低输入电压宽动态连续可调负高压升压电路和光电传感器的制作方法

1.本实用新型涉及传感器领域，具体涉及低输入电压宽动态范围连续可调负高压升压电路以及光电传感器。


背景技术：

2.随着激光lidar、3d传感器、单点测距仪等在消费电子领域和自动驾驶领域的应用。越来越多的产品都要用apd、sipm、spad等传感器来将微弱的光信号转换为电信号。这些传感器工作时都需要提供负高压偏置电压，apd需要上百伏的负高压，sipm和spad也需要几十伏的负高压；同时这些传感器工作时受环境温度影响增益会动态变化，这就要求负高压可以在一定范围内变化做温度变化引起的增益补偿；并且这些传感器同一批次的器件之间也有差异，同一负高压的情况下增益会出现不一致，这就要求负高压要动态可变，通过技术手段对各器件的增益进行标定，把同一批次不同器件的增益预设到相同，保持产品性能的一致性。然而市面上没有现成的这种负高压升压电路方案，而是采用德国的lasercompoents公司有一款型号abc550
‑
06为的负高压模块，但是该模块体积大，输入电压要求高，需要直流+10v至+18v供电，很难满足+3.3v或+5v供电的普通产品的要求，而且该模块体积大不利于产品的集成化。所以设计一种低输入电压宽动态范围的连续可调负高压升压电路成为必然。
3.目前市面上在售的apd、sipm、spad等传感器工作时都需要提供负高压偏置电压，但是市面上可用的现成的负高压发生器很少，即使有，也很难满足产品化的需求，有的体积大不利于产品的集成化和小型化，有的输入电压范围太高，不适合低输入电压产品的要求，例如：德国的lasercompoents公司有一款型号：abc550
‑
06的负高压模块，其技术规格，详见下表。
[0004][0005]
但是该模块体积大，不适合产品的集成化，只能满足项目初期的一些实验测试验证；另外该模块要求输入供电电压范围：vdc+10v至+18v，不适合+3.3v或+5v供电的普通产品的要求。因而，设计一种体积小巧，输入电压低的负高压发生电路成为了产品化的需求。


技术实现要素：

[0006]
本实用新型的主要目的是提出负高压升压电路以及光电传感器，旨在解决现有技术中光电传感器可以给光电传感器提供负高压偏置电压的器件比较少，体积也比较大不满足产品化的要求、性能不满足设计的要求的问题。
[0007]
为实现上述目的，本实用新型提出一种低输入电压宽动态范围连续可调负高压升压电路，电路输出负高压，电路包括：高压反馈和调节模块，其用于输出设定的高压值，其包括输入端、第一输出端以及第二输出端，高压反馈和调节模块的第一输入端接收dac输入电压；高压控制模块，其用于生成设定频率的pwm脉冲信号，其包括第一输入端、第二输入端以及输出端，高压控制模块的第一输入端接收输入电压，高压控制模块的第二输入端连接高压反馈和调节模块的第一输出端；升压模块，其用于对高压控制模块输出的 pwm脉冲信号进行升压并输出负高压，其包括第一输入端、第二输入端和输出端，升压模块的第一输入端连接高压控制模块的输出端，升压模块的第二输入端连接高压反馈和调节模块的第二输出端；负高压监测模块，其用于实时动态监测负高压的变化，并根据负高压输出负高压监测电压信号，其包括输入端以及输出端，负高压监测模块的输入端连接升压模块的输出端，负高压监测模块的输出端输出负高压监测电压信号；主控模块，其用于根据负高压监测电压信号输出控制命令，调节dac输入电压。
[0008]
优选地，高压控制模块包括：高压升压转换器、电容c1、电容c2、电阻 r1以及电感l1，高压升压转化器的电源输入端连接电容c1至地，高压升压转化器的电源输入端连接高压控制模块的第一输入端，高压升压转化器的电源输入端和输出端之间连接连接电感l1，
高压升压转化器的接地端连接电阻 r1和电容c2至地，高压升压转化器的反馈输入端连接高压控制模块的第二输入端，高压升压转化器的输出端连接高压反馈和调节模块的输出端。
[0009]
优选地，高压反馈和调节模块包括：电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻 r10、三极管q1、三极管q2、三极管q3以及运算放大器u3，运算放大器 u3的输入端连接高压反馈和调节模块的输入端，运算放大器u3的输出端连接电阻r8至三极管q2的发射极，三极管q2的集电极连接高压反馈和调节模块的第一输出端，三极管q2的集电极连接电阻r10至三极管q1的基极，电阻r9一端连接输入电压，另一端连接三极管q3的发射极，三极管q2的基极连接三极管q3的基极，三极管q3的集电极连接三极管q1的集电极，三极管q1的发射极连接电阻r7至高压反馈和调节模块的第二输出端。
[0010]
优选地，升压模块包括：至少一级由电容和二极管组成的二级电荷泵电路。
[0011]
优选地，升压模块包括：第一级二级电荷泵电路、第二级二级电荷泵电路、第三级二级电荷泵电路以及第四级二级电荷泵电路；第一级二级电荷泵电路包括电容c3、电容c4、二极管d1以及二极管d2，电容c3的一端连接升压模块的第一输入端，电容c3的另一端连接二极管d1至地，二极管d2 的阴极连接电容c3的另一端，二极管d2的阳极连接升压模块的第二输入端，二极管d2的阳极连接电容c4至地；第二级二级电荷泵电路包括电容c5、电容c13、二极管d3以及二极管d4，电容c5的一端连接电容c3的另一端，电容c5的另一端连接二极管d3至二极管d2的阳极，二极管d4的阴极连接电容c5的另一端，二极管d4的阳极连接连接电容c13至升压模块的第二输入端；第三级二级电荷泵电路包括电容c6、电容c7、二极管d5以及二极管 d6，电容c6的一端连接电容c5的另一端，电容c6的另一端连接二极管d5 至二极管d4的阳极，二极管d6的阴极连接电容c5的另一端，二极管d6 的阳极连接连接电容c7至二极管d4的阳极；第四级二级电荷泵电路包括电容c8、电容c9、二极管d7以及二极管d8，电容c8的一端连接电容c6的另一端，电容c8的另一端连接二极管d7至二极管d6的阳极，二极管d8 的阴极连接电容c8的另一端，二极管d8的阳极连接连接电容c9至二极管 d6的阳极。
[0012]
优选地，升压模块还包括π型滤波电路和电阻r2，π型滤波电路包括：电感l2、电容c10以及电容c11，电阻r2的一端连接第四级二级电荷泵电路，电阻r2的另一端连接电容c10至地，电感l2的一端连接电阻r2的另一端，电感l2的另一端连接电容c11以及升压模块的输出端。
[0013]
优选地，负高压监测模块包括：电阻r3、电阻r4、电阻r5、电容c11、电容c12以及运算放大器u2，电阻r3一端连接负高压监测模块的输入端，另一端连接电阻r4至地，电容c2与电阻r4并联，电阻r3的另一端连接电阻r5至运算放大器u2的一端，运算放大器u2的另一端接地，运算放大器 u2的一端连接电阻r6至运算放大器u2的输出端，运算放大器u2的输出端连接负高压监测模块的输出端。
[0014]
优选地，高压反馈和调节模块包括：电阻r7的阻值为39k、电阻r8的阻值为1k、电阻r9的阻值为1k、电阻r10的阻值为24k。
[0015]
本实用新型提出一种光电传感器，其包括如上所述的负高压升压电路。
[0016]
本技术的有益效果：采用本技术的低输入电压宽动态范围连续可调负高压升压电路，通过高压反馈和调节模块输出设定的高压值，高压控制模块生成设定频率的pwm脉冲信号，升压模块对高压控制模块输出的pwm脉冲信号进行升压并输出负高压，负高压监测模块
实时动态监测负高压的变化，并根据负高压输出负高压监测电压信号，主控模块根据负高压监测电压信号输出控制命令，调节dac输入电压，即可输出相应的负高压值，这样就很好的达到了减小体积，降低了输入电压的要求，并且输入电压在3.3v
‑‑‑
5v输入时，负高压可以实现在
‑
60v到
‑
160v的范围内连续可调，达到100v的动态范围，有较宽的动态调节范围，各项指标均达到了产品化的要求，利于产品集成化和小型化，使得产品的应用范围更为广泛。
附图说明
[0017]
图1为本实用新型的低输入电压宽动态范围连续可调负高压升压电路的原理框图；
[0018]
图2为本实用新型的负高压输出值随dac输入值的变化关系曲线图；
[0019]
图3为本实用新型的高压监测信号值随dac输入值的变化关系曲线图；
[0020]
图4为本实用新型的光电传感器的增益与反向高压关系曲线图；
[0021]
图5为本实用新型的光电传感器的增益与反向高压关系曲线图。
[0022]
附图说明：高压反馈和调节模块10高压控制模块20升压模块30负高压监测模块40主控模块50。
具体实施方式
[0023]
下面将详细描述本实用新型的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同标号表示相同的元件或具有相同功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0024]
请参阅图1，本实用新型提出低输入电压宽动态范围连续可调负高压升压电路，电路输出负高压，电路包括：高压反馈和调节模块10、高压控制模块 20、升压模块30、负高压监测模块40以及主控模块50。
[0025]
高压反馈和调节模块10，其用于输出设定的高压值，其包括输入端、第一输出端以及第二输出端，高压反馈和调节模块10的第一输入端接收dac 输入电压；高压控制模块20，其用于生成设定频率的pwm脉冲信号，其包括第一输入端、第二输入端以及输出端，高压控制模块20的第一输入端接收输入电压，高压控制模块20的第二输入端连接高压反馈和调节模块10的第一输出端；升压模块30，其用于对高压控制模块20输出的pwm脉冲信号进行升压并输出负高压，其包括第一输入端、第二输入端和输出端，升压模块 30的第一输入端连接高压控制模块20的输出端，升压模块30的第二输入端连接高压反馈和调节模块10的第二输出端；负高压监测模块40，其用于实时动态监测负高压的变化，并根据负高压输出负高压监测电压信号，其包括输入端以及输出端，负高压监测模块40的输入端连接升压模块30的输出端，负高压监测模块40的输出端输出负高压监测电压信号；主控模块50，其用于根据负高压监测电压信号输出控制命令，调节dac输入电压。
[0026]
高压控制模块20包括：高压升压转换器、电容c1、电容c2、电阻r1 以及电感l1。高压升压转化器的电源输入端连接电容c1至地，高压升压转化器的电源输入端连接高压控制
模块20的第一输入端，高压升压转化器的电源输入端和输出端之间连接连接电感l1，高压升压转化器的接地端连接电阻 r1和电容c2至地，高压升压转化器的反馈输入端连接高压控制模块20的第二输入端，高压升压转化器的输出端连接高压反馈和调节模块10的输出端。
[0027]
高压反馈和调节模块10包括：电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、三极管q1、三极管q2、三极管q3以及运算放大器u3。运算放大器u3的输入端连接高压反馈和调节模块10的输入端，运算放大器u3的输出端连接电阻r8至三极管q2的发射极，三极管q2的集电极连接高压反馈和调节模块 10的第一输出端，三极管q2的集电极连接电阻r10至三极管q1的基极，电阻r9一端连接输入电压，另一端连接三极管q3的发射极，三极管q2的基极连接三极管q3的基极，三极管q3的集电极连接三极管q1的集电极，三极管q1的发射极连接电阻r7至高压反馈和调节模块10的第二输出端。本实施例中，电阻r7的阻值为39k，电阻r8的阻值为1k，电阻r9的阻值为1k，电阻r10的阻值为24k。
[0028]
升压模块30包括：至少一级由电容和二极管组成的二级电荷泵电路。
[0029]
具体地，升压模块30包括：第一级二级电荷泵电路、第二级二级电荷泵电路、第三级二级电荷泵电路以及第四级二级电荷泵电路。
[0030]
第一级二级电荷泵电路包括电容c3、电容c4、二极管d1以及二极管 d2，电容c3的一端连接升压模块30的第一输入端，电容c3的另一端连接二极管d1至地，二极管d2的阴极连接电容c3的另一端，二极管d2的阳极连接升压模块30的第二输入端，二极管d2的阳极连接电容c4至地；
[0031]
第二级二级电荷泵电路包括电容c5、电容c13、二极管d3以及二极管 d4，电容c5的一端连接电容c3的另一端，电容c5的另一端连接二极管d3 至二极管d2的阳极，二极管d4的阴极连接电容c5的另一端，二极管d4 的阳极连接连接电容c13至升压模块30的第二输入端；
[0032]
第三级二级电荷泵电路包括电容c6、电容c7、二极管d5以及二极管 d6，电容c6的一端连接电容c5的另一端，电容c6的另一端连接二极管d5 至二极管d4的阳极，二极管d6的阴极连接电容c5的另一端，二极管d6 的阳极连接连接电容c7至二极管d4的阳极；
[0033]
第四级二级电荷泵电路包括电容c8、电容c9、二极管d7以及二极管 d8，电容c8的一端连接电容c6的另一端，电容c8的另一端连接二极管d7 至二极管d6的阳极，二极管d8的阴极连接电容c8的另一端，二极管d8 的阳极连接连接电容c9至二极管d6的阳极。
[0034]
值得注意的是，这里的二级电荷泵电路的级别数量不限于上述的个数，可以根据实际情况进行调整。
[0035]
升压模块30还包括π型滤波电路和电阻r2，π型滤波电路包括：电感 l2、电容c10以及电容c11，电阻r2的一端连接第四级二级电荷泵电路，电阻r2的另一端连接电容c10至地，电感l2的一端连接电阻r2的另一端，电感l2的另一端连接电容c11以及升压模块30的输出端。
[0036]
负高压监测模块40包括：电阻r3、电阻r4、电阻r5、电容c11、电容 c12以及运算放大器u2，电阻r3一端连接负高压监测模块40的输入端，另一端连接电阻r4至地，电容c2与电阻r4并联，电阻r3的另一端连接电阻 r5至运算放大器u2的一端，运算放大器u2的另一端接地，运算放大器u2 的一端连接电阻r6至运算放大器u2的输出端，运算放大器u2的输出端连
接负高压监测模块40的输出端。本实施例中，电阻r3的阻值为1000k，电阻r4的阻值为10k，电阻r5的阻值为200k，电阻r6的阻值为200k，电容c12的电容值为10nf。
[0037]
本技术还提出一种光电传感器，其特征在于，其包括上所述的负高压升压电路。请参阅表1，表1是使用本技术的低输入电压宽动态范围连续可调负高压升压电路时的光电传感器的电气参数特性。
[0038][0039][0040]
表1光电传感器电气参数特性
[0041]
下面结合图1至图5来对本技术的工作原理进行说明。
[0042]
首先，输入电源电路提供3.3v
‑
5v的输入电压，高压反馈和调节模块10 接收dac输入电压，根据dac输入电压输出设定的高压值。高压控制模块20根据输入电压和设定的高压值生成固定频率、固定占空比的pwm脉冲信号。pwm脉冲信号经过第一级二级电荷泵电路升压，接着再经过第二级二级电荷泵电路、第三级二级电荷泵电路、第四级二级电荷泵电路升压达到最终需要的高压，然后经过π型滤波电路滤波把高压纹波降低到满足电路设计要求的条件。
[0043]
最后由负高压监测模块40(该模块实现了负高压1:101衰减)实时动态的监测负高压的变化，并反馈给主控模块50，主控模块50通过反馈回来的监测信号，可以实时的输出控制命令，通过控制dac输入电压的大小调节高压值，实现闭环控制，使输出负高压的值稳定，不会随环境温度等条件变化而变化。
[0044]
经过实际测量，该电路产生的负高压可以通过dac输入值的改变实现
ꢀ‑
60v到
‑
160v的连续可调，输出电流≦0.2ma，电源纹波≦50mv，实测在输出高压为122.17v时电源纹波为41.25mv，并且通过高压监测电路的电信号反馈到主控模块50以及dac的输出高压控制值实现了负高压的精准输出。
[0045]
请参阅表2，表2为负高压电路的实测数据，表中体现了dac输入值与对应负高压值和负高压监测信号值对应关系。
[0046]
[0047][0048]
表2dac输入值与对应负高压值和负高压监测信号值
[0049]
请参阅图2和图3，图2为负高压输出值随dac输入值的变化关系曲线图，图3为高压监测信号值随dac输入值的变化关系曲线图。根据表1可知，当dac输入值为3.94v时，负高压输出值为
‑
60.6v，当dac输入为3.276v 时，负高压输出值为
‑
159.95v，因此，根据公式 x＝7.35mv，因此，当使用24位的dac改变输入值7.5mv左右时，输出高压对应改变1.1v。
[0050]
请继续参阅图4和图5，光电传感器的增益与温度关系曲线图及增益与反向电压关系曲线图，从图中可知，光电传感器的增益随温度增加而减小，增益与温度成反比例关系；但是固定温度条件下，光电传感器的增益随反向电压增大而增加，增益与反向高压成正比例关系。由此可知，当温度变化时增益是随温度变化的，但是温度引起的增益变化可以通过调节反向电压来进行补偿，由表1可知光电传感器反向电压温度系数为：1.1v/℃,可知该负高压升压电路可以很好的满足，达到了设计要求。同时
‑
60v到
‑
160v的宽动态范围，除了实现动态的增益调节外，还可以用来实现对不同器件的增益标定。
[0051]
另外该电路还可以通过修改高压反馈和调节模块10中的电阻r7和电阻r10的电阻值，来降低负高压的输出值，产生满足sipm、spad等传感器要求的低负高压的需求。
[0052]
值得注意的是：本技术可以应用在消费电子领域和自动驾驶领域激光 lidar、3d传感器中的apd、sipm、spad等传感器，也可以应用在消费电子领域和自动驾驶领域单点测距仪中的apd、sipm、spad等传感器的负高压供电电路。
[0053]
本技术的有益效果：采用本技术的低输入电压宽动态范围连续可调负高压升压电
路，通过高压反馈和调节模块输出设定的高压值，高压控制模块生成设定频率的pwm脉冲信号，升压模块对高压控制模块输出的pwm脉冲信号进行升压并输出负高压，负高压监测模块实时动态监测负高压的变化，并根据负高压输出负高压监测电压信号，主控模块根据负高压监测电压信号输出控制命令，调节dac输入电压，即可输出相应的负高压值，这样就很好的达到了减小体积，降低了输入电压的要求，并且输入电压在3.3v—5v输入时，负高压可以实现在
‑
60v到
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160v的范围内连续可调，达到100v的动态范围，有较宽的动态调节范围，各项指标均达到了产品化的要求，利于产品集成化和小型化，使得产品的应用范围更为广泛。
[0054]
以上的仅为本实用新型的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本实用新型保护的范围，凡是在与本实用新型一个整体的构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型保护的范围内。