CN1936807A - 用于光发射器的电流故障检测 - Google Patents

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Abstract

一种设备包括光发射器、电流感测电阻、电流发生器、和检测电路。电流发生器连接到光发射器和电流感测电阻。在该设备的正常工作模式期间，电流发生器调整经过光发射器的电流。在测试模式中，电流发生器调整经过电流感测电阻的电流。在测试模式期间，检测电路检测经过电流感测电阻的电流何时在预期范围外面。

Description

用于光发射器的电流故障检测
背景技术
发射可见或红外范围光的产品包含发光二极管(LED)或激光器，所述产品被要求符合国际电工技术委员会(IEC)标准60825-1中的眼睛安全要求。如果可照射到用户眼睛上的光通量超过IEC60825-1中所设置的标准，那么设备必须标明眼睛安全危害。该要求不仅在电路的正常工作期间应用，而且还应用于在电路中出现可预测的单故障时。
保险丝可用在激光器的安全电路中。当到激光发射器的偏流超过眼睛安全要求时，保险丝烧断。可替换地，可使用可重新触发的晶体管电路，在电流超过设计阈值时其将电流从激光发射器中分流。
可替换地，可使用监控光电二极管，其具有表示激光器实际输出的输出。例如，比较器比较表示激光器的参考输出电平的参考信号和监视器光电二极管信号。比较器输出信号反映出激光器的实际光输出电平中的变化。异常电流消除器控制比较器输出，使得所述信号具有限制的幅度。因此，到激光器的驱动电流被强制降低到安全电流电平。参看授权给Kinoshita的USPN4,884,280，题目为“用于稳定其光输出的半导体激光器驱动装置(Semiconductor LaserDriving Device for Stabilizing the Optical Output Thereof)”。
发明内容
根据本发明的实施例，一种设备包括光发射器、电流感测电阻、电流发生器和检测电路。电流发生器连接到光发射器和电流感测电阻。在该设备的正常工作模式期间，电流发生器调整经过光发射器的电流。在测试模式中，电流发生器调整经过电流感测电阻的电流。在测试模式期间，检测电路检测经过电流感测电阻的电流何时在预期范围外面。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个实施例的光发射器电路故障检测的一个实施方式。
图2示出了根据本发明的另一个实施例的光发射器电路故障检测的另一个实施方式。
图3示出了根据本发明的另一个实施例的光发射器电路故障检测的另一个实施方式。
具体实施方式
图1是一个简化框图，示出了用于驱动光发射器110的导航传感器电路101内的电路。例如，导航传感器电路101是导航电路，诸如在光学鼠标或其它用于运动检测的光学设备上找到的导航电路。例如，导航传感器电路101被实现为集成电路。例如，光发射器110被实现为发光二极管(LED)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或一些其它发光的设备。
在导航传感器101内，当开关112接通时，可编程电流源100调整经过光发射器110的电流。电流源100例如连接到导航传感器101内部的接地电压103。例如，利用场效应管(FET)来实现开关112。
电阻器108是电流感测电阻器，用于检测诸如漏电电阻的故障。节点118处的电压值取决于供电电压(VCC)109和光发射器110两端的正向电压降(V_110)。假定开关112两端的电压降可忽略。
例如，供电电压109的典型电压值是2.8伏特(V)。节点118处的典型电压值是0.4V。这意味着典型的正向电压降(V_110)等于2.4V。注意，在普通电路设计中，电流源100要求节点118处的电压在正确工作的某个最小电压之上。
控制电路104周期性地执行故障检测。例如，在每个帧期间执行故障检测，在每个帧中，导航传感器电路101用于捕获由光发射器110照射的图像。为了执行故障检测，控制电路104切断FET112。切断FET112将电源109与光发射器110断开，引起经过光发射器110的电流基本上变为0。控制电路104接通FET106以便将参考电压107连接到感测电阻器108。例如，参考电压107可以是VCC或设置为另一个调整的电压值。控制电路104接通FET106以便将参考电压107连接到感测电阻器108。例如，参考电压107可设置为VCC或者在VCC和节点118处的电压之间中间的另一个电压值。控制电路104还将电流源100设置为一个预定值。基本上所有流经电流源100的电流都流经电阻器108，引起电阻器108两端的电压降(V_108)。电阻器108两端的电压降(V_108)等于流入电阻器108的电流(I_108)乘以电阻器108的电阻值(R_108)(即V_108＝I_108*R_108)。
差分放大器102和模数转换器(ADC)116将电阻器108两端的电压降(V_108)转换为数字值。电流源100的一组预定设置和来自ADC116的预期数字值被存储在控制电路104中。如果数字值匹配预期范围，那么控制电路104通过切断FET106并接通FET112，并且将电流源100恢复到工作电流值来重新开始导航传感器101的正常工作。差分放大器102的结构是示例性的。例如，差分放大器102可实现为连接到节点118并且参考接地的单端放大器。可替换地，差分放大器102可被省略并且ADC116可直接连接到节点118。
例如当节点118和导航传感器101内部的接地电压103之间，或者节点118和导航传感器101外部的接地电压105之间存在虚假连接时，可发生泄漏。节点118和接地电压103之间的虚假连接由泄漏电阻115表示。节点118和接地电压105之间的虚假连接由泄漏电阻114表示。
如果泄漏电阻114和/或泄漏电阻115存在，那么流入泄漏电阻114和/或泄漏电阻115的电流加到电阻器108中的总电流中。该增加的电流增加了电阻器108两端的电压降(V_108)。
泄漏电阻114的源可例如是印刷电路板上的短路，这是例如由于在装配期间没有移除的焊球或断开的元件引线，或者由于另一原因所引起的。泄漏电阻114还可能是有电阻的，这例如是由于因溢出的软饮料或另一原因造成的污染引起的。电阻可以非常小或者具有几百或甚至几千欧姆的电阻。
泄漏电阻115的源可例如是电路缺陷或者对导航传感器101的集成电路的其它损坏。
在正常工作(例如正常工作模式)期间，流经泄漏电阻114和/或泄漏电阻115的电流(如果其任意一个存在的话)加到流经光发射器110的总电流中。这增加了光发射器110的光功率输出，可能超过产品所规定的眼睛安全限制。
可检测的其它类型的故障包括不能切断FET112，以及VCC109和节点119之间的虚假连接。这些故障都不会引起正常工作期间的光发射器功率增加；但是，这些故障却表现了在泄漏电阻114或泄漏电阻115存在时由于FET112对光源失去控制所引起的潜在安全危害。在故障测试循环期间，这些故障将降低经过电阻器的电流，因为流入电流源100的电流的一些部分将流经光发射器110。降低的电流I_108将使得低于预期电压V_108。
在故障检测循环(例如测试模式)期间，如果由于泄漏电阻114或泄漏电阻115所增加的电流感测电路108两端的电压，或者由于FET112的故障或到节点119的虚假连接所降低的电流感测电路108两端的电压，使得来自ADC116的数字值超过预期范围，则检测到故障。此时，控制电路104响应故障检测。例如，在检测故障时，控制电路104保持FET112切断并切断电流源100，使得光发射器110保持切断。此外，可设置用户可读指示符故障标记。
虽然电阻器108可位于导航传感器101的内部，但是当导航传感器被实现为集成电路时，将电阻器108放置在集成电路外部通常是有利的。当电阻器108位于集成电路的外部时，可经济地使用低公差电阻器，例如标称值的+/-1％。这与通常可得的CMOS半导体工艺的+/-20％的典型公差作比较。电阻器108的低公差使得能够更精确地测量泄漏电阻114和泄漏电阻115，由此在超过眼睛安全功率之前允许经济的故障检测。选择电阻器108的值以达到此目标。
因为感测电阻器108不与光发射器110串联，所以在正常工作期间没有向节点118引入附加的电压降。
还将在故障检测循环期间检测其它类型的故障。例如，在故障检测循环期间应当检测在电流源100中导致光发射器输出功率增加的故障。在故障期间，增加的经过电流源100的电流将导致更高的来自ADC116的数字值。当来自ADC116的数字值超过预期范围时，检测到故障。
例如，导致节点118处的电压减小的其它误差也是可检测的。例如，当节点118处的电压减小引起由电流源100所生成的电流的减小，使得在故障检测期间ADC116所检测的电压值在预期范围之外时，检测到故障。
替代使用ADC来监控电压降范围，其它电路，例如一个或多个比较器可用来向控制电路提供值。
例如，图2是一个简化框图，示出用于驱动光发射器210的导航传感器电路201内的电路。例如，导航传感器电路201是导航电路，诸如在光学鼠标上或其它用于运动检测的光学设备中找到的导航电路。例如，导航传感器电路201被实现为集成电路。例如，光发射器210被实现为发光二极管(LED)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或一些其它发光的设备。
在导航传感器201内，当开关212接通时，可编程电流源200设置经过光发射器210的电流。例如电流源200连接到导航传感器201内部的接地电压203。例如，利用场效应管(FET)来实现开关212。
电阻器208是电流感测电阻器，用于检测诸如漏电电阻的故障。节点218处的电压值取决于供电电压(VCC)209和光发射器210两端的正向电压降(V_210)。假定开关212两端的电压降可忽略。
控制电路204周期性地执行故障检测。例如，在每个帧期间执行故障检测，在每个帧中，导航传感器电路201用于捕获由光发射器210照射的图像。为了执行故障检测，控制电路204切断FET212。切断FET212将电源209与光发射器210断开，引起经过光发射器210的电流基本上变为0。控制电路204接通FET206以便将第一参考电压207连接到感测电阻器208。控制电路204还将电流源200设置为一个预定值。基本上所有流经电流源200的电流都流经电阻器208，引起电阻器208两端的电压降(V_208)。电阻器208两端的电压降(V_208)等于流入电阻器208的电流(I_208)乘以电阻器208的电阻值(R_208)  (即V_208＝I_208*R_208)。
由控制电路204存储电流源200的一组预定设置。对于每个设置，比较器将节点218处的电压与预期电压相比较。对于每个预期电压，检测不同的比较器值。如果节点218处的电压低于预期电压，那么指示泄漏电流(或另一故障)并且检测到故障。
例如，图2示出两个比较器：比较器216和比较器202。这允许测试两个预期电压(以及电流源200的两个设置)。比较器216将节点218处的电压与参考电压211相比较。比较器202将节点218处的电压与参考电压213相比较。如果期望测试电流源200的附加设置，那么可增加附加的比较器。可替换地，可使用单个比较器，并且控制电路204可对于电流源200的每个设置改变比较器的参考输入的电压值。
如上所述，例如当节点218和导航传感器201内部的接地电压203之间，或者节点218和导航传感器201外部的接地电压205之间存在虚假连接时，可发生泄漏。节点218和接地电压203之间的虚假连接由泄漏电阻215表示。节点218和接地电压205之间的虚假连接由泄漏电阻214表示。
如果泄漏电阻214和/或泄漏电阻215存在，那么流入泄漏电阻214和/或泄漏电阻215的电流加到电阻器208中的总电流中，这增加了电阻器208两端的电压降(V_108)并因此降低了在节点218处存在的电压。
可检测的其它类型的故障包括不能切断FET212，以及VCC209和节点219之间的虚假连接。这些故障都不会引起正常工作期间的光发射器功率增加；但是，这些故障却表现了在泄漏电阻214或泄漏电阻215存在时由于FET212对光源失去控制所引起的潜在安全危害。
控制电路204周期性地执行故障检测。例如，在每个帧期间执行故障检测，在每个帧中，导航传感器电路201用于捕获由光发射器210照射的图像。为了执行故障检测，控制电路204切断FET212。切断FET212将电源209与光发射器210断开，引起经过光发射器210的电流基本上变为0。控制电路204还将电流源200设置为一个预定值并继续保持FET206切断。在这种情况下，节点218处的电压由电流源200的已知特性来设置，并预期较低，例如0.1V。如果FET212未能切断，或者如果VCC209和节点219之间存在虚假连接，那么节点218处的电压将高于预期的电压。
如上所述，导致例如节点218处的电压减小的其它误差也是可检测的。
本发明的原理还可在检测到电源(VCC)的泄漏时应用。例如，图3是一个简化框图，示出用于驱动光发射器310的导航传感器电路301内的电路。例如，导航传感器电路301是导航电路，诸如在光学鼠标或其它用于运动检测的光学设备中找到的导航电路。例如，导航传感器电路301被实现为集成电路。例如，光发射器310被实现为发光二极管(LED)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或一些其它发光的设备。
在导航传感器301内，当开关312接通时，可编程电流源300调整经过光发射器310的电流。电流源300例如连接到导航传感器301内部的电压源(VCC)303。例如，利用场效应管(FET)来实现开关312。
电阻器308是电流感测电阻器，用于检测诸如漏电电阻的故障。节点318处的电压值取决于接地电压305和光发射器310两端的正向电压降(V_310)。假定开关312两端的电压降可忽略。
例如，供电电压303的典型电压值是2.8伏特(V)。节点318处的典型电压值是2.4V。这意味着典型的正向电压降(V_310)等于2.4V。注意，在普通电路设计中，电流源300要求节点318处的电压在正确工作的某个最小电压之下。
控制电路304周期性地执行故障检测。例如，在每个帧期间执行故障检测，在每个帧中，导航传感器电路301用于捕获由光发射器310照射的图像。为了执行故障检测，控制电路304切断FET312。切断FET312将接地电压305与光发射器310断开，引起经过光发射器310的电流基本上变为0。控制电路304接通FET306以便将接地电压305连接到感测电阻器308。控制电路304还将电流源300设置为一个预定值。基本上所有流经电流源300的电流都流经电阻器308，引起电阻器308两端的电压降(V_308)。电阻器308两端的电压降(V_308)等于流入电阻器308的电流(I_308)乘以电阻器308的电阻值(R_308)  (即V_308＝I_308*R_308)。
由控制电路304存储电流源300和参考电压307的一组预定设置。对于每个设置，比较器302将节点318处的电压与预期参考电压307相比较。可替换地，可使用附加的比较器，其每一个具有唯一的预设参考电压。
如果比较器没有检测到故障，那么控制电路304通过切断FET306并接通FET312，并且将电流源300恢复到工作电流值来重新开始导航传感器301的正常工作。比较器302的结构是示例性的。
例如当节点318和导航传感器301内部的电源电压303之间，或者节点318和导航传感器301外部的电源电压309之间存在虚假连接时，可发生泄漏。节点318和电源电压303之间的虚假连接由泄漏电阻315表示。节点318和电源电压309之间的虚假连接由泄漏电阻314表示。
如果泄漏电阻314和/或泄漏电阻315存在，那么流入泄漏电阻314和/或泄漏电阻315的电流加到电阻器308中的总电流中。该增加的电流增加了节点318处的电压。
泄漏电阻314的源可例如是印刷电路板上的短路，例如由于在装配期间没有移除的焊球或断开的元件引线，或者由于另一原因。泄漏电阻314还可能是有电阻的，例如由例如因溢出的软饮料或另一原因造成的污染引起的。电阻可以非常小或者具有几百或甚至几千欧姆的电阻。
泄漏电阻315的源可例如是电路缺陷或对导航传感器301的集成电路的其它损坏。
在正常工作(例如正常工作模式)期间，流经泄漏电阻314和/或泄漏电阻315的电流(如果其任意一个存在的话)加到流经光发射器310的总电流中。这增加了光发射器310的光功率输出，可能超过产品所规定的眼睛安全限制。
在故障检测循环(例如测试模式)期间，如果增加的在节点318处的电压超过预期的参考电压307，则检测到故障。此时，控制电路304响应故障检测。例如，在检测故障时，控制电路304保持FET112切断并切断电流源300，使得光发射器310保持切断。此外，可设置用户可读指示符故障标记。
虽然电阻器308可位于导航传感器301的内部，但是当导航传感器实现为集成电路时，将电阻器308放置在集成电路外部通常是有利的。当电阻器308位于集成电路的外部时，可经济地使用低容差电阻器，例如标称值的+/-1％。这与通常可得的CMOS半导体工艺的+/-20％的典型公差作比较。电阻器308的低公差使得能够更精确地测量泄漏电阻314和泄漏电阻315，由此在超过眼睛安全功率之前允许经济的故障检测。选择电阻器308的值以达到此目标。
因为感测电阻器308不与光发射器310串联，所以在正常工作期间没有向节点318引入附加的增压。
在另一个实施例中，比较器302由放大器和ACD替换，以便将感测电阻器308两端的电压降转换成数字值。控制电路304具有为电流源300的每个设置存储的预期范围的数字值。如果在测试循环期间数字值超过预期范围，则检测到故障。
可检测的其它类型的故障包括不能切断FET312，以及接地电压和节点319之间的虚假连接。这些故障都不会引起在正常工作期间光发射器功率增加；但是，这些故障却表现了当泄漏电阻314或泄漏电阻315存在时由于FET312对光源失去控制所引起的潜在安全危害。
控制电路304周期性地执行故障检测。例如，在每个帧期间执行故障检测，在每个帧中，导航传感器电路301用于捕获由光发射器310照射的图像。为了执行故障检测，控制电路304切断FET312。切断FET312将接地电压305与光发射器310断开，引起经过光发射器310的电流基本变为0。控制电路304还将电流源300设置为一个预定值并继续保持FET306切断。在这种情况下，节点318处的电压由电流源300的已知特性来设置，并预期较高，例如2.7V。如果FET312未能切断，或者如果接地电压和节点319之间的存在虚假连接，那么节点318处的电压将低于预期的电压。
前述的讨论仅仅公开和描述了本发明的示例性的方法和实施例。如熟悉本领域的人员所理解的，本发明可体现为其它形式，而不会偏离其精神或实际特征。由此，本发明的公开旨在示意性的，但非限制本发明的范围，其将在下面的权利要求中叙述。

Claims (20)

1.一种设备，包括：
光发射器；
电流感测电阻；
电流发生器，该电流发生器连接到光发射器和电流感测电阻，其中在该设备的正常工作模式期间，电流发生器调整经过光发射器的电流，并且在测试模式中，电流发生器调整经过电流感测电阻的电流；和
检测电路，在测试模式期间，该检测电路检测经过电流感测电阻的电流何时在预期范围外面。
2.如权利要求1的设备，其中电流发生器和检测电路位于集成电路内，并且电流感测电阻位于集成电路外部。
3.如权利要求1的设备，还包括：
第一电压；
连接在第一电压和电流感测电阻之间的开关；和
控制电路，该控制电路如此控制所述开关，使得在设备的测试模式期间，电流感测电阻电连接到第一电压，并且使得在设备的正常工作模式期间，电流感测电阻与第一电压电断开。
4.如权利要求1的设备，还包括：
电源；
连接在电源和光发射器之间的第一开关；
第一电压；
连接在第一电压和电流感测电阻之间的第二开关；和
控制电路，该控制电路如此控制第一开关，使得在设备的正常工作模式期间，光发射器电连接到电源，并且在设备的测试模式期间，光发射器与电源电断开，并且该控制电路如此控制第二开关，使得在设备的测试模式期间，电流感测电阻电连接到第一电压，并且在设备的正常工作模式期间，电流感测电阻与第一电压电断开。
5.如权利要求1的设备，其中所述检测电路包括：
放大器，具有连接到电流感测电阻的输入端，并具有输出端；和
模数转换器，将放大器输出端处的电压转换成数字值。
6.如权利要求5的设备，还包括：
控制电路，该控制电路在测试模式期间控制电流发生器以便在一组预定设置上工作，并且在每个预定设置处检查由模数转换器产生的数字值，从而确定该数字值是否在预定设置的预期范围内。
7.如权利要求1的设备，其中所述检测电路包括：
至少一个比较器，所述至少一个比较器的每一个具有连接到电流感测电阻和电流发生器的第一输入端，具有与至少一个比较器的每一个的独立参考电压耦合的第二输入端，并且具有输出端。
8.如权利要求7的设备，还包括：
控制电路，该控制电路在测试模式期间控制电流发生器以便在一组预定设置上工作，并且在每个预定设置处检查来自所述至少一个比较器中一个比较器的一个输出。
9.如权利要求1的设备，还包括：
第一电压；
连接在第一电压和光发射器之间的开关；和
控制电路，该控制电路如此控制所述开关，使得在设备的正常工作模式期间，光发射器电连接到第一电压，并且使得在设备的测试模式期间，光发射器与第一电压电断开。
10.如权利要求1的设备，其中所述检测电路包括：
比较器，具有连接到电流感测电阻和电流发生器的第一输入端，具有第二输入端，并且具有输出端；和
控制电路，该控制电路在测试模式期间控制电流发生器以便在一组预定设置上工作，对于每个预定设置，该控制电路向第二输入端提供预定电压，其中在每个预定设置处，该控制电路检查来自比较器的输出。
11.一种控制光发射器的方法，包括下列步骤：
在正常工作模式期间，使用电流发生器来调整经过光发射器的电流，并且
在测试模式期间，执行下列步骤：
使用电流发生器来调整经过电流感测电阻的电流，并且
检测经过电流感测电阻的电流何时在预期范围外面。
12.如权利要求11的方法，还包括：
控制在第一电压和光发射器之间的开关，使得在正常工作模式期间，光发射器电连接到第一电压，并且使得在测试模式期间，光发射器与第一电压电断开。
13.如权利要求11的方法，还包括：
控制在第一电压和电流感测电阻之间的开关，使得在测试模式期间，电流感测电阻电连接到第一电压，并且使得在正常工作模式期间，电流感测电阻与第一电压电断开。
14.如权利要求11的方法，还包括：
控制在第一电压和光发射器之间的第一开关，使得在正常工作模式期间，光发射器电连接到第一电压，并且在测试模式期间，光发射器与第一电压电断开；并且
控制在第二电压和电流感测电阻之间的第二开关，使得在测试模式期间，电流感测电阻电连接到第二电压，并且使得在正常工作模式期间，电流感测电阻与第二电压电断开。
15.一种包括用于照射的光发射器的设备，该设备包括：
电流感测装置，用于基于电流生成电压；
电流调整装置，连接到光发射器和电流感测装置，用于在设备的正常工作模式期间调整经过光发射器的电流，并用于在测试模式期间调整经过电流感测装置的电流；和
检测装置，用于在测试模式期间，检测经过电流感测装置的电流何时在预期范围外面。
16.如权利要求15的设备，还包括：
控制装置，用于控制一个开关，使得在设备的正常工作模式期间，光发射器电连接到第一电压，并且使得在设备的测试模式期间，光发射器与第一电压电断开。
17.如权利要求15的设备，还包括：
控制装置，用于控制一个开关，使得在设备的测试模式期间，电流感测装置电连接到第一电压，并且使得在设备的正常工作模式期间，电流感测装置与第一电压电断开。
18.如权利要求15的设备，还包括：
控制装置，用于控制第一开关，使得在设备的正常工作模式期间，光发射器电连接到第一电压，并且在设备的测试模式期间，光发射器与第一电压电断开，并且用于控制第二开关，使得在设备的测试模式期间，电流感测装置电连接到第二电压，并且使得在设备的正常工作模式期间，电流感测装置与第二电压电断开。
19.如权利要求15的设备，其中所述检测装置还包括：
放大器，具有连接到电流感测装置的输入端，并具有输出端；和
模数转换器，将放大器输出端处的电压转换成数字值。
20.如权利要求15的设备，其中所述检测装置包括：
至少一个比较器，所述至少一个比较器的每一个具有连接到电流感测装置和电流调整装置的第一输入端，具有与所述至少一个比较器的每一个的独立参考电压耦合的第二输入端，并且具有输出端。
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