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PIR 产品设计指南.pdf

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PIR产品设计指南 作者:通泰积体电路股份有限公司 曾祥兆 一. 摘 要:在电子防盗、人体探测器,智能照明等领域中,被动式热释电红外探测器的应用非常广泛,因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。然而针对这一领域,有非常多的技术人员在设计时却发现,PIR产品的设计却没那么简单,在有些细节上没有注意,就非常容易产生误动作,最常见的就是在关闭之后,又重新开启,如此反复,下面总结笔者多年PIR应用经验,为大家介绍一些PIR产品在设计时,应该要注意的事项及应用技巧。 关毽词:PIR 热释电红外传感器 菲涅尔透镜 人体红外 热释电 人体感应开关 二. 在被动红外探测器中有两个关键性的元件,一个是热释电红外传感器(PIR),另外一个就是菲涅尔透镜 2.1 热释电红外传感器(PIR)的工作原理及特性 2.1.1 凡是温度超过绝对0℃的物体都能产生热辐射(红外光谱),而温度低于1725°C的物体,产生的热辐射光谱主要集中在红外光区域,因此自然界的所有物体都能向外辐射红外热,不同温度的物体,其释放的红外能量的波长是不一样的,因此红外波长与温度的高低是相关的; 2.1.2人体恒定的体温约37度,所发出红外线的波长为10UM左右的; 2.1.3热释电红外传感器通常覆盖有特殊的菲涅尔滤光片,就是专门针对人体红外专门设计的器件,仅对10UM左右的红外的非常敏感,而对环境的其他波长红外成份则有明显的抑止作用; 2.1.4 热释电红外传感器内一般包含两个(或更多的)互相串联或并联的热释电单元。而且制成的两个电极化方向正好相反,环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用,使其产生释电效应相互抵消,于是环境背景辐射对探测器是无信号输出的; 2.1.5 一旦有人侵入探测区域内,人体红外辐射通过部分菲涅尔透镜聚焦,并被热释电红外传感器接收,热释电红外传感器在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡,因为两片热释电单元接收到的热量不同,不能相互抵消,输出脚便会有与人体一致的变化的信号输出,供后级电路做信号处理,以便实现不同的控制输出; 2.1.6 热释电红外传感器,有不同的窗口形状及尺寸,窗口面积越大,灵敏度也越高,相应成本也会更高,可依据产品的要救选择相应的型号; 2.1.7 一般最常用的热释电红外传感器,是双单元的那种,这种探头的灵敏度是沿长方形方向横向移动才是最高的,所以成品在装配时,要特别注意这点,如果产品是吸顶式的,比如安装在十字形的走廊上,要求各个方向灵敏度相近,PIR产品设计指南 作者:通泰积体电路股份有限公司 曾祥兆 则装配时,可以让热释电红外传感器的窗口与走廊方向呈45度角度,或采用四窗口的热释电红外传感器。 PIR产品设计指南 作者:通泰积体电路股份有限公司 曾祥兆 2.2 菲涅尔(Fresnel)透镜 2.2.1菲涅尔透镜作用有两个:一是聚焦作用,即将热释红外信号折射(反射)在PIR上,第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区,使进入探测区域的移动物体,在活动时不停在明区和暗区间来回切换,折射到热释电红外传感器上,形成温度变化,而在PIR上产生变化的热释红外信号; 2.2.2菲涅尔透镜,简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹.通过这些齿纹,可以达到对指定光谱范围的光带通(反射或者折射)的作用.传统的打磨光学器材的带通光学滤镜造价昂贵,菲涅尔透镜可以极大的降低成本,典型的例子就是PIR(被动红外线探测器),PIR广泛的用在警报器上。如果你拿一个看看,你会发现在每个PIR上都有个塑料的小帽子。这就是菲涅尔透镜,小帽子的内部都刻上了齿纹,这种菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰值限制到10微米左右(人体红外线辐射的峰值),成本相当的低; 2.2.3菲涅耳透镜可以把透过窄带干涉滤光镜的光聚焦在硅光电二级探测器的光敏面上; 2.2.4菲涅尔透镜由有机玻璃制成,不能用任何有机溶液(如酒精等)擦拭,除尘时可先用蒸馏水或普通净水冲洗,再用脱脂棉擦拭。 2.2.5 菲涅尔透镜的选型不当,将会对灵敏度造成较大影响,以及每款菲涅尔透镜,都有一个聚焦点,只有让热释电红外传感器处于聚焦点上,才能达到最佳的聚焦效果,让灵敏度最高; PIR产品设计指南 作者:通泰积体电路股份有限公司 曾祥兆 三.被动式热释电红外探头的优缺点 3.1优点:本身不发任何类型的辐射,器件功耗很小,隐蔽性好,价格低廉; 3.2缺点: 1、容易受各种热源、光源干扰; 2、被动红外穿透力差,人体的红外辐射容易被遮挡,不易被探头接收;3、易受射频辐射的干扰; 4、环境温度和人体温度接近时,探测和灵敏度明显下降,有时造成短时失灵。 四. 抗干扰性能 4.1 防小动物干扰:探测器安装在推荐的使用高度,对探测范围内地面上地小动物,一般不产生误动作; 4.2 抗电磁干扰:探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求,一般手机电磁干扰不会引起误动作; 4.3 抗灯光干扰:探测器在正常灵敏度的范围内,受3米外H4卤素灯透过玻璃照射,不产生误动作。 五. 红外线热释电传感器的安装,要求红外线热释电人体传感器只能安装在室内,其误报率与安装的位置和方式有极大的关系,正确的安装应满足下列条件: 5.1 红外线热释电传感器应离地面2.0-2.2米; 5.2 红外线热释电传感器远离空调, 冰箱,火炉等空气温度变化敏感的地方; 5.3 红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物; 5.4 红外线热释电传感器不要直对窗口,否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报,有条件的最好把窗帘拉上,红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。 5.5 根据安装的位置及人员走动的方响,调整红外线热释电传感器的方向,使其工作于最高灵敏度状态 PIR产品设计指南 作者:通泰积体电路股份有限公司 曾祥兆 六. 热释电传感器的信号取出方法: 6.1 热释电传感器通常为三端器件,从突点旁那个脚开始,分别为1脚D漏极,2脚S源极,3脚G接地, 6.2 通常的用法是信号从2脚S端源极取出,内部MOS管就是源极跟随器的工作方法,传感器上的信号,以1:1的输出幅度在S端输出,这样做的好处是,PIR本身对电源的轻微波动不敏感,可以极大的提高因电源的不稳定,造成的误动作发生的可能性,R1的参数可以在数十千欧到数百千欧间选择,因 PIR的S端的静态电压工作点是固定的,视型号不同,一般在0.4~1V间,静态工作电流I=Vs/R1,所以R1的选值越大,静态工作电流则越小,但同时,输出阻抗也会越大,如右图: 6.3 如果后级放大器增益有限,需要进一步堤高增益时,信号宜采用D端放大的方式,从传感器感应来的信号,可以经过内置MOS管进行放大后,从D端输出,但这样会带来一个问题,电源的轻微波动,亦会传导到放大器上一并放大,所以这种接法对电源的稳定性的有更高的要求,如下图,两种接法实际效果是一样的,一般限制增益不宜过大,以20倍左右为宜,改变R2/R3的比值,可以改变探头的增益,此处电容C1,起的作用是通交隔直,以降低R1的对PIR信号的影响,C1的容量不宜太小,以C1的容抗最多不超过R1的阻值为限,因为PIR信号的频率较低,一般为0.3~3Hz,如取值太小的话,形成的容抗就会较大,以下限0.3Hz来计算容抗,电容容抗计算方法为 Xc = 1/(ω*C)= 1/(2*π*f*C); Xc--------电容容抗值(欧姆) ω---------角频率 π---------3.14; f---------频率,对应0.3HZ; C---------电容值(法拉) 此处C1容量为100uF,则对应0.3Hz的容抗为5.3KΩ 下图中,对PIR的本身的增益为(R2+R1// Xc1)/R3=20.3倍 PIR产品设计指南 作者:通泰积体电路股份有限公司 曾祥兆 6.4 通常为了进一步加强抗干扰能力,一般会在电源端增加一级 RC 做电源的滤波,如下图中的R4与C2,参数并没有严格要求,增加与否,亦可视电路实际的情况决定,在电路稳定的前提下,完全省略也没问题,必竟节约成本是我们的不懈追求 PIR产品设计指南 作者:通泰积体电路股份有限公司 曾祥兆 七. PIR信号专用处理芯片介绍 下面介绍几款用量较大,集成度较高,外围极其简单的PIR专用芯片的应用技巧,PIR0001~PIR0004 系列,是台湾通泰积体电路股份有限公司,总结多年PIR市场需求,专门针对性设计的PIR专用芯片,采用8脚DIP或SOP封装,是目前市场引脚最少的高度集成专用芯片; 7.1 电气特性 ●工作电压范围:3.6V~5.5V, (内建穩壓電路3.0V±0.36V ) ●内建16KHZ系统频率振荡器. ●在VBAT=4.5V,25℃,無負載條件下,工作电流值小於20uA ●支援 PHOTO 或 CDS 感測器偵測環境為白天狀態或夜晚狀態 ●提供燈亮延遲時間約為固定16秒或外部RC可调 ●燈亮轉為燈關掉時,PIR信號1秒鐘內不判斷,防止误动作 ●内建波形智能判断,只有规定的波形达到标准要求才能引起触发输出 7.2 脚位信息 PIR0001Date codeLot No.8 7 6VBAT5VSSOUTPHIVDDOP1OOP1POP1N4321PIR0001B : SOP 8 pinPIR0001A : DIP 8 pin8 7 6 54PIR0002OUT VSSPHIVDDTDOP1OOP1POP1NDate codeLot No.321PIR0002B : SOP 8 pinPIR0002A : DIP 8 pinPIR0003TDDate codeLot No.8 7 6VBAT5VSSOUTVDDOP1OOP1POP1N4321PIR0003B : SOP 8 pinPIR0003A : DIP 8 pinTDPIR0004Date codeLot No.8 7 6VBAT5VSSOUTVDDOP1OOP1POP1N4321PIR0004B : SOP 8 pinPIR0004A : DIP 8 pin7.3 引脚功能说明 功能名称 I/O 类型 功能描述 OP1N I PIR第一级运放输入负 OP1P I PIR第一级运放输入正, 固定0.4VDD 电压 OP1O O PIR第一级运放输出脚 VDD O 内置电源稳压器输出脚 VBAT P 电源正极DC 3.6V~5.5V VSS P 电源负极 OUT O NMOS开漏输出,低电平使能 TD I 接通延迟时间RC振荡器输入脚 PHI I 环境亮度传感器侦测输入脚 PIR产品设计指南 作者:通泰积体电路股份有限公司 曾祥兆 7.4 功能对比 型号 丝印 封装 OP LDO 延迟时间 CDS侦测 输出方式 输出使能 PIR0001A DIP-8 PIR0001 PIR0001B SOP-8 2级 有 固定16秒 有 开漏 PWM 低电平 PIR0002A DIP-8 PIR0002 PIR0002B SOP-8 2级 无 外部可调 有 HI/LOW 高电平 PIR0003A DIP-8 PIR0003 PIR0003B SOP-8 2级 有 外部可调 无 HI/LOW 高电平 PIR0004A DIP-8 PIR0004 PIR0004B SOP-8 2级 有 外部可调 无 开漏 PWM 低电平 7.5 极限参数 7.6 DC/AC 参数:(测试条件:室温25℃) 参数 代码 条件 数值 单位 工作温度 TOP ─ -20 ~ +60 ℃ 储存温度 TSTG ─ -50 ~ +125 ℃ 供电电压 VBAT Ta=25°C VSS-0.3 ~ VSS+5.5 V 输入电压 VIN Ta=25°C VSS-0.3 ~ VDD+0.3 V 人体静电 ESD ─ 4 KV 注意:VSS表示为系统的地 参数 代码 测试条件 Min. Typ. Max. 单位 工作电压 VBAT 3.6 4.5 5.5 V 内置稳压器输出 VDD 2.64 3.0 3.36 V 系统振荡 Fsys VDD=3V 16K Hz 待机电流 Istby VDD=3V@VBAT=4.5V 20 30 uA NMOS 开漏输出电流 IOL VDD=3V, VDS=0.3V 100 150 mA Tdly1 VDD=4.5V, VR1=0, C9=500P 3 Sec TD延迟时间 Tdly2 VDD=4.5V, VR1=2M, C9=500P 110 Sec PIR产品设计指南 作者:通泰积体电路股份有限公司 曾祥兆 7.7 这系列IC的对波形判断并不是简单用电压比较器比较信号幅度,而是对 PIR信号波形宽度也有一定的要求,只有符合条件的波形才能达到激活条件,可以进一步降低误动作的可能 7.7.1 T1或T2 200mS 7.7.2 在2秒内T1或T2 50mS两次以上 7.7.3 在灯从开到关,有1秒禁止PIR感应时间 7.7.4 窗口电压是+/-0.1VDD,如果是采用外部稳压,提高稳压值到5V,可以增加比较器窗口,更适合干扰比较严重的AC供电的场合; Amplifier20 multipleI OOPOP1NOPOP1OOP1NVPIROP1PTIMEVPIR0.3VDD 0.5VDD)(PIRO_V voltage range : When the OP1 is unit gain application, then VPIR voltage is PIRO_VIC internalOP1P refernet voltage : 0.4VDD0.4VDD- 0.1VDD+Window : PIRO_V T2 = VPIR PIRO_V + 0.1VDDIC internal signalPIRO_V + 0.1VDDPIRO_V - 0.1VDDPIRO_VT1 T27.8 PHI是环境亮度传感器侦测输入脚,内部是CMOS施密特触发器输入结构,可以连接光敏三极管或光敏电阻等传感器,用来侦测当前环境亮度,判断是白天还是夜晚模式 7.8.1 PHI电压 ≧ 2/3VDD 持续 2秒, 判定环境为夜晚模式 7.8.2 PHI 电压 ≦1/3VDD持续 2秒, 判定环境为白天模式 7.8.3 1/3VDD < PHI 电压 < 2/3VDD,保持之前状态 7.8.4 PHI 具防抖动功能 7.8.5 上电后默认为夜晚模式 7.8.6 在灯亮的时候,会自动屏蔽PHI侦测功能,从而保持夜晚模式不变 7.8.7 只有PIR0001与PIR0002具有PHI功能 7.9 TD是接通延迟时间RC振荡器输入脚 7.9.1 接通条件:夜晚模式及PIR信号激活,(PIR0003及PIR0004是内部固定是夜晚模式) 7.9.2 关闭条件: 接通延迟时间结束 7.9.3 接通延迟时间取决于RC的振荡频率,内部是做17级除频器,除频器产生溢出便是延时时间,具体计算方法为: 延迟时间=振荡周期*131071, 7.9.4 有PIR信号激活时,会对除频器进行复位而使时间重新计算 7.9.5 虽然不同的RC组合都可以相同的振荡频率,但还是建议优选较大的R及较小的C,这样的待机电流会更小,只有当没有合适的C值时,才选用较小的R来做搭配,R的值最大不值超过3M欧。 PIR产品设计指南 作者:通泰积体电路股份有限公司 曾祥兆 7.10 输出信号波形: 7.10.1 PIR0001,PIR0004,是内置开漏NMOS输出的,为PWM输出,其中低电平60%占比,这是专为小功率LED照明设计的,可以让LED工作于最佳的光效点上,而又有充分的降温时间; 7.10.2 建议内置NMOS输出峰值电流控制在250mA以内,则平均电流可达250*0.6=150mA,非常适合直接驱动小功率LED,而无需另外增加驱动元件; OUT :8mS 4mSfloating0floatingTurn onTurn offZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZ7.10.3 PIR0002,PIR0003,是内置CMOS输出,输出高电平幅度跟随VBAT引脚电平,无需做电平匹配,就可以直接给MCU等外围电路读取; Turn on“0“ “1“OUT :Turn off7.11 VBAT及VDD,电源供电与稳定性 7.11.1 VBAT电源正极DC 3.6V~5.5V 7.11.2 VDD为内部稳压器输出,电压为3V 7.11.3 为避免负载电流的波动造成误动作,LAYOUT时,要对负载的电流回路,用节点法进行连接,负载的电流必需直接回流到电源端去,绝不能在稳压器后端有铜皮重叠,PIR的GND可以经IC的GND回流到稳压器,IC距稳压器的距离要尽量短,及适当增加电源滤波电容以增加电源稳定性; 7.11.4 输出的功率管,采用NMOS电压驱动器件,可以不从IC端吃电流,可以进一步降低负载的开关造成不稳定因素; PIR产品设计指南 作者:通泰积体电路股份有限公司 曾祥兆 八.应用实例 8.1 PIR0001应用于DC小夜灯 PIR产品设计指南 作者:通泰积体电路股份有限公司 曾祥兆 8.2 PIR0003 应用于DC的感应模块 PIR产品设计指南 作者:通泰积体电路股份有限公司 曾祥兆 8.3 PIR0002 应用于低成本的阻容降压式的AC小夜灯 8.4 PIR0002 应用DC小夜灯
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