)²)/R×(1-(V_outmin)/(1.4×V_acmax)).(3)

注1 供电电阻实际设计时需要根据输入输出电压进行微调.基本条件为需满足在最低输入电压下驱动最大负载.

2)电流采样电阻

引脚4用来检测电感峰值电流.在一个周期内检测电感上的峰值电流,引脚4端接芯片内部,并与内部420 mV的电压基准进行比较,当CS达到内部阈值时,系统会关掉内部功率管.

采样电阻计算:

I_pk=(420)/(R_cs)(R_cs为电流采样检测电阻R₅).(4)

峰值电流计算:

I_pk=2×I_outmax.(5)

3)电感设计

R9133是采用谷底导通模式,计算电感时需先设定一个最高工作频率f_max(40～60 kHz).当输入电压V_in最高且输出电压V_out最高时,工作频率f最高,以此计算电感值L:

L=((V_inmax-V_outmax)×V_outmax)/(f_max×V_inmax×I_pk).(6)

当f小于20 kHz时,系统进入音频范围,所以设计电感量后应计算系统最低工作频率f_min,当f_min过低时应加大f_max取值,重新计算L.当输入电压V_in最低且输出电压V_out最低时,工作频率f最低,计算公式如下:

f_min=((V_inmin-V_outmin)×V_outmin)/(L×V_inmin×I_pk).(7)

注2 系统的工作频率不能过高,频率越高系统功耗越大,且影响VDD供电电阻取值,所以建议不要高于60 kHz

4)FB检测

引脚5端的电压决定了系统的工作状态,当引脚5端电压低于1.25 V(典型值)时为正常工作状态; 当FB上升到1.25 V(典型值)时,系统会自动进入限流模式,输出所接灯串越多,输出电流越小; 当FB电压上升到1.375 V,芯片会自动判断为输出过压保护,进入低待机功耗的打嗝模式.

FB电压计算公式如下:

V_outmax=((R₈+R₉)/(R₉)×1.25V)/(c_ovp),(8)

其中c_ovp为过压保护系数,取值建议为1.14,以保证在最高负载电压下可以使驱动正常工作; R₈为FB上拉电阻; R₉为FB下拉电阻.

5)线补偿

R9133内部集成了线补偿功能,通过R₈与内部补偿电阻的电压关系来调节线性恒流特性,R₈设定为820 kΩ,用户也可通过对其微调来进一步提高恒流精度.之后,可用式(8)初步计算出R₉的值.最后再调试确定具体阻值.

需要指出的是,R₉的值决定了FB引脚的阻抗,在阻抗较高时(由于布线等因素)FB端口易被干扰,一般希望R₉取值不宜超过10 kΩ.当输出电压较低时,根据式(8)计算的R₉可能超过10 kΩ,这种情况下就需要降低R₈的值来满足系统的稳定性要求^[10].