CN0537

采用 ADPD188BI 的烟雾探测

ADPD188BI 光学模块是一套专门进行烟雾探测的完整测光系统。使用 ADPD188BI 代替传统的分立式烟雾探测器电路，大大简化了设计，因为光电元件（由两个 LED 和两个光电探测器组成）和模拟前端 (AFE) 已集成到封装中。

为了执行烟雾检测，ADPD188BI 利用双波长技术：两个集成的 LED 发出两种不同波长的光；一个在 470 nm（蓝光）下，另一个在 850 nm（红外光）下。这些 LED 在两个独立的时隙中被脉冲化，并且传输的光被空气中的颗粒物散射回设备上。

然后，两个集成的光电探测器接收散射的光并产生成比例的输出电流，该电流在 AFE 内转换成数字代码。假设 LED 光功率保持恒定，则 ADPD188BI 输出值随时间的增加表明空气中颗粒的增加或积聚。

UL-217 烟雾检测算法

UL-217 标准要求探测器在特定的时间范围和遮挡范围内对不同类型的火灾和烟雾做出响应。表 1 列出了每个 UL-217 测试的灵敏度和响应时间要求。包括订购在内的更多信息，请访问 算法页面和数据页面。

对于 CN-0537 参考设计，通过烟雾检测算法分析 ADPD188BI 的蓝色和红外 (IR) 输出数据，可以满足这些规格。

该算法是专为 ADPD188BI 传感器阵列设计的，以更大程度地减少功耗，同时根据 UL-217 规范确定火灾状况。在表 1 定义的所有测试方案中，通过从许多 ADPD188BI 器件捕获的大数据集对算法本身进行了调整和验证。这些测试是在经过认证的专门从事 UL-217 测试环境的设施上进行的。这些数据集包括参考测量值，以了解不同烟源的传感器性能和警报条件。图 3 中显示了一个示例烟雾轮廓，其中在汉堡包滋扰场景下，将 IR 和蓝色传感器测量值与参考烟雾遮盖数据进行了比较。

由于电池供电的设备是烟雾探测器的常见用例，因此该算法的构建旨在更大程度地减少传感器所需的数据以及每次警报确定所需的计算量。该算法允许 ADPD188BI 输出更少的数据，从而节省功耗并减少微控制器中的功耗周期，但仍符合严格的 UL-217 规范。

计算功率传输比

ADPD188BI 的烟雾响应最好表示为接收光功率与发射光功率之比。称为功率传输比 (PTR)，此参数比原始输出代码有意义得多，因为它与所使用的实际硬件设置无关。此外，遮蔽度—是与PTR直接相关的烟雾探测器—标准测量单位，如公式 1 所示。

其中
PTR 是功率传递比 nW/mW。
γ 是 ADPD188BI 比例因子（蓝光典型值为 0.64；红外光典型值为 0.24 ）。.
β 是 ft-¹遮盖度。

对于每个 LED，可以使用公式 2 计算 PTR。

其中
P_TR 是 LED 的功率传递比，单位为 nW/mW。
I_PD 是光电检测器电流，单位为 nA。
I_{LEDx_PK} 是 LED 的峰值电流，单位为 mA。
R_PD 是光电探测器的响应度，以 A/W 为单位，（蓝光典型值为 0.26；红外光典型值为 0.41）。
η_LEDx 是 LED 效率，单位为 W/A。

计算 I_LED 和 I_PD

ADPD188BI 允许通过组合过程和微调寄存器以及电流比例因子来配置每个 LED 的峰值电流。可以使用公式 3 至公式 6 计算 LED 的峰值电流。

其中
I_{LEDx_PK} 是 LED 的峰值电流，单位为 mA。
I_LEDx(COURSE) 是 LED 航向电流，单位为 mA。
I_LEDx(FINE) 是 LED 的精细电流，单位为 mA。
I_LEDx(SCALE) 是 LED 电流标度，单位为 mA.

ILEDx_COURSE，ILEDx_FINE 和 ILEDx_SCALE 是每个 LED 控制寄存器的值。对于集成的蓝色 LED，可以在寄存器地址 0x23 和寄存器地址 0x25 中设置这些 LED；对于集成的红外 LED，可以在寄存器地址 0x22 和寄存器地址 0x25 中进行设置。注意，在 ADPD188BI 寄存器中，蓝色 LED 为 LEDX1，红外 LED 为 LEDX3。

光电检测器电流使用 ADPD188BI 数字输出来计算，如公式 7 所示。

其中
I_PD 是光电检测器电流，单位为 nA。
代码 是 32 位 LSB
输出代码。 Q 是 ADC 分辨率，单位为 nA/LSB。
PULSE_COUNT 是该时刻的 LED 脉冲数。

ADPD188BI 的 ADC 分辨率取决于 LED 脉冲宽度的设置（时刻 A 的寄存器 0x30；时刻 B 的寄存器 0x35）以及内部互阻放大器 (TIA) 增益的设置（寄存器 0x55）；有关使用不同 TIA 增益值的 ADC 分辨率，请参考 ADPD188BI 数据手册。

计算 LED 效率

集成 LEDs (η_LEDx) 的效率可由公式 3 计算得出。

其中
η_N 为 LED 标称效率，单位为 W/A（蓝色 LED 是 0.38，红外 LED 是 0.22）。
k 是 LED 降额因数（蓝色 LED 可用公式 4 计算；红外 LED，k = 1.0）。
C 是补偿设备间差异的标量值。

与红外 LED 不同，蓝色LED的效率随着驱动电流的增加而非线性降低。因此，必须首先使用公式 4 计算降额因数。

其中
A₀ = 9.8976 × 10⁻¹
A₁ = −5.1448 × 10⁻³
A₂ = 2.0287 × 10⁻⁵
A₃ = −2.9645 × 10⁻⁸

读取 ADPD188BI 增益校准值

如公式 8 所示，ADPD188BI 具有一个标量值，可以补偿器件的变化；这是每个 LED 的增益校准，可以使用公式 10 至公式 16 计算得出。

对于蓝色 LED

对于红外 LED

LED 温度补偿

ADPD188BI 的全环路响应受环境温度影响。蓝色通道更加复杂，因为温度响应曲线的形状也可以根据所使用的 LED 电流量而变化。图 5 表示在工作温度范围内，温度对 ADPD188BI 的相对输出响应的影响，其中蓝色 LED 的通用 I_LED 设置为 100 mA 和 175 mA。对于红外通道，温度响应曲线与 LED 电流无关。

为了确定相对响应的值，需要具有实时测量环境温度的能力。在 CN-0537上，温度和湿度传感器在 ADPD188BI 旁边，监测室内的状况。然后，可以通过将 ADPD188BI 输出除以当前环境温度的相对响应来完成温度效应的补偿，这取自图 5 中的曲线。

其中
相对响应_T 是当前环境温度下的相对响应。
编码_T 是当前环境温度下的输出编码。
编码_25°C 是在环境温度为 25°C时输出的编码。

选择传感器时，组件尺寸是主要考虑因素，因为腔室内的空间非常宝贵。在该参考设计中，默认传感器的温度和湿度精度等级分别为 ±0.2°C 和 ±2% 相对湿度。

使用带有 ADPD188BI 的烟室

市场上大多数可用的烟雾探测器解决方案都使用烟雾室来帮助拒绝环境光，减少内部光污染，并使昆虫或蜘蛛干扰读数的风险降到最低。对于 ADPD188BI，由于从燃烧室表面散射的光，使用烟雾室会导致恒定的背景信号出现在读数中。至关重要的是，背景信号的电平必须保持相似或低于警报阈值，以避免读数出现重大误差。

ADPD188BI 对腔室的响应也可以用功率传输比 (PTR) 表示，这会增加烟雾响应，并且在解释设备的 PTR 数据时必须考虑该响应。

其中
PTR_TOTAL 是总功率传递比 nW/mW.
PTR_CHAMBER 是来自腔室表面内部的接收光功率与传输的光功率之比，以 nW/mW 为单位。
PTR_SMOKE 是由于烟雾颗粒散射发射光功率而导致的接收光功率的比率，单位为 nW/mW。

ADPD188BI 使用 ADI公司专有的烟雾室，该烟雾室专门设计用于满足设备和工业要求。该烟雾室的内部几何形状允许获得最高的信噪比 (SNR) 读数，因此可以为 ADPD188BI 提供最佳的 PTR 值。

机器设计使用行业标准规定的压力测试（例如 JESD22-A101，JESD22-A103，JESD22-A104，UL-217，UL-268，EN-54 和 AEC-Q100）进行鉴定。由于 ADPD188BI 相对于分立式烟雾探测器的尺寸较大，该腔室也比大多数现有解决方案小得多。该设计在其两个大法兰的两端仅测量 36 毫米，在其下方留有 109.36 平方毫米的内部区域。

常规烟雾室设计与 ADPD188BI 不兼容，因为与传统烟雾探测器使用的前向散射系统相比，ADPD188BI 的集成光电器件使用反向散射系统。

防冷凝加热

电路设计的另一个考虑因素是冷凝对 ADPD188BI 读数的影响。腔室内表面可能会形成露水和冷凝水，从而导致光散射。这种光散射在系统中表现为烟雾。这种光散射在世界上更湿润的热带地区尤其成问题，在这些地区，经常会形成冷凝水。

为了减轻冷凝的影响，在光模块周围放置了加热电阻，该加热电阻用于散发足够的热量，以在需要时清除露水的形成。为此目的选择电阻器时，需要在所需的温升和从电源汲取的电流之间进行折衷。

请注意，该加热块显着增加了设计所需的总系统功率。使用较低的电阻值会产生更多的热量，但会消耗更多的电源电流。对于电池供电的系统，这还会导致电池寿命缩短，并且必须作为额外的设计考虑因素。

CN-0537 参考设计使用三个 25 Ω 电阻的并联组合，导致温度从10°C 到 20°C。晶体管交换芯片允许微控制器板通过脉冲宽度调制 (PWM) 输出或通用输入/输出 (GPIO) 引脚激活加热电路模块。

系统电源管理

CN-0537 的电源通过Arduino外形尺寸连接器从控制器板上供电，电路中最活跃的设备直接由 3.3 V 和 5 V 电源供电。但是，ADPD188BI 需要 1.8 V 和 6 V 的电源电压电平才能正常工作。

为了产生为 ADPD188BI 供电所需的 1.8 V 电压，将 3.3 V 稳压电源馈入 ADP151。该 CMOS 线性稳压器的输入电压范围为 2.2 V 至 5.5 V，最大输出电流为 200 mA。在器件生产期间，ADP151 的输出电压固定为 1.8 V，仅需输入和输出电容即可工作，大大简化了电路设计。

同样，为了产生为 ADPD188BI 的集成蓝色 LED 供电所需的 6 V，5 V 电源被馈入 LT8410 超低功耗升压转换器，如图 12 所示。

LT8410 的稳定输出与其正反馈引脚 (FBP) 上的电压电平直接相关。为了产生所需的 V_OUT 电平，需要使用公式 18 计算所需的 V_FBP 电平。

其中
V_FBP 是引脚和 GND 之间的电压（单位为 V）。
V_OUT 是所需的输出电压，单位为 V。

对于 6 V 的输出电压，公式 18 给出了大约 0.1884 V 的 V_FBP。为达到该电压电平，需要一个简单的分压器与 LT8410 的集成 1.235 V 基准电压一起使用，如图 12 所示。 用于分压器的电阻，请确保串联电阻大于 200 kΩ 以避免 V_REF 引脚负载。

依据 LT8410 数据手册的建议，用于输入和输出的引脚的电容器的值分别为 2.2 μF 和 1 μF； 0.1 μF 的电容器用在 CAP 和 VREF 引脚上。

选择电感器时，LT8410 数据手册建议使用至少 45 μH 且饱和电流额定值高于峰值电感器电流的电感器。使用公式 19 计算最大电感峰值电流。

其中
I_PK 是峰值电流，单位为 mA。
I_LIMIT 是开关电流限制值，单位为 mA。
V_IN 是输入电压，单位为 V。
L 是 H 的电感。

本设计中使用了一个 100 μH 的电感器。将这个值代入公式中，对于 5 V 的输入电压和 30 mA 的最大开关电流限制值，电感峰值电流为 37.5 mA。

使用公式 20 至公式 23 来确定 LT8410 电路的最大输出电流。

其中
I_RIPPLE 是电感的纹波电流，单位为 mA。
I_IN(AVG) 是 LT8410 的平均输入电流，单位为 mA。
I_OUT(NOM) 是标称输出电流，单位为 mA。
I_OUT 是最大输出电流，单位为 mA。

将100 μH 的电感和 37.5 mA 的峰值电感器电流代入这些等式，对于 5 V 的输入电压和 25 mA 的典型开关限流值，最大输出电流为 14.23 mA。在整个负载电流范围内在 LTspice^® 中对该 LT8410 电路进行仿真，得到的效率图如图 13 所示。

使用公式 24 计算 ADP151 和 LT8410 电路中 ADPD188BI 所需的每个 LED 的电源电流量。

其中
I_{LED_AVE_x} 是时刻 A 或时刻 B 的平均 LED 电源电流，单位为 mA。
SLOTx_LED_WIDTH 是时刻 A 或时刻 B 的蓝色 LED 脉冲宽度，以秒为单位。
I_{LEDx_PK} 是以 mA 为单位的峰值电流（使用公式 3 至公式 6 计算）。DR 是以 Hz 为单位的输出数据速率。
PULSE_COUNT 是时刻 A 或时刻 B 中的 LED 脉冲数。