LTR-X1503 光学センサー データシート - 統合型環境光センサー(ALS) & 近接センサー(PS) - I2Cインターフェース - 3.0-3.6V - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTR-X1503は、環境光センサー(ALS)と近接センサー(PS)、および内蔵赤外線発光素子を単一の超小型チップLED、無鉛表面実装パッケージに統合した、高集積・低電圧光学センサーです。この統合により、設計が簡素化され、コンパクトな電子機器内での基板スペースを節約できます。

本センサーの核心的な利点は、その二重機能性にあります。ALSは広いダイナミックレンジにわたって線形な測光応答を提供し、非常に暗い環境から極めて明るい環境光条件まで、幅広いアプリケーションに適しています。同時に、内蔵の近接センサーは、ユーザー設定可能な距離で物体の有無を検出でき、通話中のディスプレイ消灯やタッチスクリーンの無効化などの機能を実現します。

本デバイスは、主にモバイル、コンピューティング、および民生電子機器市場をターゲットとしています。その超小型フォームファクタ、スリープモード機能を備えた低消費電力、およびI2Cデジタルインターフェースは、効率的な電力管理とスペースが重要な制約となるスマートフォン、タブレット、ノートパソコン、ウェアラブルデバイス、IoTデバイスに最適です。

1.1 主要機能と利点

• ワンパッケージでの二重検知:環境光検知(ALS)と近接検知(PS)の両方を統合し、部品点数とPCBフットプリントを削減します。
• デジタルI2Cインターフェース:標準モード(100kHz)および高速モード(400kHz)をサポートし、ホストマイクロコントローラとの容易な通信を実現します。
• 超低消費電力動作:アクティブモードとスタンバイモードを備えています。両センサーの典型的なアクティブ時供給電流は160uAであり、スタンバイ電流はわずか1uAまで低下し、バッテリー寿命を大幅に延長します。
• プログラム可能な割り込み機能:PSは、プログラム可能な上限/下限しきい値とヒステリシスを備えた割り込みシステムを含みます。これにより、ホストプロセッサがセンサーを継続的にポーリングする必要がなくなり、システム全体の効率と省電力性が向上します。
• 高性能ALS:16ビットの実効分解能、広範囲にわたる線形応答、人間の目に近い分光応答を提供します。安定した読み取りを確保するため、50Hz/60Hz照明フリッカーの自動除去機能を含みます。
• 堅牢な近接検知:内蔵LEDドライバ、高い環境光除去能力(最大10klux)、16ビット分解能、クロストークキャンセレーションアルゴリズムを備え、信頼性の高い物体検出を実現します。
• 工場出荷時キャリブレーション:一度限りの工場トリミングにより、個体間のばらつきを最小限に抑え、一貫した性能を確保し、エンドカスタマーにおける製造時のキャリブレーション要件を緩和します。
• 広い動作範囲:3.0Vから3.6Vの電源電圧、-40°Cから+85°Cの温度範囲で動作し、安定した動作のための内蔵温度補償回路を備えています。

2. 技術仕様の詳細

2.1 絶対最大定格

これらの限界を超えるストレスは、デバイスに永久的な損傷を引き起こす可能性があります。

• 電源電圧 (VDD):3.6 V
• デジタルI/Oピン (SCL, SDA, INT):-0.5 V ～ 3.6 V
• LEDアノード電圧 (V_LED):-0.5 V ～ 4.6 V
• LEDドライバピン電圧 (V_LDR):-0.5 V ～ 3.6 V
• 保管温度:-40°C ～ 100°C
• ESD保護 (HBM):2000 V

2.2 推奨動作条件

デバイスの通常動作時。

• 電源電圧 (VDD):3.0 V ～ 3.6 V
• LED電源電圧 (V_LED):2.8 V ～ 4.0 V
• 動作温度:-40°C ～ 85°C
• I2C ハイレベル入力:1.5 V ～ VDD
• I2C ローレベル入力:0 V ～ 0.4 V

2.3 電気的・光学的仕様

仕様は、通常、VDD = 1.8V、Ta = 25°Cで与えられます。

2.3.1 電力特性

• 供給電流 (ALS & PS 両方アクティブ):160 uA (Typical, 100ms測定繰り返しレート時)。
• ALS アクティブ電流:160 uA (Typical)。
• PS アクティブ電流:57 uA (Typical, 8パルス、100%デューティ、32usパルス幅時)。
• スタンバイ電流:1 uA (Typical)。
• スタンバイからのウェイクアップ時間:0.25 ms (Typical)。

2.3.2 環境光センサー(ALS)特性

• 分解能:13、14、15、または16ビット実効にプログラム可能。
• ルクス精度:±10% (Typical, 白色LED照明下)。
• 暗レベルカウント:0 ～ 5 カウント (0ルクス、16ビット分解能、512倍ゲイン、100ms積分時間時)。
• 積分時間:0.2 ms ～ 200 ms でプログラム可能。
• フリッカーノイズ除去:50Hz/60Hz照明に対して±5%誤差。
• 分光応答:人間の目の明所視応答に近い。

2.3.3 近接センサー(PS)特性

• 分解能:16ビット実効。
• 感度ピーク波長:940 nm (Typical, 内蔵IRエミッタ用)。
• 検出距離:最大20 cm (Typical, パルス数、ゲイン、電流設定に基づき設定可能)。
• LEDパルス電流:プログラム可能、最大186 mA (Typical)。
• LEDパルス幅:プログラム可能: 8、16、32、または64 us。
• LEDパルス数:測定ごとに1～256パルスでプログラム可能。
• 環境光除去:最大10 klux (直射日光)。このレベルを超えると誤動作を防ぐフェイルセーフ機能があります。

3. 性能曲線分析

3.1 ALS分光応答

センサーの環境光フォトダイオードは、CIE明所視視感効率関数に一致するフィルターを備えて設計されており、これは人間の目による光への標準応答を定義します。これにより、センサーが報告するルクス値が、単なる放射エネルギーではなく、人が知覚する明るさを正確に表現することが保証されます。これは、ユーザーにとって自然に感じられる自動ディスプレイ輝度制御にとって重要です。

3.2 PS性能対距離

近接センサーの性能は、標準反射物体(通常88%反射率)までの距離の関数としての反射信号強度によって特徴付けられます。この関係は非線形で、逆二乗の法則に従います。グラフは、典型的な設定(例: VDD=1.8V、104mA LED電流、16パルス)で、明確で測定可能な信号が得られ、特定のアプリケーション距離(例: 電話の耳検出用5cm)に対して信頼性の高い検出しきい値を設定できることを示しています。

3.3 ALS角度応答

センサーの角度応答グラフ(X軸およびY軸)は、測定された光強度が入射角によってどのように変化するかを示します。完全な余弦(ランベルト)応答は、ほとんどの環境光検知アプリケーションに理想的です。LTR-X1503はこの理想に近い応答を示し、センサーに対する主光源の方向に関係なく正確な読み取りを保証します。極端な角度(> ±60度)での理想的な余弦応答からの偏差は、パッケージと光学設計の制約により、ほとんどのセンサーで典型的です。

4. 機械的・パッケージ情報

LTR-X1503は、超小型8ピンチップLED表面実装パッケージに収められています。正確な外形寸法はデータシートの寸法図に記載されており、パッケージ長、幅、高さ、リードピッチ、パッドサイズなどの重要な寸法を含む上面、側面、底面図が含まれます。この情報は、PCBフットプリント設計と最終製品内での適切な機械的適合性を確保するために不可欠です。

4.1 ピン構成と機能

• ピン 1 (VDD):電源入力 (3.0V - 3.6V)。
• ピン 2 (SCL):I2Cシリアルクロック入力。
• ピン 3 (GND):グランド接続。
• ピン 4 (LEDA):内蔵赤外線LEDのアノード接続。LED電源レール(V_LED)に接続する必要があります。
• ピン 5 (LDR):LEDドライバ接続。ドライバは内蔵されているため、このピンはフローティング(NC)のままにしてください。
• ピン 6 (NC):内部接続なし。未接続またはグランドに接続できます。
• ピン 7 (INT):アクティブロー割り込み出力ピン。このオープンドレイン出力は、プログラムされたしきい値に基づいて近接イベント(物体検出/除去)が発生すると、ローにアサートされます。
• ピン 8 (SDA):I2Cシリアルデータ入力/出力(オープンドレイン)。

5. アプリケーション回路と設計ガイドライン

5.1 推奨アプリケーション回路

典型的なアプリケーション回路には、センサー、必要なデカップリングコンデンサ、およびI2Cプルアップ抵抗が含まれます。

• 電源デカップリング:1uFセラミックコンデンサ(C1)をVDDとGNDの間にできるだけ近くに配置する必要があります。高周波ノイズ抑制のために、追加で0.1uFコンデンサ(C2)を追加できます。
• LED電源デカップリング:LEDAピン(およびV_LEDレール)とGNDの間に1uFコンデンサ(C3)を推奨します。
• I2Cプルアップ抵抗:SCLおよびSDAラインには1kΩから10kΩの値の抵抗(Rp1、Rp2)が必要です。正確な値はバス容量と希望の立ち上がり時間に依存します。低い値は強いプルアップを提供しますが、消費電流が増加します。INTラインを使用する場合も同様のプルアップが必要になる場合があります。

5.2 電源シーケンス

重要な要件:潜在的なラッチアップや損傷を防ぐために、適切な電源シーケンスに従う必要があります。

• 電源投入:VDD(メインロジック電源)は、V_LED(LED電源)よりも前に
• 電源遮断:V_LEDは、VDDよりも VDD.

前に

6. はんだ付けと組立ガイドライン

本コンポーネントは、大量生産電子機器製造で一般的なリフローはんだ付けプロセス用に設計された表面実装デバイス(SMD)です。

6.1 リフローはんだ付けプロファイル

• 特定のデータシートにプロファイルが詳細に記載されていない場合でも、標準的な無鉛(RoHS準拠)リフロープロファイルが適用可能です。これには通常以下が含まれます:プリヒート/ランプ:
• フラックスを活性化し、熱衝撃を最小限に抑えるために、約150-200°Cまで徐々に上昇(1-3°C/秒)。ソークゾーン:
• 150-200°Cで60-120秒間のプラトーを設け、基板全体の温度を均一にし、揮発性物質を蒸発させます。リフローゾーン:
• ピーク温度まで急速に上昇。ピーク温度は最大パッケージ定格(短時間で260°C、例: 245°C以上で10-30秒)を超えてはなりません。冷却:

制御された冷却段階。

デバイスが定格しきい値を超える環境湿度にさらされた場合は、パッケージの湿気感受性レベル(MSL)を確認し、適切なベーキングおよび取り扱い手順に従ってください。

6.2 保管条件

酸化や湿気吸収を防ぐために、デバイスは乾燥剤入りの元の防湿バッグに入れ、制御された環境(通常<40°C、相対湿度<90%)で保管する必要があります。

7. パッケージングと注文情報

• LTR-X1503は、自動ピックアンドプレース組立機に適したテープアンドリール形式で供給されます。型番:
• LTR-X1503パッケージタイプ:
• 8ピンチップLEDパッケージ。パッケージング:
• テープアンドリール。リールあたりの標準数量:

3,000個。

8. アプリケーション提案

• 8.1 典型的なアプリケーションシナリオスマートフォン/タブレット:
• 自動画面輝度調整(ALS)および通話中にデバイスを耳に当てた際の画面消灯/タッチ無効化(PS)。ノートパソコン & モニター:
• 環境光に基づく省電力と視認性の向上のための動的バックライト調整。ウェアラブルデバイス:
• ユーザーがデバイスを見たときのジェスチャー起動またはディスプレイアクティベーション(PS)、および輝度管理。民生電子機器:

家電製品の自動オン/オフ制御、非接触スイッチ、存在検知。

• 8.2 設計上の考慮事項とベストプラクティス光路:
• ALSに対して環境への明確で遮られない光路を確保してください。PSについては、IR光が効率的に放出され、反射光が戻るようにウィンドウまたは開口部を設計してください。センサーを暗いまたはIR吸収性の材料の背後に配置しないでください。IR汚染:
• 近接センサーは940nmのIR光を使用します。日光や一部の人工光にはIR成分が含まれています。センサーの高い環境光除去能力とクロストークキャンセレーションが役立ちますが、直接的な強いIR光源から離して配置することで性能が向上します。I2Cバス管理:
• 割り込み機能を利用して、ホストMCUをスリープ状態にし、近接イベントが発生したときのみウェイクアップします。急速な輝度変化を追跡する必要がない限り、ALSは適度なレート(例: 1秒に1回)でポーリングします。しきい値キャリブレーション:

PS検出しきい値は、カバーガラスの厚さ、反射率、内部反射(クロストーク)を考慮して、最終製品筐体内でキャリブレーションする必要があります。これは通常、製造時に実施されます。

9. 技術比較と差別化

• LTR-X1503は、他の統合型ALS/PSソリューションが存在する市場で競合しています。その主な差別化要因には以下が含まれます:高度な統合:
• センサーと同じパッケージ内にIRエミッタを組み込むことは、個別のIR LEDを必要とするソリューションと比較して、部品点数(BOM)を削減し、光学アライメントを簡素化するという大きな利点です。性能:
• 両センサーでの16ビット分解能、高い環境光除去(10klux)、プログラム可能な測定パラメータなどの機能により、設計の柔軟性と堅牢な性能を提供します。電力効率:
• 競争力のある低アクティブ電流およびスタンバイ電流は、バッテリー駆動デバイスにとって重要です。デジタルインターフェース:

I2Cインターフェースは標準的で広くサポートされているバスであり、統合を容易にします。

10. よくある質問(技術パラメータに基づく)

10.1 近接センサーの検出距離はどのように設定しますか？

検出距離は単一の固定パラメータではなく、いくつかの設定可能な設定の結果です: LEDパルス電流、パルス幅、パルス数、および受信機ゲイン。LED電流、パルス数、またはゲインを増やすことで、反射信号強度が増加し、より遠い距離または反射率の低い物体の検出が可能になります。"検出"の特定のしきい値は、最終製品で希望の距離におけるPSデータカウントを特性評価することにより、ユーザーが割り込みしきい値レジスタで設定します。

10.2 VDDとV_LED間の電源シーケンスが重要なのはなぜですか？

不適切なシーケンスにより、内部ESD保護構造やロジック回路に大きな突入電流が流れ、ラッチアップ(デバイスを損傷する可能性のある高電流状態)を引き起こす可能性があります。指定されたシーケンス(VDDを先に投入、次にV_LED投入。V_LEDを先に遮断、次にVDD遮断)に従うことで、より高電圧のLED電源が印加または除去される前に内部トランジスタが適切にバイアスされることが保証されます。

10.3 PSにおける"クロストークキャンセレーション"とは何を意味しますか？

クロストークとは、デバイスモジュールまたはそのカバー内での内部反射を指し、エミッタからのIR光が外部物体で反射することなく直接PSフォトダイオードに到達する現象です。これにより、誤動作を引き起こしたり感度を低下させたりする背景オフセットが生じます。LTR-X1503は、このクロストーク成分を測定し、最終的なPSデータから減算するアルゴリズム(多くの場合、LEDをオフにしたベースライン測定を含む)を組み込んでおり、物体検出の精度を向上させます。

10.4 ALSはどのようにして50/60Hzフリッカー除去を実現しますか？

AC電源で駆動される白熱灯や蛍光灯は、100Hzまたは120Hz(商用周波数の2倍)で強度が変動します。センサーの積分時間がフリッカー周期の倍数(例: 10ms、20ms、100ms)である場合、完全な光サイクルにわたって平均化され、変動が相殺されて安定したルクス値が得られます。センサーの積分時間は、この除去を可能にするためにこれらの周期の倍数になるようにプログラム可能です。

11. 設計と使用事例

11.1 スマートウォッチにおける省電力ディスプレイ制御の実装シナリオ:

スマートウォッチはバッテリー寿命を最大化する必要があります。ディスプレイは屋外では明るく、室内では暗く、見られていないとき(例: ユーザーの腕が下がっているとき)は完全にオフにする必要があります。

1. LTR-X1503による実装:ALSの役割:
2. ALSは16ビット分解能と100ms積分時間(フリッカー除去用)で設定されます。ホストMCUはI2C経由で毎秒ALSデータを読み取ります。ルクス値をディスプレイバックライトの対応するPWMデューティサイクルにマッピングするルックアップテーブルまたはアルゴリズムを使用し、滑らかな自動輝度調整を提供します。PSの役割:
3. PSは、予想されるウォッチから顔までの距離(例: ~30cm)に適したパルス電流とカウントで設定されます。割り込みしきい値は設定されます: "物体除去"(ウォッチが見られていない)用の下限しきい値と"物体検出"(ウォッチを上げて見る)用の上限しきい値。INTピンはMCUのウェイクアップ可能なGPIOに接続されます。
   • 省電力ワークフロー:
   • ユーザーが腕を下げると、PSカウントが下限しきい値を下回り、割り込みがトリガーされます。
   • MCUはスリープからウェイクアップし、割り込みステータスを読み取り、ディスプレイに低電力オフ状態に入るよう命令します。
   • MCUはその後、自身とセンサー(おそらく低電力PS監視モードを除く)をスリープ状態に戻すことができます。

ユーザーが腕を上げてウォッチを見ると、PSが物体を検出し、割り込みをトリガーし、MCUをウェイクアップさせ、その後MCUはディスプレイとALSを完全に電源投入し、適切な輝度で正しい時刻を表示します。

この組み合わせにより、常時点灯または時間制御のみのディスプレイと比較して、システム平均電力を大幅に削減できます。

12. 動作原理の紹介

12.1 環境光検知の原理

ALS機能は、フォトダイオードに基づいています。フォトダイオードは、半導体デバイスであり、入射する光の強度に比例した小さな電流を生成します。LTR-X1503では、このフォトダイオードは、可視スペクトル全体で人間の目の感度を模倣するフィルターで覆われています。生成される光電流は非常に小さく(ピコアンペアからナノアンペア)、内蔵のトランスインピーダンスアンプがこの電流を電圧に変換し、その後高分解能アナログ-デジタルコンバータ(ADC)によってデジタル化されます。デジタル値は処理され、I2Cレジスタを介して利用可能になり、キャリブレーションされた式を使用してルクス単位に変換できる照度をカウントで表します。

12.2 近接検知の原理

PSは、アクティブ赤外線反射の原理で動作します。内蔵赤外線LEDは、人間の目には見えない940nmの光の短いパルスを発光します。別個の専用フォトダイオード(ALSダイオードとは異なる)が受信機として機能します。物体が範囲内にあると、発光されたIR光の一部が物体で反射され、受信機フォトダイオードに戻ります。センサーは、各LEDパルス中および後に受信した反射光の量を測定します。この信号を環境IRレベル(LEDがオフのときに測定)と比較し、クロストークキャンセレーションの後、センサーは近接データカウントを計算します。カウントが高いほど、より近いまたは反射率の高い物体を示します。このカウントは、ユーザープログラムされたしきい値と比較され、割り込みをトリガーします。

13. 技術トレンド

• LTR-X1503のような統合型光学センサーの市場は、電子産業におけるいくつかの明確なトレンドによって牽引されています:小型化:
• より大きなディスプレイとバッテリーを備えたますます薄いデバイスに適合するための、より小さなパッケージサイズ(チップLEDなど)への継続的な需要。統合の増加:
• ALSとPSの統合を超えたトレンドです。将来のセンサーは、追加の環境センサー(色、ジェスチャー、ToF)を統合し、システムの複雑さをさらに軽減する可能性があります。エッジでのインテリジェンス:
• センサーはより多くのオンチップ処理能力を獲得しています。生データを提供するだけでなく、将来のバージョンでは、ルクス計算、近接状態マシンロジック、ジェスチャー認識を内部で実行し、ホストプロセッサに高レベルのイベント通知のみを送信することで、システム電力をさらに節約する可能性があります。性能の向上:
• 精度、ダイナミックレンジ、消費電力に対する期待は引き続き高まっています。半導体プロセスと光学設計の進歩により、低ノイズ、高分解能ADC、より効率的なLEDが可能になります。標準化とソフトウェアサポート: