LTR-X1503 광학 센서 데이터시트 - 통합 주변광 및 근접 감지 - I2C 인터페이스 - 3.0-3.6V - 중국어 기술 문서

1. 제품 개요

LTR-X1503는 고도로 통합된 저전압 광학 센서로, 주변광 센서와 근접 센서, 그리고 내장 적외선 발광 다이오드를 하나의 초소형 칩 규모, 무연 표면 실장 패키지에 통합했습니다. 이러한 통합 설계는 회로 설계를 간소화하고, 소형 전자 장치에 귀중한 회로 기판 공간을 절약합니다.

이 센서의 핵심 장점은 이중 기능에 있습니다. 주변광 센서는 넓은 동적 범위에서 선형적인 광도 응답을 제공하여 극도로 어두운 조건부터 극도로 밝은 조건까지 다양한 환경 조도 조건에 적합합니다. 동시에 내장된 근접 센서는 사용자가 설정 가능한 거리 내에서 물체의 유무를 감지할 수 있어, 통화 중 화면 꺼짐이나 터치스크린 비활성화와 같은 기능을 구현할 수 있습니다.

이 디바이스는 주로 모바일 기기, 컴퓨팅 기기 및 소비자 전자 시장을 대상으로 합니다. 초소형 크기, 슬립 모드를 갖춘 저전력 특성 및 I2C 디지털 인터페이스로 인해 스마트폰, 태블릿, 노트북, 웨어러블 기기 및 IoT 기기에 이상적인 선택지가 되며, 이러한 애플리케이션에서는 효율적인 전원 관리와 공간 활용이 핵심 제약 요소입니다.

1.1 핵심 특성 및 장점

• 단일 패키지 듀얼 센싱:주변광 센서와 근접 센서를 통합하여 부품 수와 PCB 점유 면적을 줄였습니다.
• 디지털 I2C 인터페이스:표준 모드(100kHz) 및 고속 모드(400kHz)를 지원하여 메인 마이크로컨트롤러와의 통신이 용이합니다.
• 초저전력 운영:작동 및 대기 모드를 갖추고 있습니다. 두 센서가 동시에 작동할 때의 일반 공급 전류는 160 uA이며, 대기 전류는 1 uA까지 낮아질 수 있어 배터리 수명이 현저히 연장됩니다.
• 프로그래머블 인터럽트 기능:근접 센서는 프로그래머블 상/하한 임계값과 히스테리시스 기능을 갖춘 인터럽트 시스템을 포함합니다. 이를 통해 메인 프로세서가 센서를 지속적으로 폴링할 필요가 없어져 전체 시스템 효율이 향상되고 에너지 절약 효과가 있습니다.
• 고성능 주변광 센서:16비트 유효 분해능을 제공하며, 넓은 범위에서 선형 응답을 보이고, 스펙트럼 응답이 인간의 눈에 가깝습니다. 인공 조명 아래에서 안정적인 측정값을 얻기 위해 50Hz/60Hz 조명 플리커에 대한 자동 억제 기능을 포함하고 있습니다.
• 견고한 근접 감지:내장 LED 드라이버, 높은 환경광 억제 능력(최대 10 klux), 16비트 분해능 및 크로스토크 제거 알고리즘을 포함하여 신뢰할 수 있는 물체 감지를 구현합니다.
• 출고 시 캘리브레이션:일회성 출장 트리밍은 장치 간 편차를 최소화하여 일관된 성능을 보장하고 최종 고객의 제조 교정 요구 사항을 완화합니다.
• 넓은 작동 범위:동작 전압 범위는 3.0V ~ 3.6V, 온도 범위는 -40°C ~ +85°C이며, 안정적인 동작을 보장하기 위해 내장된 온도 보상 회로를 갖추고 있습니다.

2. 기술 사양 상세 설명

2.1 절대 최대 정격

이러한 한계를 초과하는 스트레스는 장치에 영구적인 손상을 초래할 수 있습니다.

• 전원 전압 (VDD):3.6 V
• 디지털 I/O 핀 (SCL, SDA, INT):장치의 정상 작동에 적합합니다.
• LED 애노드 전압 (V_LED):-0.5 V ~ 4.6 V
• LED 드라이버 핀 전압 (V_LDR):-0.5 V ~ 3.6 V
• 저장 온도:-40°C ~ 100°C
• ESD 보호 (HBM):2000 V

2.2 권장 동작 조건

정상적인 장치 작동을 위해.

• 전원 전압 (VDD):3.0 V ~ 3.6 V
• LED 전원 전압 (V_LED):2.8 V ~ 4.0 V
• 동작 온도:-40°C ~ 85°C
• I2C 하이 레벨 입력:1.5 V ~ VDD
• I2C 로우 레벨 입력:0 V ~ 0.4 V

2.3 전기 및 광학 사양

사양은 일반적으로 VDD = 1.8V, Ta = 25°C 조건에서 제공됩니다.

2.3.1 전력 소비 특성

• 공급 전류(ALS와 PS 모두 동작 시):160 uA(전형값, 측정 반복률 100ms).
• ALS 동작 전류:160 uA (전형값).
• PS 동작 전류:57 uA(전형값, 8개 펄스, 100% 듀티 사이클, 32us 펄스 폭).
• 대기 전류:1 uA(전형값).
• 대기 모드에서의 웨이크업 시간:0.25 ms (전형값).

2.3.2 주변광 센서 특성

• 해상도:프로그래밍 가능한 13, 14, 15 또는 16비트 유효 해상도.
• 럭스 정확도:±10%(백색 LED 조명 조건에서의 전형값).
• 암 레벨 카운트:0에서 5 카운트 (0 lux, 16비트 해상도, 512배 이득, 100ms 적분 시간 조건).
• 적분 시간:프로그래밍 가능, 범위는 0.2 ms에서 200 ms까지.
• 플리커 노이즈 억제:50Hz/60Hz 조명의 경우, 오차는 ±5%입니다.
• 스펙트럼 응답:인접한 인간 눈의 명시각 응답.

2.3.3 근접 센서 특성

• 해상도:16비트 유효 분해능.
• 감도 피크 파장:940 nm (전형값, 집적 적외선 방출기에 대하여).
• 검출 거리:최대 20 cm까지 가능합니다(일반값, 펄스 수, 이득 및 전류 설정에 따라 구성 가능).
• LED 펄스 전류:프로그래밍 가능, 최대 186 mA(일반값).
• LED 펄스 폭:프로그래밍 가능: 8, 16, 32 또는 64 us.
• LED 펄스 수:프로그래밍 가능, 측정당 1~256개의 펄스.
• 주변광 억제:최대 10 klux(직사광선). 이 수준을 초과할 경우, 페일세이프 기능이 오작동을 방지합니다.

3. 성능 곡선 분석

3.1 ALS 스펙트럼 응답

이 센서의 주변광 포토다이오드는 CIE 명시야 발광도 함수와 일치하는 필터를 갖추고 설계되었으며, 이 함수는 인간의 눈이 빛에 반응하는 표준 응답을 정의합니다. 이는 센서가 보고하는 럭스(lux) 값이 단순한 원시 복사 에너지가 아닌, 사람이 지각하는 밝기를 정확하게 대표하도록 보장합니다. 이는 사용자가 자연스럽게 느끼는 자동 디스플레이 밝기 제어를 구현하는 데 매우 중요합니다.

3.2 PS 성능과 거리 관계

근접 센서의 성능 특성은 표준 반사체(일반적으로 반사율 88%)까지의 거리에 대한 반사 신호 강도의 함수로 나타납니다. 이 관계는 비선형이며, 역제곱 법칙을 따릅니다. 도표는 일반적인 설정(예: VDD=1.8V, LED 전류 104mA, 16개 펄스)에서 명확하게 측정 가능한 신호를 얻을 수 있음을 보여주며, 이를 통해 특정 적용 거리(예: 휴대폰 수화기 감지를 위한 5cm)에 대해 신뢰할 수 있는 감지 임계값을 설정할 수 있습니다.

3.3 ALS 각도 응답

传感器的角度响应图（针对X轴和Y轴）显示了测量光强如何随入射角变化。对于大多数环境光传感应用，完美的余弦（朗伯）响应是理想的。LTR-X1503表现出接近这种理想的响应，确保无论主光源相对于传感器的方向如何，都能获得准确的读数。在极端角度（> ±60度）下与理想余弦响应的偏差，由于封装和光学设计的限制，在大多数传感器中是典型的。

4. 기계 및 패키징 정보

LTR-X1503은 초소형 8핀 칩 스케일 표면 실장 패키지로 제공됩니다. 정확한 외형 치수는 데이터시트의 치수도에 제공되며, 여기에는 상면도, 측면도, 하면도와 함께 패키지 길이, 너비, 높이, 핀 피치 및 패드 크기와 같은 주요 치수가 표기되어 있습니다. 이 정보는 PCB 패키지 설계 및 최종 제품에서의 올바른 기계적 장착을 보장하는 데 중요합니다.

4.1 핀 구성 및 기능

• 핀 1 (VDD):전원 입력 (3.0V - 3.6V).
• 핀 2 (SCL):I2C 직렬 클럭 입력.
• 핀 3 (GND):접지 연결.
• 핀 4 (LEDA):통합 적외선 LED의 애노드 연결. LED 전원 레일(V_LED)에 연결해야 합니다.
• 핀 5 (LDR):LED 드라이버 연결. 드라이버가 내장되어 있으므로 이 핀은 개방(NC) 상태로 유지해야 합니다.
• 핀 6 (NC):내부 연결 없음. 플로팅 또는 접지 가능.
• 핀 7 (INT):로우 액티브 인터럽트 출력 핀. 프로그래밍된 임계값에 기반하여 근접 이벤트(물체 감지/제거)가 발생하면 이 오픈 드레인 출력이 로우 레벨로 설정됩니다.
• 핀 8 (SDA):I2C 직렬 데이터 입력/출력 (오픈 드레인).

5. 응용 회로 및 설계 가이드

5.1 권장 응용 회로

일반적인 응용 회로는 센서, 필요한 디커플링 커패시터 및 I2C 풀업 저항을 포함합니다.

• 전원 디커플링:1uF 세라믹 커패시터(C1)를 VDD와 GND 사이에 가능한 한 가까이 배치해야 합니다. 고주파 노이즈 억제를 위해 0.1uF 커패시터(C2)를 추가로 설치할 수 있습니다.
• LED 전원 디커플링:LEDA 핀(및 V_LED 전원 레일)과 GND 사이에 1uF 커패시터(C3)를 배치하는 것이 좋습니다.
• I2C 풀업 저항:SCL 및 SDA 라인에는 1 kΩ에서 10 kΩ 사이의 저항(Rp1, Rp2)이 필요합니다. 구체적인 저항 값은 버스 커패시턴스와 요구되는 상승 시간에 따라 달라집니다; 저항 값이 낮을수록 풀업 능력은 강해지지만 전류 소비는 증가합니다. INT 라인을 사용하는 경우에도 유사한 풀업 저항이 필요할 수 있습니다.

5.2 전원 시퀀스

주요 요구사항:잠재적인 래치업 또는 손상을 방지하기 위해 올바른 전원 시퀀스를 반드시 따라야 합니다.

• 전원 인가:VDD(주 논리 전원)는 반드시이전전원 인가.
• 전원 차단:V_LED는 반드시이전 VDD.

전원 차단.

6. 납땜 및 조립 가이드

이 부품은 표면 실장 장치(SMD)로, 대량 전자 제조에서 일반적으로 사용되는 리플로우 솔더링 공정에 사용하도록 설계되었습니다.

6.1 리플로우 솔더링 온도 프로파일

• 구체적인 데이터시트가 온도 프로파일을 상세히 명시하지 않을 수 있으나, 표준 무연(RoHS 준수) 리플로우 솔더링 프로파일이 적용 가능합니다. 일반적으로 다음을 포함합니다:예열/가열:
• 플럭스를 활성화하고 열 충격을 최소화하기 위해 약 150-200°C까지 느린 속도(초당 1-3°C)로 가열합니다.보온 구역:
• 150-200°C에서 60-120초 동안 플랫폼 기간을 유지하여 전체 회로 기판의 온도가 균일하게 되고 휘발물이 증발되도록 합니다.리플로우 구역:
• 피크 온도까지 빠르게 가열합니다. 피크 온도는 패키지의 최대 정격값(예: 단시간 동안 260°C, 245°C 이상에서 10-30초)을 초과해서는 안 됩니다.냉각:

제어된 냉각 단계.

패키지의 습도 민감도 등급을 확인하십시오. 장치가 정격 임계값을 초과하는 환경 습도에 노출된 경우 적절한 베이킹 및 처리 절차를 따르십시오.

6.2 저장 조건

7. 포장 및 주문 정보

LTR-X1503은 자동 표면 실장기에 적합한 테이프 릴 형태로 제공됩니다.

• 부품 번호:LTR-X1503
• 패키지 유형:8핀 칩 스케일 패키지.
• 포장:리본 테이프.
• 권당 표준 수량:3,000 매.

8. 적용 제안

8.1 대표적 적용 시나리오

• 스마트폰/태블릿:자동 화면 밝기 조절(ALS) 및 통화 중 장치를 귀에 가까이 댈 때 화면 소등/터치 비활성화(PS).
• 노트북과 디스플레이:환경광에 따른 동적 백라이트 조절로 전력 소모 절감 및 시청 편의성 향상.
• 웨어러블 디바이스:제스처로 깨우거나 사용자가 디바이스를 주시할 때 활성화 표시(PS) 및 밝기 관리.
• 소비자 가전:가전제품의 자동 스위치 제어, 비접촉식 스위치 및 존재 감지.

8.2 설계 고려사항과 모범 사례

• 광로:주변광 센서가 명확하고 가림 없는 광로를 확보하도록 합니다. 근접 센서의 경우, 적외선이 효과적으로 방출되고 반사광이 효과적으로 돌아올 수 있도록 윈도우나 개구부를 설계하세요. 센서를 짙은 색상이나 적외선을 흡수하는 재료 뒤에 배치하지 않도록 합니다.
• 적외선 간섭:근접 센서는 940nm 적외선을 사용합니다. 햇빛과 일부 인공 광원에는 적외선 성분이 포함되어 있습니다. 센서의 높은 환경광 억제 및 크로스토크 제거 기능이 도움이 되지만, 직접적이고 강력한 적외선 광원으로부터 멀리 떨어뜨리면 성능이 개선될 수 있습니다.
• I2C 버스 관리:인터럽트 기능을 활용하여 메인 MCU를 슬립 모드로 전환하고, 근접 이벤트 발생 시에만 이를 깨웁니다. 빠른 밝기 변화를 추적해야 하는 경우를 제외하고, 주변광 센서는 적당한 속도(예: 초당 한 번)로 폴링합니다.
• 임계값 캘리브레이션:커버 글래스 두께, 반사율 및 내부 반사(크로스토크)를 고려하기 위해 근접 센서의 감지 임계값은 최종 제품 외관 내에서 캘리브레이션해야 합니다. 이는 일반적으로 제조 과정에서 수행됩니다.

9. 기술 대비 및 차별화

LTR-X1503은 통합 ALS/PS 솔루션 시장에서 경쟁합니다. 주요 차별화 강점은 다음과 같을 수 있습니다:

• 고도 통합:적외선 발광기와 센서를 동일 패키지에 통합하는 것은 분리형 적외선 LED가 필요한 솔루션과 비교하여 BOM을 줄이고 광학 정렬을 단순화한다는 상당한 장점이 있습니다.
• 성능:두 센서 모두 16비트 해상도, 높은 주변광 억제(10 klux), 프로그래밍 가능한 측정 파라미터 등의 특성을 갖추어 설계 유연성과 견고한 성능을 제공합니다.
• 에너지 효율:경쟁력 있는 낮은 동작 전류 및 대기 전류는 배터리 구동 장치에 매우 중요합니다.
• 디지털 인터페이스:I2C 인터페이스는 표준적이고 광범위하게 지원되는 버스로, 통합을 간단하고 직관적으로 만듭니다.

10. 자주 묻는 질문 (기술 사양 기반)

10.1 근접 센서의 감지 거리는 어떻게 설정하나요?

감지 거리는 단일 고정 매개변수가 아니라, 여러 개의 구성 가능한 설정(LED 펄스 전류, 펄스 폭, 펄스 수 및 수신기 이득)의 결과입니다. LED 전류, 펄스 수 또는 이득을 증가시키면 반사 신호 강도가 증가하여 더 먼 거리나 반사율이 낮은 물체를 감지할 수 있습니다. 구체적인 '감지' 임계값은 최종 제품에서 원하는 거리에서의 근접 센서 데이터 카운트를 특성화하여 사용자가 인터럽트 임계값 레지스터에 설정합니다.

10.2 VDD와 V_LED 사이의 전원 시퀀스가 중요한 이유는 무엇인가요?

부정확한 시퀀싱은 내부 ESD 보호 구조나 논리 회로를 통해 큰 서지 전류가 흐르게 하여, 래치업(장치 손상을 일으킬 수 있는 고전류 상태)을 유발할 수 있습니다. 지정된 시퀀스(VDD 먼저, 그 다음 V_LED 전원 인가; V_LED 먼저, 그 다음 VDD 전원 차단)를 따르면 더 높은 전압의 LED 전원이 인가되거나 제거되기 전에 내부 트랜지스터가 올바르게 바이어스되도록 보장합니다.

10.3 근접 센서에서 "크로스토크 제거"는 무엇을 의미하나요?

크로스토크는 디바이스 모듈 또는 그 커버 내부의 내부 반사로, 발신기에서 나온 적외선이 외부 물체에 반사되지 않고 직접 근접 센서 포토다이오드에 도달하는 현상을 말합니다. 이는 배경 오프셋을 생성하여 오작동을 유발하거나 감도를 저하시킬 수 있습니다. LTR-X1503은 알고리즘(일반적으로 LED가 꺼진 상태의 기준선 측정 포함)을 사용하여 이러한 크로스토크 성분을 측정하고 최종 근접 센서 데이터에서 이를 차감함으로써 물체 감지 정확도를 향상시킵니다.

10.4 주변광 센서가 50/60Hz 플리커 억제를 어떻게 구현하는가?

교류 전원으로 구동되는 백열등과 형광등은 100Hz 또는 120Hz(전원 주파수의 2배)에서 강도가 변동한다. 센서의 적분 시간이 플리커 주기의 정수배(예: 10ms, 20ms, 100ms)인 경우, 완전한 광주기에 대해 평균을 내어 변화를 상쇄하고 안정된 럭스(lux) 측정값을 제공한다. 센서의 적분 시간은 이러한 억제를 구현하기 위해 해당 주기의 정수배로 프로그래밍 가능하다.

11. 설계 및 사용 사례 연구

11.1 스마트워치에서 에너지 절약형 디스플레이 제어 구현

시나리오:스마트워치는 배터리 지속 시간을 극대화해야 합니다. 디스플레이는 야외에서는 밝게, 실내에서는 어둡게 조절되어야 하며, 사용되지 않을 때(예: 사용자가 팔을 내린 상태) 완전히 꺼져야 합니다.

LTR-X1503을 사용하여 구현:

1. ALS 역할:주변광 센서는 16비트 해상도와 100ms 적분 시간(플리커 억제용)으로 설정됩니다. 메인 MCU는 I2C를 통해 초당 한 번씩 주변광 센서 데이터를 읽습니다. 룩업 테이블 또는 알고리즘을 통해 럭스 값을 디스플레이 백라이트에 대응하는 PWM 듀티 사이클로 매핑하여 부드러운 자동 밝기 조절을 구현합니다.
2. PS 역할:근접 센서는 예상 시청 거리(예: 약 30cm)에 따라 적절한 펄스 전류와 개수를 설정합니다. 인터럽트 임계값을 설정합니다: 하나는 '물체 제거'(시계 미시청)를 위한 하한 임계값, 다른 하나는 '물체 감지'(시계 들어서 시청)를 위한 상한 임계값입니다. INT 핀은 MCU의 웨이크업 기능이 있는 GPIO에 연결됩니다.
3. 에너지 절약 워크플로:
   • 사용자가 팔을 내리면 근접 센서 카운트가 하한 임계값 이하로 떨어져 인터럽트를 트리거합니다.
   • MCU가 슬립 모드에서 깨어나 인터럽트 상태를 읽고 디스플레이에 저전력 종료 상태로 전환하도록 명령합니다.
   • 그런 다음 MCU는 자체와 센서(저전력 근접 센서 모니터링 모드를 제외할 수 있음)를 다시 슬립 모드로 전환할 수 있습니다.
   • 사용자가 팔을 들어 시계를 볼 때, 근접 센서가 물체를 감지하여 인터럽트를 트리거하고 MCU를 깨웁니다. 그런 다음 MCU는 디스플레이와 환경광 센서에 완전히 전원을 공급하여 적절한 밝기로 정확한 시간을 표시합니다.

항상 켜져 있거나 시간 제어만 되는 디스플레이와 비교할 때, 이러한 조합은 시스템의 평균 전력 소비를 현저히 낮춥니다.

12. 작동 원리 소개

12.1 주변광 감지 원리

주변광 감지 기능은 광다이오드를 기반으로 하며, 이는 반도체 소자로서 발생하는 미세 전류가 그 위에 조사되는 빛의 강도에 비례합니다. LTR-X1503에서는 이 광다이오드가 가시광선 스펙트럼 전반에 걸쳐 인간의 눈의 민감도를 모방하는 필터로 덮여 있습니다. 발생된 광전류는 매우 작습니다(피코암페어에서 나노암페어 수준). 통합된 트랜스임피던스 증폭기가 이 전류를 전압으로 변환한 후, 고해상도 아날로그-디지털 변환기에 의해 디지털화됩니다. 디지털 값은 처리되어 I2C 레지스터를 통해 제공되며, 계수로 표현된 조도로, 보정 공식을 사용하여 럭스 단위로 변환할 수 있습니다.

12.2 근접 센싱 원리

근접 센서는 능동형 적외선 반사 원리로 작동합니다. 통합된 적외선 LED가 인간의 눈에 보이지 않는 940nm의 짧은 펄스 빛을 방출합니다. 별도의 전용 광다이오드(주변광 감지 다이오드와 다름)가 수신기 역할을 합니다. 물체가 감지 범위 내에 있을 때, 방출된 적외선의 일부가 물체에서 반사되어 수신기 광다이오드로 돌아옵니다. 센서는 각 LED 펄스 동안 및 이후에 수신된 반사광의 양을 측정합니다. 이 신호를 환경 적외선 수준(LED가 꺼졌을 때 측정)과 비교하고, 누화 제거 후, 센서는 근접 데이터 계수를 계산합니다. 계수가 높을수록 물체가 더 가깝거나 반사율이 높음을 나타냅니다. 이 계수를 사용자가 프로그래밍한 임계값과 비교하여 인터럽트를 트리거합니다.

13. 기술 트렌드

LTR-X1503과 같은 통합 광학 센서 시장은 전자 산업의 몇 가지 뚜렷한 트렌드에 의해 주도됩니다:

• 소형화:더 얇아지고, 화면은 더 커지며, 배터리는 더 커지는 기기에 적응하기 위해 칩 스케일과 같은 더 작은 패키지 크기에 대한 지속적인 수요.
• 집적도 향상:트렌드는 단순히 주변광 센싱과 근접 센싱을 결합하는 것을 넘어서고 있습니다. 향후 센서는 더 많은 환경 센서(색상, 제스처, 비행 시간)를 통합하여 시스템 복잡성을 더욱 낮출 수 있습니다.
• 에지 지능화:센서는 더 많은 온칩 처리 능력을 얻고 있습니다. 향후 버전은 원시 데이터만 제공하는 것이 아니라 내부에서 럭스 계산, 근접 상태 머신 로직 및 제스처 인식을 수행하여 고급 이벤트 알림만 메인 프로세서로 전송함으로써 시스템 전력을 더욱 절약할 수 있습니다.
• 성능 개선:정확도, 동적 범위 및 전력 소비에 대한 기대는 지속적으로 높아지고 있습니다. 반도체 공정 및 광학 설계의 발전으로 더 낮은 노이즈, 더 높은 해상도의 ADC 및 더 효율적인 LED가 가능해졌습니다.
• 표준화 및 소프트웨어 지원:Android, Linux와 같은 운영 체제를 위한 견고하고 표준화된 소프트웨어 드라이버는 하드웨어 성능만큼 중요해지고 있으며, 이는 장치 제조업체의 제품 출시 시간을 단축시킵니다.