Fiche technique du capteur optique LTR-X130P - Capteur intégré de proximité et de lumière ambiante - Interface I2C - 1.7V à 3.6V - Document technique en français

1. Vue d'ensemble du produit

Le LTR-X130P est un capteur optique hautement intégré et basse tension qui combine les fonctionnalités de détection de proximité (PS) et de mesure de la lumière ambiante (ALS) dans un unique boîtier miniature, sans plomb et monté en surface de type ChipLED. Sa philosophie de conception centrale vise à permettre une détection d'objets sophistiquée et une mesure de la lumière dans des applications à espace restreint et alimentées par batterie.

L'avantage principal du capteur réside dans son intégration au niveau système. Il intègre un émetteur infrarouge (LED), des photodiodes pour la lumière visible et infrarouge, des convertisseurs analogique-numérique (ADC), un contrôleur d'interruption programmable et une interface numérique complète I2C. Cette intégration réduit considérablement le nombre de composants externes et simplifie la conception du circuit imprimé. Une caractéristique clé de performance est son excellente suppression de la lumière ambiante, lui permettant de fonctionner avec précision sous une lumière solaire directe jusqu'à 100 000 lux, le rendant adapté aux environnements extérieurs ou intérieurs très éclairés. La fonction d'interruption programmable permet au microcontrôleur hôte d'entrer en mode veille basse consommation, ne se réveillant que lorsque des seuils de proximité spécifiques sont franchis, optimisant ainsi l'efficacité énergétique globale du système—un facteur critique pour les appareils mobiles et portables.

Le marché cible englobe un large éventail d'appareils électroniques grand public et informatiques. Ses applications principales incluent l'atténuation automatique du rétroéclairage et le contrôle de la luminosité de l'écran dans les smartphones, tablettes, ordinateurs portables et moniteurs, où il améliore l'expérience utilisateur et économise l'énergie. De plus, sa capacité de détection d'objets jusqu'à 10 cm est utilisée pour des fonctionnalités telles que le contrôle gestuel sans contact, la détection de présence (par exemple, éteindre un écran lorsque l'utilisateur s'éloigne) et l'évitement simple d'obstacles dans divers appareils.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Spécifications électriques et optiques

Toutes les spécifications sont généralement mesurées avec VDD = 2,8V et une température de fonctionnement (T_ope) de 25°C, sauf indication contraire.

Caractéristiques d'alimentation :
Le capteur fonctionne avec une large plage de tension d'alimentation de 1,7V à 3,6V, compatible avec les sorties de batterie courantes et les rails d'alimentation régulés. Le courant d'alimentation typique pendant une mesure active est de 95 µA avec un cycle de service maximal. Une caractéristique importante pour l'économie d'énergie est le mode veille (arrêt), qui ne consomme que 1 µA. Le temps de réveil depuis ce mode veille jusqu'à la disponibilité pour une mesure active est typiquement de 10 ms, permettant une réponse rapide tout en maintenant une consommation moyenne très faible.

Caractéristiques du capteur de proximité (PS) :
La fonction PS est hautement configurable. La résolution effective est sélectionnable entre 8, 9, 10 et 11 bits, permettant aux concepteurs d'arbitrer entre la précision de mesure et la vitesse de conversion. L'émetteur IR intégré fonctionne à une longueur d'onde pic de 940 nm. Le courant de commande de la LED est programmable par paliers : 2,5, 5, 10, 25, 50, 75, 100 et 125 mA, permettant d'ajuster la portée de détection et la consommation. La LED émet des impulsions à une fréquence de 60 kHz à 100 kHz avec un cycle de service de 50%. Le nombre d'impulsions par cycle de mesure est configurable de 1 à 255, influençant directement le temps d'intégration et la sensibilité. Dans des conditions typiques (32 impulsions, 60 kHz, commande à 100 mA, cible carte grise à 18%), le capteur peut détecter des objets à une distance allant jusqu'à 10 cm. Sa capacité de rejet de la lumière ambiante est spécifiée pour jusqu'à 100 klux de lumière solaire directe.

2.2 Valeurs maximales absolues et conditions de fonctionnement

Valeurs maximales absolues :Ce sont les limites de contrainte qui ne doivent pas être dépassées, même momentanément, pour éviter des dommages permanents. La tension d'alimentation (VDD) ne doit pas dépasser 4,0V. Les broches d'E/S numériques (SCL, SDA, INT) et la broche LDR ont une plage de tension de -0,5V à +4,0V. L'appareil peut être stocké à des températures comprises entre -40°C et +100°C.

Conditions de fonctionnement recommandées :Elles définissent l'environnement de fonctionnement normal pour une performance fiable. VDD doit être maintenue entre 1,7V et 3,6V. L'alimentation de l'anode de la LED (VLED) nécessite une source séparée de 3,0V à 4,5V. L'interface I2C reconnaît un niveau logique haut (V_I2Chigh) à ≥1,5V et un niveau logique bas (V_I2Clow) à ≤0,4V. La plage complète de température de fonctionnement est de -40°C à +85°C, garantissant la fonctionnalité dans des environnements sévères.

2.3 Caractéristiques électriques en courant alternatif (Interface I2C)

Le capteur prend en charge la communication I2C en mode Standard (100 kHz) et en mode Rapide (400 kHz). Les paramètres de temporisation clés incluent : la fréquence d'horloge SCL (f_SCL) de 0 à 400 kHz, le temps libre du bus (t_BUF) minimum de 1,3 µs, la période basse SCL (t_LOW) minimum de 1,3 µs, la période haute SCL (t_HIGH) minimum de 0,6 µs, et le temps d'établissement des données (t_SU:DAT) minimum de 100 ns. Les temps de montée et de descente pour les signaux SDA et SCL doivent être inférieurs à 300 ns. Un filtre d'entrée supprime les pics de bruit plus courts que 50 ns.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fournit des graphiques de performance typiques essentiels pour la conception.

Comptage PS vs. Distance :Cette courbe illustre la relation entre la sortie numérique brute (comptage PS) du capteur et la distance par rapport à une carte grise standard à 18% de réflectance. La courbe est typiquement non linéaire, montrant une augmentation rapide du comptage lorsque la distance diminue très près du capteur, suivie d'un déclin plus graduel à mesure que la distance augmente. Ce graphique est crucial pour calibrer le capteur et définir des seuils d'interruption appropriés pour des plages de détection spécifiques dans une application.

Réponse angulaire de l'émetteur :Ce diagramme représente le diagramme de rayonnement spatial de la LED infrarouge intégrée. Il montre l'intensité de la lumière IR émise en fonction de l'angle par rapport à l'axe central (généralement un tracé polaire). Un diagramme typique pour ce boîtier peut montrer une distribution large, de type Lambertienne. Comprendre ce diagramme est vital pour la conception mécanique, car il influence le champ de vision effectif et la zone de détection du capteur de proximité. Un alignement correct de toute fenêtre de couverture ou lentille avec ce diagramme est nécessaire pour atteindre la portée spécifiée de 10 cm.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

Le LTR-X130P est logé dans un boîtier monté en surface ChipLED à 8 broches. Les dimensions externes sont fournies dans la fiche technique, toutes les mesures étant en millimètres. La tolérance dimensionnelle pour les caractéristiques non spécifiées est de ±0,2 mm. Le boîtier est conçu pour les processus standard de placement automatique et de soudage par refusion courants dans la fabrication électronique en grande série.

5. Recommandations de soudage et d'assemblage

Bien que les profils de refusion spécifiques ne soient pas détaillés dans l'extrait fourni, l'appareil est destiné à l'assemblage par technologie de montage en surface (SMT) standard. Il est recommandé de suivre les directives JEDEC J-STD-020 pour les profils de soudage par refusion sans plomb. Le niveau de sensibilité à l'humidité (MSL) doit être confirmé à partir de la spécification complète du boîtier. Les appareils sont généralement fournis dans un sachet sec avec un déshydratant et doivent être cuits selon les procédures standard si la carte indicateur d'humidité du sachet montre une exposition excessive à l'humidité avant utilisation.

6. Informations sur l'emballage et la commande

L'emballage standard pour le LTR-X130P est la bande et la bobine, compatible avec les équipements d'assemblage automatique. Chaque bobine contient 8000 unités. La référence est LTR-X130P.

7. Recommandations de conception d'application

7.1 Circuit d'application typique

Le circuit d'application recommandé met en évidence les considérations de conception critiques. Une exigence fondamentale est la séparation de l'alimentation numérique (VDD, 1,7-3,6V) et de l'alimentation de l'anode de la LED (VLED, 3,0-4,5V). Cette séparation est obligatoire pour garantir un courant de commande de la LED stable et empêcher le bruit des impulsions de la LED de se coupler dans les rails d'alimentation analogiques et numériques sensibles. Le circuit comprend des résistances de rappel (Rp1, Rp2, Rp3) sur les lignes SDA, SCL et INT. Leur valeur (1 kΩ à 10 kΩ) doit être sélectionnée en fonction de la capacité totale du bus et du temps de montée souhaité pour respecter les spécifications I2C. Les condensateurs de découplage sont essentiels : un condensateur céramique 1 µF ±20% X7R/X5R (C1) doit être placé aussi près que possible de la broche VDD, et un condensateur de 0,1 µF (C2) est également recommandé. Un condensateur similaire de 1 µF (C3) est utilisé sur la ligne VLED.

7.2 Configuration et fonction des broches

• Broche 1 (SDA) :Ligne de données série I2C (bidirectionnelle).
• Broche 2 (INT) :Sortie d'interruption active à l'état bas. S'active lorsqu'un événement de proximité programmable se produit.
• Broche 3 (LDR) :Connectée à la cathode de la LED. Lors de l'utilisation du pilote interne, cette broche est connectée à la broche 4 (LEDK).
• Broche 4 (LEDK) :Connexion de la cathode de la LED.
• Broche 5 (LEDA) :Connexion de l'anode de la LED. Doit être alimentée par le rail VLED séparé (3,0-4,5V).
• Broche 6 (GND) :Masse du système.
• Broche 7 (SCL) :Entrée d'horloge série I2C.
• Broche 8 (VDD) :Entrée d'alimentation numérique (1,7-3,6V).

8. Comparaison et différenciation technique

Le LTR-X130P se différencie par sa haute intégration et ses performances robustes dans des conditions difficiles. Comparé aux solutions discrètes (LED IR, photodiode et circuit de conditionnement de signal séparés), il offre une empreinte considérablement plus petite, un processus de conception simplifié et une nomenclature (BOM) réduite. Par rapport à d'autres capteurs de proximité intégrés, ses principaux avantages incluent l'immunité très élevée à la lumière ambiante de 100 klux, supérieure à celle de nombreux concurrents, et les réglages flexibles et programmables du courant de la LED et du nombre d'impulsions qui permettent un réglage fin pour des exigences spécifiques de portée, de puissance et de temps de réponse. L'étalonnage en usine garantit une variation minimale d'une unité à l'autre, améliorant le rendement de fabrication et la cohérence des produits finis.

9. Questions fréquemment posées (Basées sur les paramètres techniques)

Q : Pourquoi VDD et VLED doivent-ils être des rails d'alimentation séparés ?
A : Les impulsions de la LED peuvent consommer un courant important (jusqu'à 125 mA). Partager un rail d'alimentation provoquerait des chutes de tension importantes ou du bruit sur la ligne VDD, ce qui pourrait déstabiliser la partie analogique frontale sensible et la logique numérique du capteur, entraînant des lectures inexactes ou des réinitialisations. Des rails séparés isolent ce bruit.

Q : Comment augmenter la portée de détection au-delà de 10 cm ?
A : La portée est influencée par le courant de la LED, le nombre d'impulsions et la réflectance de la cible. Pour augmenter la portée, vous pouvez programmer un courant de LED plus élevé (jusqu'à 125 mA) et/ou augmenter le nombre d'impulsions par mesure (jusqu'à 255). Notez que cela augmentera la consommation d'énergie par cycle de mesure.

Q : Comment la fonction d'interruption aide-t-elle à économiser de l'énergie ?
A : Au lieu que le microcontrôleur hôte interroge constamment le capteur pour des lectures (maintenant le bus I2C et le CPU actifs), le capteur peut être configuré avec des seuils de proximité supérieur et inférieur. L'hôte met le capteur et lui-même en mode basse consommation. Ce n'est que lorsqu'un objet entre ou quitte la zone de proximité définie que le capteur active la ligne INT, réveillant l'hôte pour qu'il agisse. Cela minimise l'activité du système.

Q : Quel est le but de la fonction d'annulation de diaphonie ?
A : Dans un boîtier compact, une partie de la lumière IR de l'émetteur interne peut directement fuir ou se réfléchir en interne sur la photodiode sans toucher un objet externe. Cela crée un décalage permanent ou un signal de "diaphonie". Le capteur inclut un circuit pour mesurer et soustraire numériquement ce décalage, garantissant que le comptage de proximité représente véritablement la lumière réfléchie par un objet externe.

10. Études de cas de conception et d'utilisation

Étude de cas 1 : Gestion de l'écran de smartphone :Dans un smartphone, le LTR-X130P est placé près de l'écouteur. Lorsque l'utilisateur approche le téléphone de son oreille pendant un appel, le capteur détecte la proximité de la tête (à ~2-5 cm). Il déclenche une interruption vers le processeur d'application, qui éteint alors l'écran tactile pour éviter les touches accidentelles de la joue et atténue le rétroéclairage pour économiser l'énergie. Lorsque le téléphone est éloigné, l'écran est restauré.

Étude de cas 2 : Détection de présence pour kiosque interactif :Un kiosque d'information public utilise le capteur pour détecter lorsqu'une personne s'approche à moins de 50 cm. Lors de la détection, il se réveille d'un état de veille basse consommation, active l'écran et affiche une boucle d'attraction. Si personne n'est détecté pendant une période définie, il retourne en veille, réduisant considérablement la consommation d'énergie par rapport à un fonctionnement 24h/24 et 7j/7.

11. Principes de fonctionnement

Le LTR-X130P fonctionne sur le principe de la détection de proximité infrarouge active et de la mesure photométrique de la lumière ambiante. Pour la mesure de proximité, le microcontrôleur interne déclenche la LED IR intégrée pour émettre une série d'impulsions modulées à 940 nm. Tout objet devant le capteur réfléchit une partie de cette lumière. La photodiode dédiée sensible à l'IR convertit l'intensité de la lumière réfléchie en un faible photocourant. Ce courant est intégré et converti en une valeur numérique par un ADC haute résolution. La force de cette valeur numérique (comptage PS) est proportionnelle à la réflectivité et à la proximité de l'objet. Le capteur mesure simultanément la lumière ambiante à l'aide d'une photodiode séparée pour la lumière visible, dont la sortie est traitée pour soustraire la composante IR ambiante du signal de proximité, améliorant la précision.

La communication I2C suit les protocoles standard. L'appareil a une adresse esclave fixe de 7 bits à 0x53. Le contrôleur maître utilise cette adresse pour écrire dans les registres de configuration (par exemple, définir le courant de la LED, le nombre d'impulsions, les seuils d'interruption) et pour lire les données de proximité et de lumière ambiante. Les protocoles de lecture et d'écriture, y compris les écritures simples, les écritures séquentielles et les lectures en format combiné (START répété), sont implémentés conformément à la spécification I2C.

12. Tendances technologiques

L'évolution des capteurs comme le LTR-X130P suit plusieurs tendances claires de l'industrie. Il y a une poussée continue vers une intégration plus élevée, combinant plus de fonctions (par exemple, détection de couleur, reconnaissance de gestes) dans des boîtiers uniques tout en réduisant l'empreinte. L'efficacité énergétique reste primordiale, poussant à des courants actifs et de veille plus faibles et à des schémas de réveil plus intelligents. Les performances dans des environnements extrêmes s'améliorent, avec une meilleure immunité au soleil et des plages de température plus larges. De plus, il y a une tendance vers des capteurs "plus intelligents" avec des algorithmes embarqués qui fournissent des données de niveau supérieur, prétraitées (par exemple, des drapeaux "objet présent/absent" au lieu de comptages bruts) pour décharger le traitement du processeur d'application principal et simplifier le développement logiciel.