用于光电自准直仪的LED光源直流恒功率驱动电路的制作方法

本实用新型涉及LED光源驱动技术领域，具体是一种用于光电自准直仪的LED光源直流恒功率驱动电路。

背景技术：

光电自准直仪在连续工作时，温度的变化对光源光功率(即亮度)的影响很大，在驱动电流恒定的情况下光源光功率随温度的升高而大幅减小。由此可见，温度的变化将直接影响CCD探测光强的稳定，从而影响测量精度。目前，国内针对此问题所提出的光源控制方法还不成熟，有手动调节的光源控制方法，还有根据图像信号灰度自动反馈调节PWM脉冲宽度的光源控制方法。

手动调节不能保证光源控制的实时性以及高精度性。而根据图像灰度调节的方式具有局限性，当CCD与反射面位置偏差较大导致CCD接收不到光源时，无法实现光源亮度的控制，而且PWM脉冲调制的驱动方式还会造成CCD成像闪烁的问题。

技术实现要素：

为了克服温度对LED光源亮度的影响以及利用图像灰度调节的方法的局限性，本实用新型提供一种LED光源直流恒功率驱动电路，该电路不仅能实现视频准直仪在全工作时间内LED光源亮度调节和恒功率控制，防止CCD过曝，在CCD接收不到光源时，仍能实现光源亮度恒定的控制，同时解决了PWM脉宽调制驱动方式所导致的CCD图像闪烁的问题。

按照本实用新型提供的技术方案，所述的用于光电自准直仪的LED光源直流恒功率驱动电路，包括：作为光源的激光二极管、恒流驱动电路和监控电流采样电路，所述激光二极管具有LD端、PD端和电源端；所述恒流驱动电路包括：电阻R₅的一端连接激光二极管LD端，电阻R₅另一端连接场效应管V₂漏极，场效应管V₂源极连接电阻R₁₆的一端，同时通过电阻R₂₃接地，电阻R₁₆另一端连接运放N₁的反相输入端，同时通过电阻R₂₂接地，运放N₁的同相输入端经过电阻R₃连接到控制信号，同时通过电阻R₁₀接地以及通过电容C₁接地，运放N₁的输出端经过电阻R₈连接到场效应管V₂栅极；所述监控电流采样电路包括：电阻R₇的一端连接激光二极管PD端，电阻R₇另一端经过电阻R₁₁连接运放N₂的同相输入端，并且通过电阻R₂₄接地，运放N₂的输出端与反相输入端相连，并通过电阻R₂₁接地，运放N₂的输出端还通过电阻R₁₃连接控制芯片，输出采样电压。

具体的，所述电阻R13输出的采样电压连接控制芯片的A/D模块，控制芯片D/A模块输出所述控制信号连接到电阻R3。

恒流驱动电路将控制芯片输出的恒定电压值转变为恒定电流来驱动光源，监控电流采样电路将流过光源接收组件的监控电流转化为电压值，控制芯片采集此电压值，来获取流过光源接收组件的监控电流，利用流过该光源接收组件的监控电流和光源光功率成正比的特性，通过控制芯片实时采集流过该光源接收组件的监控电流，获取当前光源的光功率；若光源的光功率小于预设值，则逐渐增大光源的驱动电流；反之，若当前光功率大于预设值，则逐渐减小光源的驱动电流。

恒流驱动电路中通过调节限流电阻R₅和R₂₃阻值的方式限定光源的驱动电流最大值。

本实用新型的优点是：

(1)有效克服温度变化对光源光功率的影响，在光电自准直仪全工作时间内实现LED光源亮度调节和恒功率控制。

(2)有效预防由于光源亮度过高导致的CCD过曝问题。

(3)在CCD接收不到光源时，仍能实现光源亮度恒定的控制。

(4)利用恒流驱动的方式取代PWM脉宽驱动方式，解决了由于PWM脉宽驱动方式而导致的CCD图像闪烁的问题。

附图说明

图1是本实用新型实施例中激光二极管管脚定义及底部封装示意图。

图2是恒流驱动电路图。

图3是监控电流采样电路图。

图4是本实用新型电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型选用一种带接收组件(即PD)的激光二极管(简称LED)作为光电自准直仪的光源，并且设计了恒流驱动电路以及监控电流采样电路。

恒流驱动电路就是利用电压-电流转换方式，将控制芯片D/A模块输出的恒定电压值转变为恒定电流来驱动光源。监控电流采样电路是利用电流-电压转换的方式将流过光源接收组件的监控电流转化为电压值。控制芯片通过A/D模块采集此电压值，来获取流过光源接收组件的监控电流。

利用流过该光源接收组件的监控电流和光源光功率成正比的特性，通过控制芯片实时采集流过该光源接收组件的监控电流，获取当前光源的光功率。若由于温度升高等因素导致光源的光功率小于预设值，则逐渐增大光源的驱动电流；反之，若当前光功率大于预设值，则逐渐减小光源的驱动电流。通过软件自动调节光源的驱动电流的方式克服温度的影响，实现光电自准直仪LED光源的恒功率控制。

此外，恒流驱动电路可通过调节限流电阻阻值的方式限定LED光源的驱动电流的范围，能够有效避免由于软件设置不当等因素导致LED光源光功率、CCD过曝的问题。

图1是实施例中激光二极管管脚定义，如图所示1脚是LD端，2脚是电源端(+5V)，3脚为接收组件端(PD)。

图2是恒流驱动电路图。由于控制芯片D/A模块的输出无缓冲，故采用运放与场效应管组成共源放大电路，运放N₁为场效应管V₂提供稳定的栅极电压，使场效应管工作在恒流区。其中运放对输出有缓冲作用。所述恒流驱动电路包括：电阻R₅的一端连接激光二极管LD端，电阻R₅另一端连接场效应管V₂漏极，场效应管V₂源极连接电阻R₁₆的一端，同时通过电阻R₂₃接地，电阻R₁₆另一端连接运放N1的反相输入端，同时通过电阻R₂₂接地，运放N₁的同相输入端经过电阻R₃连接到控制芯片的控制信号输出端DAC，同时通过电阻R₁₀接地以及通过电容C₁接地，运放N₁的输出端经过电阻R₈连接到场效应管V₂栅极。

设DAC端输出电压为U_DAC，运放N₁正向输入电压为U₊，负向输入电压为U_-，根据运放虚短虚短的特性，

U_-＝U₊＝U_DAC×R₃/(R₃+R₁₀) (1)

设V₂源极电压为Us，

则U_S＝(V-/R₂₂)*(R₁₆+R₂₂) (2)

设场效应管V₂的漏极-源极的电流(即LED的驱动电流)为I_DS，流过R₁₆的电流为I’，流过R₁₆的电流为I_S：

I_DS＝I’+I_S (3)

当R₁₆+R₂₂远远大于R₂₃时，I’可忽略不计，I_DS≈I_S

I_DS＝I_S＝Us/R₂₃ (4)

将(1)(2)式带入，得

I_DS＝U_DAC×R₃/(R₃+R₁₀)×(R₁₆+R₂₂)/R₂₂/R₂₃ (5)

(5)式表明，当R₃、R₁₀、R₁₆、R₂₂、R₂₃阻值一定时，LED的驱动电流可通过软件设置DAC端输出来调节。

设场效应管V₂漏源极电压为U_DS，激光二极管的工作压降为U_LED，激光二极管的电源为U，则

U_LED+U_DS+I_DS×R₅+Us＝U (6)

由(4)式可得，Us＝I_DS×R₂₃ (7)

将(7)式带入可得，U_led+U_DS+I_DS×R₅+I_DS×R₂₃＝U (8)

又因为U_DS＞0，

则U_LED+I_DS×(R₅+R₂₃)＜U (9)

由此可得，

I_DS＜(U-U_LED)/(R₅+R₂₃) (10)

由于激光二极管的工作压降U_LED，场效应管V₂导通电压为U_DS和激光二极管的电源U均为定值，LED的驱动电流的最大值由电阻R₅和R₂₃共同决定。

图3是监控电流采样电路图，电路包括：电阻R₇的一端连接激光二极管PD端，电阻R₇另一端经过电阻R₁₁连接运放N₂的同相输入端，并且通过电阻R₂₄接地，运放N₂的输出端与反相输入端相连，并通过电阻R₂₁接地，运放N₂的输出端还通过电阻R₁₃连接控制芯片的ADC端，输出采样电压。

激光二极管的PD端与电阻R₇、R₂₄串联，设采样电压为U_ADC，PD输出端的电流为I_M，可得关系式：

U_ADC＝I_M×R₂₄×(R₂₅/R₂₁) (11)

又由于PD输出端的电流I_M与激光二极管的光功率P₀成正比，设比例系数为K，则I_M＝K×P₀，所以

U_ADC＝K×P₀×R₂₄×(R₂₅/R₂₁) (12)

由于K、R₂₄、R₂₅、R₂₁均为固定值，所以，激光二极管的功率P₀与采样电压U_ADC成正比。控制芯片可以通过采样U_ADC来获得此时的光功率P₀。软件通过预设P₀的值，得到U_ADC的预期值。若实际采样到的U_ADC小于U_ADC的预期值，则增大DAC端的输出，若实际采样到的U_ADC大于U_ADC的预期值，则减小DAC端的输出，由此控制LED光源光功率恒定。

本实用新型的电路原理图如图4所示。

本实施例以图1所示的SANYO公司型号为QL65F7SA的红光激光二极管为例，来具体说明本实用新型的实施方式，其可见光输出650nm，额定功率10mW。电路中运放选择AD8052，场效应管选择IRF7811A，N沟道金属-氧化物半导体场效应管。

本实施例图2中，R₃为470欧姆，R₁₀为1k欧姆，R₂₂为15k欧姆，R₁₆为1.5k欧姆，R₅为51欧姆，R₂₃为20欧姆由(5)式可得，

I_DS＝U_DAC×470/(470+1000)×(1500+15000)/15000/20＝U_DAC×0.0176(安培)。

本实施例激光二极管的工作压降U_LED＝2.3V，激光二极管的电源U为5V。若选择，由(10)式可得，设定的LED光源的工作电流I_DS＜(U-U_LED)/(R₅+R₂₃)＝38mA，由此防止由于LED工作电流过大而导致的CCD图像过曝问题。

本实施例图3中，由于U_ADC(单位V)得，激光二极管设比例系数为K为0.0004(单位mV/mW)，P₀单位为mW，U_ADC单位为V。设定光功率P₀为最大值10mW时，U_ADC为最大值3V，

由(12)式得，3＝0.0049×10/1000×R₂₄×(R₂₅/R₂₁)

则R₂₄×(R₂₅/R₂₁)＝61224，

因为选择R₂₅＝8.2k，R₂₁＝2k，R₂₄＝15k，R₇＝1k，R₁₁＝470欧姆，R₁₃＝470欧姆。

由(12)式得，U_ADC＝0.0049×P₀/1000×15000×(8200/2000)＝0.3×P₀

通过软件设置此时的光功率值为P，并实时读取U_ADC的值，若U_ADC小于0.3×P则逐渐增大U_DAC，若U_ADC小于0.3×P，则逐渐减小U_DAC的值。从而实现LED光源稳定工作在设定的光功率值。

本实施例中选用控制芯片DAC为12位，其输出范围为0～3V，则U_DAC的最小调节量为3/4096＝0.00073V。

经上述分析可知，本实用新型能确保视频准直仪在全工作时间内LED光源的光功率恒定的同时，有效防止CCD过曝以及PWM脉宽调制驱动方式所造成的CCD图像闪烁的问题。