CN102379159A - 用于光学传感器系统的双电压和电流控制反馈环路 - Google Patents
用于光学传感器系统的双电压和电流控制反馈环路 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于光学传感器系统的双电压和电流控制反馈控制环路。电源提供受控DC电压。电流源接收受控DC电压并向光源提供切换的电流。当电流源正在驱动光源时，在反馈路径上向电源提供表示到光源的电流反馈。当电流源没有驱动光源时，在反馈路径上向电源提供表示DC电压的电压反馈。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求以下共同拥有的美国临时专利申请的优先权：系列号61/165,171，系列号61/165,181，系列号61/165,388和系列号61/165,159，所有这些申请都在2009年3月31日提交。
本申请涉及以下共同拥有的申请：美国实用新型专利申请系列号12/652,083，题目为“CURRENT SOURCE TO DRIVE A
LIGHT SOURCE IN AN OPTICAL SENSOR SYSTEM”；美国实用新型专利申请系列号12/652,089，题目为“OPTICAL SENSOR SYSTEM
INCLUDING SERIES CONNECTED LIGHT EMITTING DIODES”；以及美国实用新型专利申请系列号12/652,095，题目为“HIGH VOLTAGE SUPPLY TO
INCREASE RISE TIME OF CURRENT THROUGH LIGHT SOURCE IN AN OPTICAL SENSOR SYSTEM”；所有这些申请都在2010年1月5日提交，并且通过引用将它们所有都合并于此。
技术领域
本申请涉及传感器，并且更特别地涉及用于光学传感器系统的双电压和电流控制反馈环路。
背景技术
光学传感器系统可以通过检测从对象反射的光而用于对对象进行定位和/或成像。此类系统可以包括向对象传输光的光源和用于检测对象反射的所传输光的部分的检测器。传感器系统可以分析反射光的特性以确定到对象的距离和/或生成对象的电子图像。
在一个示例中，此类系统可以包括光源（诸如一个或多个发光二极管（LED）），其被配置为传输经调制的红外光（IR），即快速接通或关断的IR光。检测器可以接收反射光并且计算由回到传感器的光的反射赋予的相移。接收的光的飞行时间可以根据相移来计算，并且到传感器视场中各个点的距离可以通过将飞行时间与传输介质中信号的速度相乘来计算。通过在检测器中提供接收像素的阵列，可以映射与在每个像素处接收的光相关联的距离信号以生成视场的三维电子图像。
在此类系统中的光源的调制方式是系统性能中的一个因素。为了实现有用且准确的成像，期望以例如40MHz的高频率调制光源。此外，在此类系统中期望利用高效率和可靠性来调制光源，同时维持合理的制造成本和相对小的封装大小。
发明内容
在一个实施例中，提供一种用于光学传感器系统的光源电路。所述光源电路包括：电源，用于提供受控直流（DC）电压输出；电压反馈电路，用于向所述电源提供表示反馈路径上的DC电压输出的电压反馈；电流源，其耦合至所述电源以接收所述受控DC电压输出并且向光源提供电流输出，所述电流源被配置为向所述电源提供表示反馈路径上的电流输出的电流反馈；以及开关，借此所述电流源被配置为向所述光源提供所述电流输出，以及所述电源被配置为当所述开关闭合时响应于所述电流反馈来调整所述DC电压输出，并且所述电源被配置为当所述开关断开时响应于所述电压反馈来调整所述DC电压输出。
在相关实施例中，所述电流源可以包括电感器，其与电阻器串联连接；以及二极管，其与所述电感器和电阻器并联耦合；并且其中所述电流源被配置为当所述开关闭合时通过所述电感器向所述光源提供所述电流输出并且当所述开关断开时使通过所述电感器的电流转向所述二极管。在其他相关实施例中，所述电流源可以包括电流监视器，所述电流监视器耦合至所述电阻器并且被配置为提供所述电流反馈。
在另一相关实施例中，所述电压反馈电路可以包括耦合至所述DC电压输出的分压器。在又一相关实施例中，所述光源可以包括多个串联连接的发光二极管。在又一相关实施例中，所述电路还可以包括以预定频率断开和闭合所述开关的驱动电路。在其他相关实施例中，所述预定频率可以是约40MHz。
在另一实施例中，提供一种光学传感器系统。所述光学传感器系统包括控制器；光源电路，其耦合至所述控制器以响应于来自于所述控制器的控制信号来驱动光源，所述光源电路包括：电源，用于提供受控直流（DC）电压输出；电压反馈电路，用于向所述电源提供表示反馈路径上的DC电压输出的电压反馈；电流源，其耦合至所述电源以接收所述受控DC电压输出并且向光源提供电流输出，所述电流源被配置为向所述电源提供表示反馈路径上的电流输出的电流反馈；以及开关，借此所述电流源被配置为向所述光源提供所述电流输出，以及所述电源被配置为当所述开关闭合时响应于所述电流反馈来调整所述DC电压输出，并且所述电源被配置为当所述开关断开时响应于所述电压反馈来调整所述DC电压输出；传输光学器件，用于从所述光源向对象引导光；接收器光学器件，用于接收从所述对象反射的光；以及检测器电路，用于将所述反射的光转换为一个或多个电信号；所述控制器被配置为响应于所述一个或多个电信号提供表示到所述对象上的至少一个点的距离的数据信号输出。
在相关实施例中，所述电流源可以包括电感器，其与电阻器串联连接；以及二极管，其与所述电感器和电阻器并联耦合；并且其中所述电流源被配置为当所述开关闭合时通过所述电感器向所述光源提供所述电流输出并且当所述开关断开时使通过所述电感器的电流转向所述二极管。在其他相关实施例中，所述电流源可以包括电流监视器，所述电流监视器耦合至所述电阻器并且被配置为提供所述电流反馈。
在另一相关实施例中，所述电压反馈电路可以包括耦合至所述DC电压输出的分压器。在又一相关实施例中，所述光源可以包括多个串联连接的发光二极管。在又一相关实施例中，所述系统还可以包括以预定频率断开和闭合所述开关的驱动电路。在其他相关实施例中，所述预定频率可以是约40MHz。
在另一实施例中，提供一种用于在光学传感器系统中在开关的控制下向光源提供电流的方法。所述方法包括当所述开关闭合时通过电流源向所述光源提供电流；当所述开关闭合时响应于在反馈路径上提供的电流反馈来调整DC输入电压到所述电流源，电流反馈信号表示向所述光源提供的电流；以及当所述开关断开时响应于所述反馈路径上提供的电压反馈来调整所述DC输入电压到所述电流源，所述电流反馈信号表示所述DC输入电压。
在相关实施例中，提供可以包括当所述开关闭合时通过电流源向所述光源提供电流，其中所述电流源包括与电阻器串联连接的电感器，与所述电感器和电阻器并联耦合的二极管，以及耦合至所述电阻器并且被配置为提供所述电流反馈信号的电流监视器。在另一相关实施例中，所述方法还可以包括以预定的频率断开和闭合所述开关。在其他相关实施例中，断开和闭合可以包括以约40MHz的预定频率来断开和闭合所述开关。
附图说明
根据如在附图中图示的、在此公开的特定实施例的以下描述，在此公开的前述和其他对象、特征和优势将是明显的，在附图中，同样的参考字符遍及不同的视图而指代相同的部分。附图不一定是按比例的，而是将重点放在阐明在此公开的原理上。
图1是根据在此公开的实施例的光学传感器系统的框图。
图2是根据在此公开的实施例的光学传感器系统光源电路的框图。
图3是根据在此公开的实施例的、包括双电压和电流控制反馈环路的光学传感器系统光源电路的框图。
图4是根据在此公开的实施例的、包括双电压和电流控制反馈环路以驱动包括多个串联连接的LED的光源的光学传感器系统光源电路的框图。
具体实施方式
图1是根据在此公开的实施例的光学传感器系统100的简化框图。通常，光学传感器系统100发出由对象104反射的光102（例如，红外（IR）光），并且接收反射光106以识别到对象104的距离和/或映射对象104的图像。在某些实施例中，例如，系统可以实现为用于汽车的防撞传感器，例如，倒车传感器。在倒车传感器应用中，例如，系统提供指示从车辆的尾部到对象104的距离的数据输出108，以便辅助该车辆的司机避免在向后移动时不经意地与对象104接触。尽管可以结合特定应用描述与本公开一致的系统和方法，但是本领域的那些普通技术人员将认识到各种各样的应用都是可能的。例如，可以在光学传感器中实现与本公开一致的系统和方法，以用于范围发现的应用或涉及目标对象的识别和/或成像的任何应用。
本领域的那些普通技术人员将认识到，为了解释的简易性而高度简化地描述了光学传感器系统100。图1中示出的光学传感器系统100包括控制器/处理电路110、光源电路112、传输光学器件114、接收器光学器件116和检测器电路118。控制器/处理电路110可以是已知电路，其用于控制光源电路的光源的调制，并且用于处理接收的数据以生成表示从传感器到对象的距离的输出数据流和/或对象的电子图像。控制器/处理电路110例如可以是可在商业上从Sunnyvale,CA的Canesta公司获得的任意深度传感器控制器/处理电路。
光源电路112可以包括用于响应于来自于控制器/处理电路110的控制输出来驱动光源的已知电路，并且可以包括与本公开一致的电路。传输光学器件114可以包括用于引导来自于光源的光输出以提供包含感兴趣的（一个或多个）对象的系统视场的已知光学组件。接收器光学器件116可以包括用于接收从感兴趣的对象反射的光并且将接收的光引导到检测器电路118的已知光学组件。检测器电路118可以包括例如布置在像素阵列中、用于将接收的光转换为向控制器/处理电路110提供的电信号的已知光检测器。检测器电路118例如可以是可在商业上从Sunnyvale,CA的Canesta公司获得的任何检测器电路。控制处理电路110可以计算到对象上各个点并且在系统视场内的距离（例如使用接收光中的相移来计算飞行时间和距离）以提供指示到对象的距离的数据输出和/或映射对象以提供其三维图像。
图2是根据在此描述的实施例的光源电路112的简化框图。光源电路112包括电源202、耦合至电源202的输出的电流源204、耦合至电流源204的一个或多个光源206、耦合至电流源204的可选高压电源208以及用于控制开关S1和S2以便以预定频率关断和接通一个或多个光源206（即调制一个或多个光源206）的驱动电路210。在此使用的术语“耦合”指代任何连接、耦合、链接等，通过该任何连接、耦合、链接等，一个系统元件携带的信号被给予“耦合的”组件。此类“耦合的”设备或信号和设备不必彼此直接连接，并且可以通过可以操纵或修改此类信号的中间组件或设备分离。驱动电路210可以采用任何已知配置或在此描述的配置之一。
电源202可以采用用于从输入电压源212接收输入电压并且提供受控直流（DC）电压输出的任何已知配置。例如，输入电压源212可以（例如如在图2中所示的）是DC源，例如，车辆电池，并且电源202可以（例如如在图2中所示的）是用于将DC源电压转换为电源202的输出处的受控DC电压的已知DC-DC转换器。已知DC-DC转换器包括例如降压转换器、升压转换器、单端初级电感器转换器（SEPIC）等。在某些实施例中，SEPIC转换器可以被用于允许大于、小于或等于输入电压的受控DC输出电压。SEPIC转换器和SEPIC转换器控制器配置对于本领域的那些普通技术人员是已知的。结合与本公开一致的系统使用的一个SEPIC转换器控制器在商业上可从Linear Technology Corporation获得，如型号LTC1871®。尽管图2示出了DC源电压，但是本领域的那些普通技术人员将认识到可替代地使用交流（AC）输入并且电源202继而可以包括用于提供受控DC输出电压的已知AC-DC转换器。
电流源204可以在驱动电路210闭合开关S1时向一个或多个光源206提供恒定电流以便激励一个或多个光源206。出于解释简便性以图示形式示出了开关S1，但是其可以采用对于本领域的那些普通技术人员已知的各种配置中的任何配置形式。例如，开关S1可以是晶体管配置，该晶体管配置在驱动电路输出的控制下导通电流。
驱动电路210可以被配置为在来自于控制器/处理电路110的控制信号214的控制下以预定的频率断开和闭合开关S1。在某些实施例中，例如，驱动电路210可以以约40MHz的频率断开和闭合开关S1。电流源204因此可以以预定的频率向一个或多个光源206提供驱动电流用于调制一个或多个光源206，即接通或关断一个或多个光源206。
可选的高压电源208可以通过开关S2耦合至一个或多个光源206。开关S2可以在一个或多个光源206“接通”时间开始期间在来自于控制器/处理电路110的控制信号的控制下由驱动电路210闭合。可选的高压电源208因此可以将一个或多个光源206上的电压增加到一个高于可以由电流源204建立的电压的电压以减少通过一个或多个光源206的电流的上升时间。在一个或多个光源206“接通”时间开始之后，开关S2可以断开以断开可选的高压电源208与一个或多个光源206的连接，并且电流源204可以通过其余的“接通”时间来驱动一个或多个光源206。
出于解释简便性以图示形式示出了开关S2，但是其可以采用对于本领域的那些普通技术人员已知的各种配置中的任何配置形式。例如，开关S2可以是晶体管配置，该晶体管配置在驱动电路210输出的控制下导通电流。此外，开关S2可以合并至可选的高压电源208中或是从其分离。
根据在此描述的一个实施例，电流源204可以向电源202提供电流反馈VC。电流反馈VC是当驱动电路210闭合开关S1时电流源204向一个或多个光源206提供的电流的表示。此外，电压反馈电路可以向电源提供表示电源202的受控输出电压Vs的电压反馈V1。各种各样的电压反馈电路配置对于本领域普通技术人员而言将是已知的。在图3中，电压反馈电路是电压Vs与地之间的由电阻器R2和电阻器R3的串联连接建立的电压分压器。可以以已知的方式选择电阻器R2和电阻器R3的值，从而将电压反馈VF缩放到符合电源202的需求的范围。然而，应该理解，可以实现本领域普通技术人员已知的的任何电压反馈电路。
电压反馈VF和电流反馈VC可以在反馈路径216上耦合至电源202，反馈路径216在某些实施例中是相同的反馈路径并且在其他的实施例中可以是不同的反馈路径。在该配置中，电源202可以被配置为响应于电流反馈VC和电压反馈VF中的较高者来调整其输出电压Vs（全文还称作电源电压Vs）。例如，当开关S1闭合时，电流反馈VC可以大于电压反馈VF，并且电源202可以被配置为响应于电流反馈VC而将电源电压Vs调整到将维持从电流源到（一个或多个）光源的恒定电流的电压。当开关S1断开时，电压反馈VF可以大于电流反馈VC，并且电源202可以被配置为响应于电压反馈VF而调整电源电压Vs以维持恒定电源电压Vs。
用于响应于反馈路径216上的反馈来提供可调整电源电压的各种各样的配置对于本领域普通技术人员而言是公知的。在一个实施例中，电源202可以被配置作为已知的转换器（例如，SEPIC转换器）以及已知的转换器控制器（例如，被配置为响应于反馈来控制转换器电压输出的SEPIC控制器）。例如，电压反馈VF和电流反馈VC可以在反馈路径216上耦合至LTC1871®SEPIC转换器控制器的FB输入，该LTC1871®SEPIC转换器控制器可从Linear Technology
Corporation（未示出）获得，其被配置为基于内部参考对SEPIC转换器的输出电压进行调节。
图3示出了根据在此公开的实施例的、包括双电压和电流控制环路的光学传感器系统光源电路的框图。在图3中，电流源204a包括与电感器L1串联的电阻器R1，以及与电阻器R1和电感器L1的串联组合进行并联耦合的二极管D1。
如图所示，电源202的受控DC输出Vs可以耦合至电阻器R1处的电流源204a的输入。驱动电路210可以以例如40MHz的高频率断开和闭合开关S1。当开关S1闭合时，电流Is流过电阻器R1和电感器L1的串联组合，并且流到一个或多个光源206用于激励该一个或多个光源206。电感器L1因此建立恒定电流源并且当开关S1闭合时限制电流IS通过一个或多个光源206。然而，当开关S1断开时，没有电流流过一个或多个光源206，并且通过电感器L1的电流IL被转向通过二极管D1以维持通过电感器L1的电流。
如图所示，电流监视器304可以耦合在电阻器R1两端，用于感测电阻器R1上的电压降，并且提供表示通过电阻器R1的电流的电流反馈电压输出VC。电流监视器304可以采用对于本领域普通技术人员已知的任何配置。在某些实施例中，例如，可以使用从Texas Instruments®获得的型号INA138的分流监视器来配置电流监视器304。电流监视器304可以例如通过二极管D2向电源202提供电流反馈输出电压VC。在某些实施例中，可以以已知的理想二极管配置来提供二极管D2，以便最小化二极管两端的电压降。
电流反馈VC和电压反馈VF可以在公共路径216上耦合至电源202。响应于来自于电流监视器304的反馈并且在开关S1闭合期间，电流反馈VC可以大于电压反馈VF。然后，二极管D2可以导通并且电源202可以被配置为响应于电流反馈VC来将电源电压Vs调整到将允许电感器L1充电的电压。当开关S1断开时，电压反馈VF可以大于电流反馈VC，并且二极管D2可以处于非导通状态。电源202继而可以响应于电压反馈VF而调整电源电压Vs以维持恒定的电源电压Vs。
因此，可以在开关S1闭合时，即在一个或多个光源“接通”并且发光时通过电感器L1建立恒定电流。如图4所示，可以在系统中实现与本公开一致的电流源204a，其中光源206a包括串联连接的多个红外发光二极管（LED）D3、D4、D5和D6。虽然如图4所示，存在四个串联连接的LED D3、D4、D5和D6，但是应该理解，任何数量的LED都可以串联连接以提供与本公开一致的光源。如图4所示，通过二极管D7向多个红外LED D3、D4、D5和D6提供来自于电流源204a的驱动电流，并且二极管D8、D9、D10、D11分别耦合在多个红外LED D3、D4、D5和D6两端，以吸收串联连接的多个红外LED D3、D4、D5和D6两端的任何反电压。电流源204a因此可以通过串联连接的多个红外LED D3、D4、D5和D6提供恒定电流以允许以相对高的频率（例如，40MHz）切换/调制LED输出。串联连接多个红外LED D3、D4、D5和D6避免了LED输出之间的相位差并且提供成本效率。
除非另外指出，对词语“基本上”的使用可以被理解为包括精确关系、条件、布置、取向和/或其他特性、以及如本领域普通技术人员理解的其到一定程度的偏差，所述程度使得这样的偏差不会本质上影响所公开的方法和系统。
贯穿本公开的整体，除非另外具体指出，对于修饰名词的冠词“一”或“一个”的使用可以被理解为是为了简便使用并且包括一个、或多于一个所修饰的名词。
除非另外在此规定，描述和/或以其他方式通过图绘出以与另外的事物通信、与另外的事物关联和/或基于另外的事物的元素、组件、模块和/或其部件可以被理解为以直接和/或间接的方式如此通信、与其关联、和/或以其为基础。
尽管已经就方法和系统的具体实施例描述了它们，但是它们不限于此。按照上述教导，显然很多修改和变型可以变得明显。本领域普通技术人员可以对在此描述的和图示的细节、资料和部件布置做出很多附加改变。
Claims (18)
1.一种用于光学传感器系统的光源电路，所述电路包括：
电源，用于提供受控直流（DC）电压输出；
电压反馈电路，用于向所述电源提供表示反馈路径上的DC电压输出的电压反馈；
电流源，其耦合至所述电源以接收所述受控DC电压输出并且向光源提供电流输出，所述电流源被配置为向所述电源提供表示反馈路径上的电流输出的电流反馈；以及
开关，借此所述电流源被配置为向所述光源提供所述电流输出，以及所述电源被配置为当所述开关闭合时响应于所述电流反馈来调整所述DC电压输出，并且所述电源被配置为当所述开关断开时响应于所述电压反馈来调整所述DC电压输出。
2.根据权利要求1所述的光源电路，其中所述电流源包括：
电感器，其与电阻器串联连接；以及
二极管，其与所述电感器和电阻器并联耦合；
并且其中所述电流源被配置为当所述开关闭合时通过所述电感器向所述光源提供所述电流输出，并且当所述开关断开时使通过所述电感器的电流转向所述二极管。
3.根据权利要求2所述的光源电路，其中所述电流源包括电流监视器，所述电流监视器耦合至所述电阻器并且被配置为提供所述电流反馈。
4.根据权利要求1所述的光源电路，其中所述电压反馈电路包括耦合至所述DC电压输出的分压器。
5.根据权利要求1所述的光源电路，其中所述光源包括多个串联连接的发光二极管。
6.根据权利要求1所述的光源电路，还包括以预定频率断开和闭合所述开关的驱动电路。
7.根据权利要求6所述的光源电路，其中所述预定频率是约40MHz。
8.一种光学传感器系统，包括：
控制器；
光源电路，其耦合至所述控制器以响应于来自于所述控制器的控制信号来驱动光源，所述光源电路包括：
电源，用于提供受控直流（DC）电压输出；
电压反馈电路，用于向所述电源提供表示反馈路径上的DC电压输出的电压反馈；
电流源，其耦合至所述电源以接收所述受控DC电压输出并且向光源提供电流输出，所述电流源被配置为向所述电源提供表示反馈路径上的电流输出的电流反馈；以及
开关，借此所述电流源被配置为向所述光源提供所述电流输出，以及所述电源被配置为当所述开关闭合时响应于所述电流反馈来调整所述DC电压输出，并且所述电源被配置为当所述开关断开时响应于所述电压反馈来调整所述DC电压输出；
传输光学器件，用于从所述光源向对象引导光；
接收器光学器件，用于接收从所述对象反射的光；以及
检测器电路，用于将所述反射的光转换为一个或多个电信号，所述控制器被配置为响应于所述一个或多个电信号提供表示到所述对象上的至少一个点的距离的数据信号输出。
9.根据权利要求8所述的光学传感器系统，其中所述电流源包括：
电感器，其与电阻器串联连接；以及
二极管，其与所述电感器和电阻器并联耦合；
并且其中所述电流源被配置为当所述开关闭合时通过所述电感器向所述光源提供所述电流输出，并且当所述开关断开时使通过所述电感器的电流转向所述二极管。
10.根据权利要求9所述的光学传感器系统，其中所述电流源包括电流监视器，所述电流监视器耦合至所述电阻器并且被配置为提供所述电流反馈。
11.根据权利要求8所述的光学传感器系统，其中所述电压反馈电路包括耦合至所述DC电压输出的分压器。
12.根据权利要求8所述的光学传感器系统，其中所述光源包括多个串联连接的发光二极管。
13.根据权利要求8所述的光学传感器系统，还包括以预定频率断开和闭合所述开关的驱动电路。
14.根据权利要求13所述的光学传感器系统，其中所述预定频率是约40MHz。
15.一种用于在光学传感器系统中在开关的控制下向光源提供电流的方法，所述方法包括：
当所述开关闭合时通过电流源向所述光源提供电流；
当所述开关闭合时响应于在反馈路径上提供的电流反馈来调整DC输入电压到所述电流源，电流反馈信号表示向所述光源提供的电流；以及
当所述开关断开时响应于所述反馈路径上提供的电压反馈来调整所述DC输入电压到所述电流源，所述电流反馈信号表示所述DC输入电压。
16.根据权利要求15所述的方法，其中提供包括：
当所述开关闭合时通过电流源向所述光源提供电流，其中所述电流源包括与电阻器串联连接的电感器，与所述电感器和电阻器并联耦合的二极管，以及耦合至所述电阻器并且被配置为提供所述电流反馈信号的电流监视器。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括以预定的频率断开和闭合所述开关。
18.根据权利要求17所述的方法，其中断开和闭合包括以约40MHz的预定频率来断开和闭合所述开关。
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