Fiche technique du capteur optique LTR-X1503 - Détecteur de lumière ambiante et de proximité intégré - Interface I2C - 3.0-3.6V - Document technique en français

1. Vue d'ensemble du produit

Le LTR-X1503 est un capteur optique hautement intégré et basse tension, combinant un capteur de lumière ambiante (ALS) et un capteur de proximité (PS) avec un émetteur infrarouge intégré, le tout dans un boîtier CMS miniature, sans plomb et sans puce. Cette intégration simplifie la conception et économise de l'espace sur la carte dans les appareils électroniques compacts.

L'avantage principal de ce capteur réside dans sa double fonctionnalité. L'ALS offre une réponse photométrique linéaire sur une large plage dynamique, le rendant adapté à des applications allant de conditions d'éclairage très sombres à extrêmement lumineuses. Simultanément, le capteur de proximité intégré peut détecter la présence ou l'absence d'un objet à une distance configurable par l'utilisateur, permettant des fonctionnalités comme l'extinction de l'écran pendant les appels téléphoniques ou la désactivation de l'écran tactile.

Le dispositif est principalement destiné aux marchés de la mobilité, de l'informatique et de l'électronique grand public. Son format ultra-compact, sa faible consommation d'énergie avec mode veille et son interface numérique I2C en font un choix idéal pour les smartphones, tablettes, ordinateurs portables, wearables et appareils IoT où la gestion efficace de l'énergie et l'espace sont des contraintes critiques.

1.1 Caractéristiques et avantages principaux

• Double détection dans un seul boîtier :Intègre à la fois la détection de lumière ambiante (ALS) et la détection de proximité (PS), réduisant le nombre de composants et l'empreinte sur le PCB.
• Interface numérique I2C :Prend en charge le mode Standard (100kHz) et le mode Rapide (400kHz) pour une communication aisée avec les microcontrôleurs hôtes.
• Fonctionnement à très faible consommation :Comporte des modes actif et veille. Le courant d'alimentation typique en mode actif est de 160 uA pour les deux capteurs, tandis que le courant de veille descend à seulement 1 uA, prolongeant significativement l'autonomie de la batterie.
• Fonction d'interruption programmable :Le PS inclut un système d'interruption avec des seuils supérieur et inférieur programmables et une hystérésis. Cela élimine le besoin pour le processeur hôte d'interroger continuellement le capteur, améliorant l'efficacité globale du système et les économies d'énergie.
• ALS haute performance :Offre une résolution effective de 16 bits, une réponse linéaire sur une large plage et une réponse spectrale proche de celle de l'œil humain. Il inclut un rejet automatique du scintillement des éclairages 50Hz/60Hz pour garantir des lectures stables sous éclairage artificiel.
• Détection de proximité robuste :Inclut un pilote LED intégré, une capacité de suppression de la lumière ambiante élevée (jusqu'à 10 klux), une résolution de 16 bits et des algorithmes d'annulation de diaphonie pour une détection d'objet fiable.
• Étalonnage en usine :Un ajustement unique en usine minimise les variations d'un composant à l'autre, garantissant des performances constantes et facilitant les exigences d'étalonnage en fabrication pour les clients finaux.
• Large plage de fonctionnement :Fonctionne de 3,0V à 3,6V et sur une plage de température de -40°C à +85°C, avec un circuit de compensation de température intégré pour un fonctionnement stable.

2. Analyse approfondie des spécifications techniques

2.1 Valeurs maximales absolues

Des contraintes au-delà de ces limites peuvent causer des dommages permanents au dispositif.

• Tension d'alimentation (VDD) :3,6 V
• Broches d'E/S numériques (SCL, SDA, INT) :-0,5 V à 3,6 V
• Tension anode LED (V_LED) :-0,5 V à 4,6 V
• Tension broche pilote LED (V_LDR) :-0,5 V à 3,6 V
• Température de stockage :-40°C à 100°C
• Protection ESD (HBM) :2000 V

2.2 Conditions de fonctionnement recommandées

Pour un fonctionnement normal du dispositif.

• Tension d'alimentation (VDD) :3,0 V à 3,6 V
• Tension d'alimentation LED (V_LED) :2,8 V à 4,0 V
• Température de fonctionnement :-40°C à 85°C
• Entrée niveau haut I2C :1,5 V à VDD
• Entrée niveau bas I2C :0 V à 0,4 V

2.3 Spécifications électriques et optiques

Les spécifications sont généralement données à VDD = 1,8V et Ta = 25°C.

2.3.1 Caractéristiques de puissance

• Courant d'alimentation (ALS & PS actifs) :160 uA (Typique, avec un taux de répétition de mesure de 100ms).
• Courant actif ALS :160 uA (Typique).
• Courant actif PS :57 uA (Typique, avec 8 impulsions, rapport cyclique 100%, largeur d'impulsion 32us).
• Courant de veille :1 uA (Typique).
• Temps de réveil depuis la veille :0,25 ms (Typique).

2.3.2 Caractéristiques du capteur de lumière ambiante (ALS)

• Résolution :Programmable à 13, 14, 15 ou 16 bits effectifs.
• Précision en lux :±10% (Typique, sous éclairage LED blanc).
• Compte niveau obscurité :0 à 5 comptes (à 0 Lux, résolution 16 bits, gain 512x, intégration 100ms).
• Temps d'intégration :Programmable de 0,2 ms à 200 ms.
• Rejet du bruit de scintillement :Erreur de ±5% pour les éclairages 50Hz/60Hz.
• Réponse spectrale :Proche de la réponse photopique de l'œil humain.

2.3.3 Caractéristiques du capteur de proximité (PS)

• Résolution :16 bits effectifs.
• Longueur d'onde de sensibilité maximale :940 nm (Typique, pour l'émetteur IR intégré).
• Distance de détection :Jusqu'à 20 cm (Typique, configurable selon le nombre d'impulsions, le gain et les réglages de courant).
• Courant d'impulsion LED :Programmable, jusqu'à 186 mA (Typique).
• Largeur d'impulsion LED :Programmable : 8, 16, 32 ou 64 us.
• Nombre d'impulsions LED :Programmable de 1 à 256 impulsions par mesure.
• Suppression de la lumière ambiante :Jusqu'à 10 klux (lumière directe du soleil). Une fonction de sécurité empêche les déclenchements erronés au-delà de ce niveau.

3. Analyse des courbes de performance

3.1 Réponse spectrale de l'ALS

La photodiode de lumière ambiante du capteur est conçue avec un filtre pour correspondre à la fonction de luminosité photopique CIE, qui définit la réponse standard de l'œil humain à la lumière. Cela garantit que les lectures en lux rapportées par le capteur représentent avec précision la luminosité telle que perçue par une personne, plutôt que simplement l'énergie rayonnante brute. Ceci est crucial pour un contrôle automatique de la luminosité de l'écran qui semble naturel à l'utilisateur.

3.2 Performance du PS en fonction de la distance

La performance du capteur de proximité est caractérisée par l'intensité du signal réfléchi en fonction de la distance à un objet réfléchissant standard (généralement 88% de réflectance). La relation est non linéaire et suit une loi en carré inverse. Le graphique montre qu'avec des réglages typiques (par ex., VDD=1,8V, courant LED 104mA, 16 impulsions), un signal clair et mesurable est obtenu, permettant de définir des seuils de détection fiables pour des distances d'application spécifiques (par ex., 5cm pour la détection de l'oreille du téléphone).

3.3 Réponse angulaire de l'ALS

Les graphiques de réponse angulaire du capteur (pour les axes X et Y) montrent comment l'intensité lumineuse mesurée varie avec l'angle d'incidence. Une réponse parfaitement cosinus (Lambertienne) est idéale pour la plupart des applications de détection de lumière ambiante. Le LTR-X1503 présente une réponse proche de cet idéal, garantissant des lectures précises quelle que soit la direction de la source lumineuse principale par rapport au capteur. Les écarts par rapport à la réponse cosinus idéale aux angles extrêmes (> ±60 degrés) sont typiques pour la plupart des capteurs en raison des contraintes de conception du boîtier et de l'optique.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

Le LTR-X1503 est logé dans un boîtier CMS ultra-petit à 8 broches sans puce. Les dimensions exactes du contour sont fournies dans le dessin dimensionnel de la fiche technique, qui inclut des vues de dessus, de côté et de dessous avec des dimensions critiques telles que la longueur, la largeur, la hauteur du boîtier, le pas des broches et les dimensions des pastilles. Ces informations sont essentielles pour la conception de l'empreinte PCB et pour assurer un ajustement mécanique correct dans le produit final.

4.1 Configuration et fonction des broches

• Broche 1 (VDD) :Entrée d'alimentation (3,0V - 3,6V).
• Broche 2 (SCL) :Entrée d'horloge série I2C.
• Broche 3 (GND) :Connexion à la masse.
• Broche 4 (LEDA) :Connexion anode pour la LED infrarouge intégrée. Doit être connectée au rail d'alimentation LED (V_LED).
• Broche 5 (LDR) :Connexion du pilote LED. Cette broche doit être laissée flottante (NC) car le pilote est interne.
• Broche 6 (NC) :Pas de connexion interne. Peut être laissée non connectée ou reliée à la masse.
• Broche 7 (INT) :Broche de sortie d'interruption active à l'état bas. Cette sortie à drain ouvert passe à l'état bas lorsqu'un événement de proximité (détection/retrait d'objet) se produit en fonction des seuils programmés.
• Broche 8 (SDA) :Entrée/sortie de données série I2C (drain ouvert).

5. Circuit d'application et directives de conception

5.1 Circuit d'application recommandé

Un circuit d'application typique inclut le capteur, les condensateurs de découplage nécessaires et les résistances de rappel I2C.

• Découplage d'alimentation :Un condensateur céramique de 1uF (C1) doit être placé aussi près que possible entre VDD et GND. Un condensateur supplémentaire de 0,1uF (C2) peut être ajouté pour la suppression du bruit haute fréquence.
• Découplage de l'alimentation LED :Un condensateur de 1uF (C3) est recommandé entre la broche LEDA (et le rail V_LED) et GND.
• Résistances de rappel I2C :Des résistances (Rp1, Rp2) avec des valeurs comprises entre 1 kΩ et 10 kΩ sont nécessaires sur les lignes SCL et SDA. La valeur exacte dépend de la capacité du bus et du temps de montée souhaité ; des valeurs plus faibles fournissent un rappel plus fort mais augmentent la consommation de courant. Un rappel similaire peut être nécessaire sur la ligne INT si elle est utilisée.

5.2 Séquencement de l'alimentation

Exigence critique :Un séquencement correct de l'alimentation doit être suivi pour éviter un verrouillage ou des dommages potentiels.

• Mise sous tension :VDD (alimentation logique principale) doit être mise sous tensionavantV_LED (alimentation LED).
• Mise hors tension :V_LED doit être mise hors tensionavant VDD.

6. Directives de soudure et d'assemblage

Le composant est un dispositif à montage en surface (CMS) conçu pour les procédés de soudage par refusion courants dans la fabrication électronique en grande série.

6.1 Profil de soudage par refusion

Bien que la fiche technique spécifique puisse ne pas détailler un profil, un profil de refusion standard sans plomb (conforme RoHS) est applicable. Cela implique généralement :

• Préchauffage/Montée :Une montée progressive (1-3°C/seconde) jusqu'à ~150-200°C pour activer le flux et minimiser le choc thermique.
• Zone de maintien :Un plateau à 150-200°C pendant 60-120 secondes pour assurer une température uniforme sur la carte et évaporer les composés volatils.
• Zone de refusion :Une montée rapide jusqu'à la température de pic. La température de pic ne doit pas dépasser la valeur maximale du boîtier (probablement 260°C pendant un court instant, par ex., 10-30 secondes au-dessus de 245°C).
• Refroidissement :Une phase de refroidissement contrôlée.

Consultez le niveau de sensibilité à l'humidité (MSL) du boîtier et suivez les procédures appropriées de séchage et de manipulation si le dispositif a été exposé à une humidité ambiante au-delà de son seuil nominal.

6.2 Conditions de stockage

Les dispositifs doivent être stockés dans leurs sacs barrière à l'humidité d'origine avec un dessiccant dans un environnement contrôlé (généralement <40°C et <90% d'humidité relative) pour éviter l'oxydation et l'absorption d'humidité.

7. Informations sur l'emballage et la commande

Le LTR-X1503 est fourni au format bande et bobine adapté aux machines d'assemblage automatique pick-and-place.

• Numéro de pièce :LTR-X1503
• Type de boîtier :Boîtier à 8 broches sans puce.
• Emballage :Bande et bobine.
• Quantité standard par bobine :3 000 pièces.

8. Suggestions d'application

8.1 Scénarios d'application typiques

• Smartphones/Tablettes :Ajustement automatique de la luminosité de l'écran (ALS) et extinction de l'écran/désactivation tactile pendant les appels lorsque l'appareil est porté à l'oreille (PS).
• Ordinateurs portables et écrans :Ajustement dynamique du rétroéclairage pour économiser l'énergie et le confort visuel en fonction de la lumière ambiante.
• Dispositifs portables (wearables) :Réveil par geste ou activation de l'écran lorsque l'utilisateur regarde l'appareil (PS), et gestion de la luminosité.
• Électronique grand public :Contrôle automatique marche/arrêt dans les appareils électroménagers, interrupteurs sans contact et détection de présence.

8.2 Considérations de conception et bonnes pratiques

• Chemin optique :Assurez un chemin optique clair et dégagé vers l'environnement pour l'ALS. Pour le PS, concevez la fenêtre ou l'ouverture pour permettre à la lumière IR de sortir et à la lumière réfléchie de revenir efficacement. Évitez de placer le capteur derrière des matériaux sombres ou absorbant l'IR.
• Contamination IR :Le capteur de proximité utilise de la lumière IR à 940nm. La lumière du soleil et certains éclairages artificiels contiennent des composantes IR. La suppression élevée de la lumière ambiante et l'annulation de la diaphonie du capteur aident, mais le positionnement à l'écart de sources IR directes et fortes améliore les performances.
• Gestion du bus I2C :Utilisez la fonction d'interruption pour mettre le MCU hôte en veille, ne le réveillant que lorsqu'un événement de proximité se produit. Interrogez l'ALS à un rythme modéré (par ex., une fois par seconde) sauf si des changements rapides de luminosité doivent être suivis.
• Étalonnage des seuils :Le seuil de détection du PS doit être étalonné dans le boîtier du produit final pour tenir compte de l'épaisseur du verre de protection, de la réflectivité et des réflexions internes (diaphonie). Cela est généralement fait lors de la fabrication.

9. Comparaison et différenciation technique

Le LTR-X1503 est en concurrence sur un marché avec d'autres solutions intégrées ALS/PS. Ses principaux points de différenciation incluent probablement :

• Haut niveau d'intégration :Combiner l'émetteur IR dans le même boîtier que les capteurs est un avantage significatif, réduisant la nomenclature (BOM) et simplifiant l'alignement optique par rapport aux solutions nécessitant une LED IR discrète.
• Performance :Des fonctionnalités comme la résolution 16 bits pour les deux capteurs, un rejet élevé de la lumière ambiante (10 klux) et des paramètres de mesure programmables offrent une flexibilité de conception et des performances robustes.
• Efficacité énergétique :Des courants actifs et de veille compétitifs et faibles sont critiques pour les appareils alimentés par batterie.
• Interface numérique :L'interface I2C est un bus standard largement supporté, rendant l'intégration simple.

10. Questions fréquemment posées (basées sur les paramètres techniques)

10.1 Comment régler la distance de détection pour le capteur de proximité ?

La distance de détection n'est pas un paramètre fixe unique mais le résultat de plusieurs réglages configurables : le courant d'impulsion LED, la largeur d'impulsion, le nombre d'impulsions et le gain du récepteur. En augmentant le courant LED, le nombre d'impulsions ou le gain, l'intensité du signal réfléchi augmente, permettant la détection d'objets à une plus grande distance ou avec une réflectivité plus faible. Le seuil spécifique pour la "détection" est défini par l'utilisateur dans les registres de seuil d'interruption en caractérisant le compte de données PS à la distance souhaitée dans le produit final.

10.2 Pourquoi le séquencement de l'alimentation entre VDD et V_LED est-il important ?

Un séquencement incorrect peut provoquer un courant d'appel important à travers les structures de protection ESD internes ou les circuits logiques, pouvant conduire à un verrouillage (latch-up) – un état à courant élevé qui peut endommager le dispositif. Suivre la séquence spécifiée (VDD puis V_LED sous tension ; V_LED puis VDD hors tension) assure que les transistors internes sont correctement polarisés avant que l'alimentation LED à plus haute tension ne soit appliquée ou retirée.

10.3 Que signifie "annulation de la diaphonie" pour le PS ?

La diaphonie fait référence à la réflexion interne au sein du module du dispositif ou de son couvercle où la lumière IR de l'émetteur atteint directement la photodiode PS sans se réfléchir sur un objet externe. Cela crée un décalage de fond qui peut provoquer des déclenchements erronés ou réduire la sensibilité. Le LTR-X1503 intègre des algorithmes (impliquant souvent une mesure de référence avec la LED éteinte) pour mesurer et soustraire cette composante de diaphonie des données PS finales, améliorant la précision de la détection d'objet.

10.4 Comment l'ALS parvient-il à rejeter le scintillement 50/60Hz ?

Les lampes à incandescence et fluorescentes alimentées par le secteur alternatif fluctuent en intensité à 100Hz ou 120Hz (deux fois la fréquence du réseau). Si le temps d'intégration du capteur est un multiple de la période de scintillement (par ex., 10ms, 20ms, 100ms), il fait la moyenne sur des cycles lumineux complets, annulant la variation et fournissant une lecture de lux stable. Le temps d'intégration du capteur est programmable pour être un multiple de ces périodes afin de permettre ce rejet.

11. Étude de cas de conception et d'utilisation

11.1 Mise en œuvre d'un contrôle d'écran économe en énergie dans une smartwatch

Scénario :Une smartwatch doit maximiser l'autonomie de la batterie. L'écran doit être lumineux à l'extérieur, sombre à l'intérieur et s'éteindre complètement lorsqu'il n'est pas regardé (par ex., lorsque le bras de l'utilisateur est baissé).

Mise en œuvre avec le LTR-X1503 :

1. Rôle de l'ALS :L'ALS est configuré avec une résolution de 16 bits et un temps d'intégration de 100ms (pour le rejet du scintillement). Le MCU hôte lit les données ALS chaque seconde via I2C. Une table de correspondance ou un algorithme mappe la valeur en lux à un rapport cyclique PWM correspondant pour le rétroéclairage de l'écran, fournissant un ajustement automatique et fluide de la luminosité.
2. Rôle du PS :Le PS est configuré avec un courant d'impulsion et un nombre d'impulsions appropriés pour la distance attendue entre la montre et le visage (par ex., ~30cm). Les seuils d'interruption sont définis : un seuil inférieur pour "objet retiré" (montre non regardée) et un seuil supérieur pour "objet détecté" (montre levée pour être vue). La broche INT est connectée à une GPIO capable de réveil sur le MCU.
3. Flux de travail d'économie d'énergie :
   • Lorsque l'utilisateur baisse le bras, le compte PS descend en dessous du seuil inférieur, déclenchant une interruption.
   • Le MCU se réveille du sommeil, lit l'état de l'interruption et commande à l'écran d'entrer dans un état d'extinction à faible consommation.
   • Le MCU peut ensuite se remettre lui-même et le capteur (à l'exception peut-être d'un mode de surveillance PS à faible consommation) en veille.
   • Lorsque l'utilisateur lève le bras pour regarder la montre, le PS détecte l'objet, déclenche une interruption, réveille le MCU, qui alimente alors complètement l'écran et l'ALS, affichant l'heure correcte à une luminosité appropriée.

Cette combinaison réduit significativement la puissance moyenne du système par rapport à un écran toujours allumé ou contrôlé uniquement par le temps.

12. Introduction au principe de fonctionnement

12.1 Principe de détection de la lumière ambiante

La fonction ALS est basée sur une photodiode, un dispositif semi-conducteur qui génère un faible courant proportionnel à l'intensité de la lumière qui l'éclaire. Dans le LTR-X1503, cette photodiode est recouverte d'un filtre qui imite la sensibilité de l'œil humain à travers le spectre visible. Le photocourant généré est très faible (picoampères à nanoampères). Un amplificateur de transimpédance intégré convertit ce courant en tension, qui est ensuite numérisée par un Convertisseur Analogique-Numérique (ADC) haute résolution. La valeur numérique est traitée et mise à disposition via les registres I2C, représentant l'éclairement en comptes qui peuvent être convertis en unités lux à l'aide d'une formule étalonnée.

12.2 Principe de détection de proximité

Le PS fonctionne sur le principe de la réflexion infrarouge active. La LED infrarouge intégrée émet de courtes impulsions de lumière à 940nm, invisible pour l'œil humain. Une photodiode dédiée séparée (différente de la diode ALS) agit comme récepteur. Lorsqu'un objet est à portée, une partie de la lumière IR émise se réfléchit sur l'objet et retourne à la photodiode réceptrice. Le capteur mesure la quantité de lumière réfléchie reçue pendant et après chaque impulsion LED. En comparant ce signal au niveau IR ambiant (mesuré lorsque la LED est éteinte), et après annulation de la diaphonie, le capteur calcule un compte de données de proximité. Un compte plus élevé indique un objet plus proche ou plus réfléchissant. Ce compte est comparé aux seuils programmés par l'utilisateur pour déclencher des interruptions.

13. Tendances technologiques

Le marché des capteurs optiques intégrés comme le LTR-X1503 est motivé par plusieurs tendances claires dans l'industrie électronique :

• Miniaturisation :Demande continue de tailles de boîtier plus petites (comme sans puce) pour s'adapter à des appareils toujours plus fins avec des écrans et des batteries plus grands.
• Intégration accrue :La tendance va au-delà de la combinaison ALS et PS. Les futurs capteurs pourraient intégrer des capteurs environnementaux supplémentaires (couleur, geste, temps de vol), réduisant encore la complexité du système.
• Intelligence à la périphérie (Edge) :Les capteurs gagnent en capacités de traitement sur puce. Au lieu de fournir uniquement des données brutes, les versions futures pourraient effectuer le calcul du lux, la logique de la machine à états de proximité et la reconnaissance de gestes en interne, n'envoyant que des notifications d'événements de haut niveau au processeur hôte, économisant encore plus d'énergie système.
• Performance améliorée :Les attentes en matière de précision, de plage dynamique et de consommation d'énergie continuent d'augmenter. Les avancées dans les procédés semi-conducteurs et la conception optique permettent des ADC à bruit plus faible et résolution plus élevée, et des LED plus efficaces.
• Standardisation et support logiciel :Des pilotes logiciels robustes et standardisés (par ex., pour Android, Linux) deviennent aussi importants que les performances matérielles, réduisant le temps de mise sur le marché pour les fabricants d'appareils.