Scheda Tecnica Sensore Ottico LTR-X1503 - Integra ALS e PS - Interfaccia I2C - 3.0-3.6V - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Il LTR-X1503 è un sensore ottico altamente integrato e a bassa tensione che combina un sensore di luce ambientale (ALS) e un sensore di prossimità (PS) con un emettitore a infrarossi integrato in un unico package di montaggio superficiale, miniaturizzato, senza piombo e senza fili (chipled). Questa integrazione semplifica la progettazione e risparmia spazio sulla scheda nei dispositivi elettronici compatti.

Il vantaggio principale di questo sensore risiede nella sua doppia funzionalità. L'ALS fornisce una risposta fotometrica lineare su un ampio intervallo dinamico, rendendolo adatto ad applicazioni che vanno da condizioni di illuminazione ambientale molto scure a estremamente luminose. Contemporaneamente, il sensore di prossimità integrato può rilevare la presenza o l'assenza di un oggetto a una distanza configurabile dall'utente, abilitando funzionalità come lo spegnimento del display durante le chiamate telefoniche o la disattivazione del touchscreen.

Il dispositivo è principalmente rivolto ai mercati dei dispositivi mobili, informatici e dell'elettronica di consumo. Il suo fattore di forma ultra-piccolo, il basso consumo energetico con modalità di sospensione e l'interfaccia digitale I2C lo rendono ideale per smartphone, tablet, laptop, dispositivi indossabili e dispositivi IoT dove la gestione efficiente dell'energia e lo spazio sono vincoli critici.

1.1 Caratteristiche e Vantaggi Principali

• Doppia Rilevazione in un Unico Package:Integra sia la rilevazione della luce ambientale (ALS) che la rilevazione di prossimità (PS), riducendo il numero di componenti e l'ingombro sul PCB.
• Interfaccia Digitale I2C:Supporta la modalità Standard (100kHz) e Fast (400kHz) per una facile comunicazione con i microcontrollori host.
• Funzionamento a Consumo Ultra-Basso:Presenta modalità attiva e di standby. La corrente di alimentazione tipica in modalità attiva è di 160 uA per entrambi i sensori, mentre la corrente di standby scende a soli 1 uA, prolungando significativamente la durata della batteria.
• Funzione di Interrupt Programmabile:Il PS include un sistema di interrupt con soglie superiore e inferiore e isteresi programmabili. Ciò elimina la necessità per il processore host di interrogare continuamente il sensore, migliorando l'efficienza complessiva del sistema e il risparmio energetico.
• ALS ad Alte Prestazioni:Offre una risoluzione effettiva a 16 bit, una risposta lineare su un ampio intervallo e una risposta spettrale vicina a quella dell'occhio umano. Include il rifiuto automatico del flicker da illuminazione a 50Hz/60Hz per garantire letture stabili sotto illuminazione artificiale.
• Rilevazione di Prossimità Robusta:Include un driver LED integrato, un'elevata capacità di soppressione della luce ambientale (fino a 10 klux), risoluzione a 16 bit e algoritmi di cancellazione del crosstalk per una rilevazione affidabile degli oggetti.
• Calibrazione in Fabbrica:Una taratura una tantum in fabbrica minimizza la variazione tra unità, garantendo prestazioni coerenti e semplificando i requisiti di calibrazione in produzione per i clienti finali.
• Ampio Intervallo di Funzionamento:Funziona da 3.0V a 3.6V e in un intervallo di temperatura da -40°C a +85°C, con un circuito di compensazione della temperatura integrato per un funzionamento stabile.

2. Approfondimento delle Specifiche Tecniche

2.1 Valori Massimi Assoluti

Sollecitazioni oltre questi limiti possono causare danni permanenti al dispositivo.

• Tensione di Alimentazione (VDD):3.6 V
• Pin I/O Digitali (SCL, SDA, INT):-0.5 V a 3.6 V
• Tensione Anodo LED (V_LED):-0.5 V a 4.6 V
• Tensione Pin Driver LED (V_LDR):-0.5 V a 3.6 V
• Temperatura di Stoccaggio:-40°C a 100°C
• Protezione ESD (HBM):2000 V

2.2 Condizioni Operative Raccomandate

Per il normale funzionamento del dispositivo.

• Tensione di Alimentazione (VDD):3.0 V a 3.6 V
• Tensione di Alimentazione LED (V_LED):2.8 V a 4.0 V
• Temperatura Operativa:-40°C a 85°C
• Ingresso Alto Livello I2C:1.5 V a VDD
• Ingresso Basso Livello I2C:0 V a 0.4 V

2.3 Specifiche Elettriche e Ottiche

Le specifiche sono tipicamente fornite a VDD = 1.8V e Ta = 25°C.

2.3.1 Caratteristiche di Potenza

• Corrente di Alimentazione (Entrambi ALS & PS Attivi):160 uA (Tipica, con frequenza di misurazione di 100ms).
• Corrente Attiva ALS:160 uA (Tipica).
• Corrente Attiva PS:57 uA (Tipica, con 8 impulsi, duty cycle 100%, larghezza impulso 32us).
• Corrente di Standby:1 uA (Tipica).
• Tempo di Risveglio dallo Standby:0.25 ms (Tipica).

2.3.2 Caratteristiche del Sensore di Luce Ambientale (ALS)

• Risoluzione:Programmabile a 13, 14, 15 o 16 bit effettivi.
• Precisione Lux:±10% (Tipica, sotto illuminazione LED bianca).
• Conteggio Livello Buio:0 a 5 conteggi (a 0 Lux, risoluzione 16 bit, guadagno 512x, integrazione 100ms).
• Tempo di Integrazione:Programmabile da 0.2 ms a 200 ms.
• Rigetto Rumore Flicker:Errore ±5% per illuminazione a 50Hz/60Hz.
• Risposta Spettrale:Vicina alla risposta fotopica dell'occhio umano.

2.3.3 Caratteristiche del Sensore di Prossimità (PS)

• Risoluzione:16 bit effettivi.
• Lunghezza d'Onda di Picco di Sensibilità:940 nm (Tipica, per l'emettitore IR integrato).
• Distanza di Rilevazione:Fino a 20 cm (Tipica, configurabile in base al numero di impulsi, guadagno e impostazioni di corrente).
• Corrente Impulso LED:Programmabile, fino a 186 mA (Tipica).
• Larghezza Impulso LED:Programmabile: 8, 16, 32 o 64 us.
• Numero di Impulsi LED:Programmabile da 1 a 256 impulsi per misurazione.
• Soppressione Luce Ambientale:Fino a 10 klux (luce solare diretta). Una funzione fail-safe previene falsi trigger al di sopra di questo livello.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

3.1 Risposta Spettrale ALS

Il fotodiodo per la luce ambientale del sensore è progettato con un filtro per corrispondere alla funzione di luminosità fotopica CIE, che definisce la risposta standard dell'occhio umano alla luce. Ciò garantisce che le letture in lux riportate dal sensore rappresentino accuratamente la luminosità percepita da una persona, piuttosto che solo l'energia radiante grezza. Questo è cruciale per il controllo automatico della luminosità del display che risulti naturale per l'utente.

3.2 Prestazioni PS vs. Distanza

Le prestazioni del sensore di prossimità sono caratterizzate dalla forza del segnale riflesso in funzione della distanza da un oggetto riflettente standard (tipicamente riflettanza 88%). La relazione non è lineare e segue la legge dell'inverso del quadrato. Il grafico mostra che con impostazioni tipiche (es. VDD=1.8V, corrente LED 104mA, 16 impulsi), si ottiene un segnale chiaro e misurabile, consentendo di impostare soglie di rilevazione affidabili per distanze applicative specifiche (es. 5cm per la rilevazione dell'orecchio del telefono).

3.3 Risposta Angolare ALS

I grafici della risposta angolare del sensore (per gli assi X e Y) mostrano come l'intensità della luce misurata vari con l'angolo di incidenza. Una risposta perfettamente coseno (Lambertiana) è ideale per la maggior parte delle applicazioni di rilevazione della luce ambientale. Il LTR-X1503 mostra una risposta vicina a questo ideale, garantendo letture accurate indipendentemente dalla direzione della sorgente luminosa principale rispetto al sensore. Deviazioni dalla risposta coseno ideale ad angoli estremi (> ±60 gradi) sono tipiche per la maggior parte dei sensori a causa dei vincoli del package e del design ottico.

4. Informazioni Meccaniche e Package

Il LTR-X1503 è contenuto in un package di montaggio superficiale ultra-piccolo a 8 pin senza fili (chipled). Le dimensioni esatte del contorno sono fornite nel disegno dimensionale della scheda tecnica, che include viste dall'alto, laterali e dal basso con dimensioni critiche come lunghezza, larghezza, altezza del package, passo dei terminali e dimensioni dei pad. Queste informazioni sono essenziali per il design dell'impronta sul PCB e per garantire il corretto adattamento meccanico all'interno del prodotto finale.

4.1 Configurazione e Funzione dei Pin

• Pin 1 (VDD):Ingresso alimentazione (3.0V - 3.6V).
• Pin 2 (SCL):Ingresso clock seriale I2C.
• Pin 3 (GND):Collegamento di massa.
• Pin 4 (LEDA):Collegamento anodo per il LED a infrarossi integrato. Deve essere collegato al rail di alimentazione LED (V_LED).
• Pin 5 (LDR):Collegamento driver LED. Questo pin deve essere lasciato flottante (NC) poiché il driver è interno.
• Pin 6 (NC):Nessun collegamento interno. Può essere lasciato scollegato o collegato a massa.
• Pin 7 (INT):Pin di uscita interrupt attivo basso. Questa uscita open-drain si attiva bassa quando si verifica un evento di prossimità (rilevamento/rimozione oggetto) in base alle soglie programmate.
• Pin 8 (SDA):Ingresso/uscita dati seriali I2C (open-drain).

5. Circuito Applicativo e Linee Guida di Progettazione

5.1 Circuito Applicativo Raccomandato

Un tipico circuito applicativo include il sensore, i condensatori di disaccoppiamento necessari e le resistenze di pull-up I2C.

• Disaccoppiamento Alimentazione:Un condensatore ceramico da 1uF (C1) deve essere posizionato il più vicino possibile tra VDD e GND. Un condensatore aggiuntivo da 0.1uF (C2) può essere aggiunto per la soppressione del rumore ad alta frequenza.
• Disaccoppiamento Alimentazione LED:È raccomandato un condensatore da 1uF (C3) tra il pin LEDA (e il rail V_LED) e GND.
• Resistenze di Pull-up I2C:Sono necessarie resistenze (Rp1, Rp2) con valori tra 1 kΩ e 10 kΩ sulle linee SCL e SDA. Il valore esatto dipende dalla capacità del bus e dal tempo di salita desiderato; valori più bassi forniscono un pull-up più forte ma aumentano il consumo di corrente. Una resistenza di pull-up simile può essere necessaria sulla linea INT se utilizzata.

5.2 Sequenza di Accensione/Spegnimento

Requisito Critico:Deve essere seguita la corretta sequenza di alimentazione per prevenire potenziali latch-up o danni.

• Accensione:VDD (alimentazione logica principale) deve essere attivataprimadi V_LED (alimentazione LED).
• Spegnimento:V_LED deve essere disattivataprima VDD.

di VDD.

6. Linee Guida per Saldatura e Assemblaggio

Il componente è un dispositivo a montaggio superficiale (SMD) progettato per processi di saldatura a rifusione comuni nella produzione elettronica di alto volume.

6.1 Profilo di Saldatura a Rifusione

• Sebbene la specifica scheda tecnica potrebbe non dettagliare un profilo, è applicabile un profilo di rifusione standard senza piombo (conforme RoHS). Questo tipicamente comporta:Preriscaldamento/Rampa:
• Una rampa graduale (1-3°C/secondo) fino a ~150-200°C per attivare il flussante e minimizzare lo shock termico.Zona di Soak:
• Un plateau a 150-200°C per 60-120 secondi per garantire una temperatura uniforme su tutta la scheda ed evaporare i componenti volatili.Zona di Rifusione:
• Un rapido aumento fino alla temperatura di picco. La temperatura di picco non deve superare il rating massimo del package (probabilmente 260°C per un breve periodo, es. 10-30 secondi sopra 245°C).Raffreddamento:

Una fase di raffreddamento controllata.

Consultare il livello di sensibilità all'umidità (MSL) del package e seguire le appropriate procedure di cottura e manipolazione se il dispositivo è stato esposto a umidità ambientale oltre la sua soglia nominale.

6.2 Condizioni di Stoccaggio

I dispositivi devono essere conservati nelle loro originali buste barriera all'umidità con essiccante in un ambiente controllato (tipicamente <40°C e <90% umidità relativa) per prevenire ossidazione e assorbimento di umidità.

7. Imballaggio e Informazioni d'Ordine

• Il LTR-X1503 è fornito in formato nastro e bobina adatto per macchine di assemblaggio pick-and-place automatizzate.Numero di Parte:
• LTR-X1503Tipo di Package:
• Package a 8 pin senza fili (chipled).Imballaggio:
• Nastro e Bobina.Quantità Standard per Bobina:

3.000 pezzi.

8. Suggerimenti Applicativi

• 8.1 Scenari Applicativi TipiciSmartphone/Tablet:
• Regolazione automatica della luminosità dello schermo (ALS) e spegnimento dello schermo/disattivazione del tocco durante le chiamate quando il dispositivo è tenuto all'orecchio (PS).Laptop & Monitor:
• Regolazione dinamica della retroilluminazione per risparmio energetico e comfort visivo in base alla luce ambientale.Dispositivi Indossabili:
• Risveglio al gesto o attivazione del display quando l'utente guarda il dispositivo (PS) e gestione della luminosità.Elettronica di Consumo:

Controllo automatico on/off in elettrodomestici, interruttori senza contatto e rilevazione di presenza.

• 8.2 Considerazioni di Progettazione e Best PracticePercorso Ottico:
• Assicurare un percorso ottico chiaro e non ostruito verso l'ambiente per l'ALS. Per il PS, progettare la finestra o l'apertura per consentire alla luce IR di uscire e alla luce riflessa di tornare in modo efficiente. Evitare di posizionare il sensore dietro materiali scuri o assorbenti IR.Contaminazione IR:
• Il sensore di prossimità utilizza luce IR a 940nm. La luce solare e alcune luci artificiali contengono componenti IR. L'elevata soppressione della luce ambientale e la cancellazione del crosstalk del sensore aiutano, ma posizionarlo lontano da sorgenti IR dirette e forti migliora le prestazioni.Gestione Bus I2C:
• Utilizzare la funzione di interrupt per mettere in sospensione l'MCU host, risvegliandolo solo quando si verifica un evento di prossimità. Interrogare l'ALS a una frequenza moderata (es. una volta al secondo) a meno che non sia necessario tracciare rapidi cambiamenti di luminosità.Calibrazione Soglie:

La soglia di rilevazione del PS deve essere calibrata nell'involucro del prodotto finale per tenere conto dello spessore del vetro di copertura, della riflettività e delle riflessioni interne (crosstalk). Questo viene tipicamente fatto durante la produzione.

9. Confronto Tecnico e Differenziazione

• Il LTR-X1503 compete in un mercato con altre soluzioni integrate ALS/PS. I suoi principali fattori di differenziazione includono probabilmente:Elevato Livello di Integrazione:
• Combinare l'emettitore IR nello stesso package dei sensori è un vantaggio significativo, riducendo la lista dei materiali (BOM) e semplificando l'allineamento ottico rispetto a soluzioni che richiedono un LED IR discreto.Prestazioni:
• Caratteristiche come la risoluzione a 16 bit per entrambi i sensori, l'elevato rigetto della luce ambientale (10 klux) e i parametri di misurazione programmabili offrono flessibilità di progettazione e prestazioni robuste.Efficienza Energetica:
• Correnti attive e di standby competitive sono critiche per i dispositivi alimentati a batteria.Interfaccia Digitale:

L'interfaccia I2C è un bus standard e ampiamente supportato, rendendo l'integrazione semplice.

10. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

10.1 Come si imposta la distanza di rilevazione per il sensore di prossimità?

La distanza di rilevazione non è un singolo parametro fisso, ma il risultato di diverse impostazioni configurabili: corrente dell'impulso LED, larghezza dell'impulso, numero di impulsi e guadagno del ricevitore. Aumentando la corrente LED, il numero di impulsi o il guadagno, la forza del segnale riflesso aumenta, consentendo la rilevazione di oggetti a una distanza maggiore o con riflettività inferiore. La soglia specifica per la "rilevazione" è impostata dall'utente nei registri delle soglie di interrupt caratterizzando il conteggio dati del PS alla distanza desiderata nel prodotto finale.

10.2 Perché la sequenza di alimentazione tra VDD e V_LED è importante?

Una sequenza impropria può causare un'elevata corrente di spunto attraverso le strutture di protezione ESD interne o i circuiti logici, potenzialmente portando a latch-up, uno stato ad alta corrente che può danneggiare il dispositivo. Seguire la sequenza specificata (VDD poi V_LED accesi; V_LED poi VDD spenti) garantisce che i transistor interni siano polarizzati correttamente prima che l'alimentazione LED a tensione più alta venga applicata o rimossa.

10.3 Cosa significa "cancellazione del crosstalk" per il PS?

Il crosstalk si riferisce alla riflessione interna all'interno del modulo del dispositivo o del suo coperchio, dove la luce IR dall'emettitore raggiunge direttamente il fotodiodo PS senza riflettersi su un oggetto esterno. Ciò crea un offset di fondo che può causare falsi trigger o ridurre la sensibilità. Il LTR-X1503 incorpora algoritmi (spesso coinvolgendo una misurazione di base con il LED spento) per misurare e sottrarre questa componente di crosstalk dai dati finali del PS, migliorando l'accuratezza della rilevazione degli oggetti.

10.4 Come fa l'ALS a ottenere il rigetto del flicker a 50/60Hz?

Le luci a incandescenza e fluorescenti alimentate dalla rete AC fluttuano in intensità a 100Hz o 120Hz (il doppio della frequenza di linea). Se il tempo di integrazione del sensore è un multiplo del periodo del flicker (es. 10ms, 20ms, 100ms), esso effettua una media su cicli di luce completi, annullando la variazione e fornendo una lettura lux stabile. Il tempo di integrazione del sensore è programmabile per essere un multiplo di questi periodi per abilitare questo rigetto.

11. Studio di Caso di Progettazione e Utilizzo

11.1 Implementazione del Controllo Display a Risparmio Energetico in uno SmartwatchScenario:

Uno smartwatch deve massimizzare la durata della batteria. Il display deve essere luminoso all'aperto, attenuato all'interno e spegnersi completamente quando non viene visualizzato (es. quando il braccio dell'utente è abbassato).

1. Implementazione con LTR-X1503:Ruolo ALS:
2. L'ALS è configurato con risoluzione a 16 bit e un tempo di integrazione di 100ms (per il rigetto del flicker). L'MCU host legge i dati ALS ogni secondo via I2C. Una tabella di ricerca o un algoritmo mappa il valore lux a un corrispondente duty cycle PWM per la retroilluminazione del display, fornendo una regolazione automatica della luminosità fluida.Ruolo PS:
3. Il PS è configurato con una corrente e un numero di impulsi appropriati per la distanza prevista tra orologio e viso (es. ~30cm). Le soglie di interrupt sono impostate: una soglia inferiore per "oggetto rimosso" (orologio non guardato) e una soglia superiore per "oggetto rilevato" (orologio sollevato per la visualizzazione). Il pin INT è collegato a un GPIO capace di risveglio sull'MCU.
   • Flusso di Lavoro a Risparmio Energetico:
   • Quando l'utente abbassa il braccio, il conteggio del PS scende sotto la soglia inferiore, attivando un interrupt.
   • L'MCU si risveglia dalla sospensione, legge lo stato dell'interrupt e comanda al display di entrare in uno stato di spegnimento a basso consumo.
   • L'MCU può quindi mettere se stesso e il sensore (tranne forse una modalità di monitoraggio PS a basso consumo) nuovamente in sospensione.

Quando l'utente solleva il braccio per guardare l'orologio, il PS rileva l'oggetto, attiva un interrupt, risveglia l'MCU, che poi alimenta completamente il display e l'ALS, mostrando l'ora corretta a una luminosità appropriata.

Questa combinazione riduce significativamente la potenza media del sistema rispetto a un display sempre acceso o controllato solo dal tempo.

12. Introduzione al Principio di Funzionamento

12.1 Principio di Rilevazione della Luce Ambientale

La funzione ALS si basa su un fotodiodo, un dispositivo semiconduttore che genera una piccola corrente proporzionale all'intensità della luce che lo colpisce. Nel LTR-X1503, questo fotodiodo è coperto da un filtro che imita la sensibilità dell'occhio umano attraverso lo spettro visibile. La fotocorrente generata è molto piccola (da picoampere a nanoampere). Un amplificatore di transimpedenza integrato converte questa corrente in una tensione, che viene poi digitalizzata da un Convertitore Analogico-Digitale (ADC) ad alta risoluzione. Il valore digitale viene elaborato e reso disponibile tramite i registri I2C, rappresentando l'illuminamento in conteggi che può essere convertito in unità lux utilizzando una formula calibrata.

12.2 Principio di Rilevazione di Prossimità

Il PS opera sul principio della riflessione attiva a infrarossi. Il LED a infrarossi integrato emette brevi impulsi di luce a 940nm, invisibili all'occhio umano. Un fotodiodo separato e dedicato (diverso dal diodo ALS) funge da ricevitore. Quando un oggetto è nel raggio d'azione, parte della luce IR emessa si riflette sull'oggetto e ritorna al fotodiodo ricevitore. Il sensore misura la quantità di luce riflessa ricevuta durante e dopo ogni impulso LED. Confrontando questo segnale con il livello IR ambientale (misurato quando il LED è spento), e dopo la cancellazione del crosstalk, il sensore calcola un conteggio dati di prossimità. Un conteggio più alto indica un oggetto più vicino o più riflettente. Questo conteggio viene confrontato con le soglie programmate dall'utente per attivare gli interrupt.

13. Tendenze Tecnologiche

• Il mercato per i sensori ottici integrati come il LTR-X1503 è guidato da diverse chiare tendenze nell'industria elettronica:Miniaturizzazione:
• Domanda continua per dimensioni di package più piccole (come chipled) per adattarsi a dispositivi sempre più sottili con display e batterie più grandi.Integrazione Aumentata:
• La tendenza si sta spostando oltre la combinazione di ALS e PS. I sensori futuri potrebbero integrare sensori ambientali aggiuntivi (colore, gesti, time-of-flight), riducendo ulteriormente la complessità del sistema.Intelligenza al Bordo:
• I sensori stanno acquisendo maggiori capacità di elaborazione on-chip. Invece di fornire solo dati grezzi, le versioni future potrebbero eseguire internamente il calcolo del lux, la logica della macchina a stati di prossimità e il riconoscimento dei gesti, inviando solo notifiche di eventi di alto livello al processore host, risparmiando ulteriore energia del sistema.Prestazioni Migliorate:
• Le aspettative per accuratezza, intervallo dinamico e consumo energetico continuano a salire. I progressi nei processi semiconduttori e nel design ottico consentono rumore più basso, ADC a risoluzione più alta e LED più efficienti.Standardizzazione & Supporto Software: