LTR-X130P 광학 센서 데이터시트 - 통합 근접 및 주변광 센서 - I2C 인터페이스 - 1.7V ~ 3.6V - 한국어 기술 문서

1. 제품 개요

LTR-X130P는 단일의 초소형 무연 표면 실장 ChipLED 패키지 내에 근접 감지(PS)와 주변광 감지(ALS) 기능을 결합한 고도로 통합된 저전압 광학 센서입니다. 이 센서의 핵심 설계 철학은 공간이 제한되고 배터리로 구동되는 애플리케이션에서 정교한 물체 감지와 광 측정을 가능하게 하는 데 있습니다.

이 센서의 주요 장점은 시스템 수준의 통합에 있습니다. 내장된 적외선 발광체(LED), 가시광 및 적외선 포토다이오드, 아날로그-디지털 변환기(ADC), 프로그래밍 가능한 인터럽트 컨트롤러, 그리고 완전한 I2C 디지털 인터페이스를 갖추고 있습니다. 이러한 통합은 외부 부품 수를 크게 줄이고 PCB 레이아웃을 단순화합니다. 주요 성능 특징으로는 최대 100,000럭스의 직사광선 조건에서도 정확하게 작동할 수 있는 우수한 주변광 억제 능력이 있어 실외 또는 밝은 실내 환경에 적합합니다. 프로그래밍 가능한 인터럽트 기능은 호스트 마이크로컨트롤러가 저전력 절전 모드로 진입하게 하여, 특정 근접 임계값을 초과할 때만 깨어나도록 하여 전체 시스템의 전력 효율을 최적화합니다. 이는 모바일 및 휴대용 장치에 있어 매우 중요한 요소입니다.

목표 시장은 다양한 소비자 가전 및 컴퓨팅 장치를 포괄합니다. 주요 응용 분야로는 스마트폰, 태블릿, 노트북, 모니터에서의 자동 디스플레이 백라이트 밝기 조절 및 제어가 있으며, 이를 통해 사용자 경험을 향상시키고 전력을 절약합니다. 또한 최대 10cm까지의 물체 감지 능력은 터치리스 제스처 제어, 존재 감지(예: 사용자가 떠날 때 디스플레이 끄기), 그리고 다양한 장치에서의 간단한 장애물 회피와 같은 기능에 활용됩니다.

2. 심층 기술 파라미터 분석

2.1 전기적 및 광학적 사양

별도로 명시되지 않는 한, 모든 사양은 일반적으로 VDD = 2.8V, 작동 온도(T_ope) 25°C에서 측정됩니다.

전력 특성:
이 센서는 1.7V에서 3.6V까지의 넓은 공급 전압 범위에서 작동하여 일반적인 배터리 출력 및 규제된 전원 레일에 호환됩니다. 최대 듀티 사이클에서 활성 측정 중의 일반적인 공급 전류는 95 µA입니다. 전력 절약을 위한 중요한 특징은 대기(셧다운) 모드로, 이 모드에서는 불과 1 µA만 소비합니다. 이 대기 모드에서 활성 측정 준비 상태로의 웨이크업 시간은 일반적으로 10ms로, 매우 낮은 평균 전력 소비를 유지하면서도 빠른 응답을 가능하게 합니다.

근접 센서(PS) 특성:
PS 기능은 매우 유연하게 구성할 수 있습니다. 유효 해상도는 8, 9, 10, 11비트 중에서 선택할 수 있어 설계자가 변환 속도와 측정 정밀도를 절충할 수 있습니다. 통합된 IR 발광체는 940nm의 피크 파장에서 작동합니다. LED 구동 전류는 2.5, 5, 10, 25, 50, 75, 100, 125mA 단계로 프로그래밍 가능하여 감지 범위와 전력 사용량을 조정할 수 있습니다. LED는 50% 듀티 사이클로 60kHz에서 100kHz의 주파수로 펄스를 발생시킵니다. 측정 주기당 펄스 수는 1에서 255까지 구성 가능하며, 이는 적분 시간과 감도에 직접적인 영향을 미칩니다. 일반적인 조건(32 펄스, 60kHz, 100mA 구동, 18% 회색 카드 대상)에서 센서는 최대 10cm 거리에서 물체를 감지할 수 있습니다. 주변광 제거 능력은 최대 100klux의 직사광선에 대해 명시되어 있습니다.

2.2 절대 최대 정격 및 작동 조건

절대 최대 정격:이는 영구적인 손상을 방지하기 위해 일시적으로도 초과해서는 안 되는 스트레스 한계입니다. 공급 전압(VDD)은 4.0V를 초과해서는 안 됩니다. 디지털 I/O 핀(SCL, SDA, INT)과 LDR 핀의 전압 범위는 -0.5V에서 +4.0V입니다. 장치는 -40°C에서 +100°C 사이의 온도에서 보관할 수 있습니다.

권장 작동 조건:이는 신뢰할 수 있는 성능을 위한 정상 작동 환경을 정의합니다. VDD는 1.7V와 3.6V 사이로 유지되어야 합니다. LED 애노드 공급(VLED)은 별도의 3.0V에서 4.5V의 전원이 필요합니다. I2C 인터페이스는 논리 하이(V_I2Chigh)를 ≥1.5V에서, 논리 로우(V_I2Clow)를 ≤0.4V에서 인식합니다. 전체 작동 온도 범위는 -40°C에서 +85°C로, 가혹한 환경에서도 기능을 보장합니다.

2.3 AC 전기적 특성 (I2C 인터페이스)

이 센서는 표준 모드(100kHz)와 고속 모드(400kHz) I2C 통신을 모두 지원합니다. 주요 타이밍 파라미터는 다음과 같습니다: SCL 클록 주파수(f_SCL) 0~400kHz, 버스 유휴 시간(t_BUF) 최소 1.3µs, SCL 로우 기간(t_LOW) 최소 1.3µs, SCL 하이 기간(t_HIGH) 최소 0.6µs, 데이터 설정 시간(t_SU:DAT) 최소 100ns. SDA 및 SCL 신호의 상승 및 하강 시간은 300ns 미만이어야 합니다. 입력 필터는 50ns보다 짧은 노이즈 스파이크를 억제합니다.

3. 성능 곡선 분석

데이터시트는 설계에 필수적인 일반적인 성능 그래프를 제공합니다.

PS 카운트 대 거리:이 곡선은 센서의 원시 디지털 출력(PS 카운트)과 표준 18% 반사율 회색 카드까지의 거리 사이의 관계를 보여줍니다. 이 곡선은 일반적으로 비선형이며, 센서에 매우 가까운 거리에서는 카운트가 급격히 증가하다가 거리가 증가함에 따라 점차 감소하는 형태를 보입니다. 이 그래프는 센서를 보정하고 애플리케이션에서 특정 감지 범위에 대한 적절한 인터럽트 임계값을 설정하는 데 매우 중요합니다.

발광체 각도 응답:이 다이어그램은 내장 적외선 LED의 공간 방사 패턴을 묘사합니다. 이는 중심축(일반적으로 극좌표 플롯)으로부터의 각도에 따른 방출된 IR 광의 강도를 보여줍니다. 이 패키지의 일반적인 패턴은 넓고 Lambertian과 유사한 분포를 보일 수 있습니다. 이 패턴을 이해하는 것은 기계적 설계에 매우 중요하며, 근접 센서의 유효 시야각과 감지 영역에 영향을 미칩니다. 지정된 10cm 범위를 달성하기 위해서는 커버 창이나 렌즈를 이 패턴에 맞게 적절히 정렬하는 것이 필요합니다.

4. 기계적 및 패키지 정보

LTR-X130P는 8핀 ChipLED 표면 실장 패키지에 장착되어 있습니다. 외형 치수는 데이터시트에 밀리미터 단위로 제공됩니다. 명시되지 않은 특징에 대한 치수 공차는 ±0.2mm입니다. 이 패키지는 대량 전자 제조에서 일반적인 표준 자동 픽 앤 플레이스 및 리플로우 솔더링 공정을 위해 설계되었습니다.

5. 솔더링 및 조립 지침

제공된 발췌문에 구체적인 리플로우 프로파일이 자세히 설명되어 있지는 않지만, 이 장치는 표준 표면 실장 기술(SMT) 조립을 위해 설계되었습니다. 무연 리플로우 솔더링 프로파일에 대해서는 JEDEC J-STD-020 지침을 따르는 것이 좋습니다. 습기 민감도 등급(MSL)은 전체 패키지 사양에서 확인해야 합니다. 장치는 일반적으로 건조제와 함께 드라이백에 공급되며, 사용 전에 백의 습도 표시 카드가 과도한 습기 노출을 나타내는 경우 표준 절차에 따라 베이킹해야 합니다.

6. 패키징 및 주문 정보

LTR-X130P의 표준 패키징은 자동 조립 장비와 호환되는 테이프 및 릴입니다. 각 릴에는 8000개의 유닛이 포함되어 있습니다. 부품 번호는 LTR-X130P입니다.

7. 애플리케이션 설계 권장 사항

7.1 일반적인 애플리케이션 회로

권장 애플리케이션 회로는 중요한 설계 고려 사항을 강조합니다. 기본 요구 사항은 디지털 공급(VDD, 1.7-3.6V)과 LED 애노드 공급(VLED, 3.0-4.5V)을 분리하는 것입니다. 이 분리는 안정적인 LED 구동 전류를 보장하고 LED 펄스의 노이즈가 민감한 아날로그 및 디지털 공급 레일에 결합되는 것을 방지하기 위해 필수적입니다. 회로에는 SDA, SCL 및 INT 라인에 풀업 저항(Rp1, Rp2, Rp3)이 포함됩니다. 이들의 값(1kΩ~10kΩ)은 총 버스 커패시턴스와 원하는 상승 시간을 기반으로 선택하여 I2C 사양을 충족해야 합니다. 디커플링 커패시터는 필수적입니다: 1µF ±20% X7R/X5R 세라믹 커패시터(C1)는 VDD 핀에 최대한 가깝게 배치해야 하며, 0.1µF 커패시터(C2)도 권장됩니다. 유사한 1µF 커패시터(C3)가 VLED 라인에 사용됩니다.

7.2 핀 구성 및 기능

• 핀 1 (SDA):I2C 직렬 데이터 라인(양방향).
• 핀 2 (INT):액티브 로우 인터럽트 출력. 프로그래밍 가능한 근접 이벤트가 발생하면 어서트됩니다.
• 핀 3 (LDR):LED 캐소드에 연결됩니다. 내부 드라이버를 사용할 때, 이 핀은 핀 4(LEDK)에 연결됩니다.
• 핀 4 (LEDK):LED 캐소드 연결.
• 핀 5 (LEDA):LED 애노드 연결. 별도의 VLED 레일(3.0-4.5V)에서 공급되어야 합니다.
• 핀 6 (GND):시스템 접지.
• 핀 7 (SCL):I2C 직렬 클록 입력.
• 핀 8 (VDD):디지털 전원 공급 입력(1.7-3.6V).

8. 기술 비교 및 차별화

LTR-X130P는 높은 통합도와 도전적인 조건에서의 견고한 성능을 통해 차별화됩니다. 개별 솔루션(분리된 IR LED, 포토다이오드 및 신호 조정 IC)과 비교하여, 훨씬 더 작은 공간 점유율, 단순화된 설계 과정, 그리고 감소된 부품 목록(BOM)을 제공합니다. 다른 통합 근접 센서와 비교했을 때, 주요 장점은 매우 높은 100klux 주변광 내성(이는 많은 경쟁사보다 우수함)과 특정 범위, 전력 및 응답 시간 요구 사항에 맞게 미세 조정할 수 있는 유연하고 프로그래밍 가능한 LED 전류 및 펄스 카운트 설정을 포함합니다. 공장 트리밍은 최소한의 유닛 간 변동을 보장하여 제조 수율과 최종 제품의 일관성을 향상시킵니다.

9. 자주 묻는 질문 (기술 파라미터 기반)

Q: VDD와 VLED를 별도의 전원 레일로 분리해야 하는 이유는 무엇인가요?
A: LED 펄스는 상당한 전류(최대 125mA)를 소비할 수 있습니다. 공급 레일을 공유하면 VDD 라인에 큰 전압 강하나 노이즈가 발생하여 센서의 민감한 아날로그 프론트엔드와 디지털 논리를 불안정하게 만들고 부정확한 판독값이나 리셋 이벤트를 초래할 수 있습니다. 별도의 레일은 이 노이즈를 격리합니다.

Q: 감지 범위를 10cm 이상으로 늘리려면 어떻게 해야 하나요?
A: 범위는 LED 전류, 펄스 수 및 대상 반사율의 영향을 받습니다. 범위를 늘리려면 더 높은 LED 전류(최대 125mA)를 프로그래밍하거나 측정당 펄스 수(최대 255)를 늘릴 수 있습니다. 이렇게 하면 측정 주기당 전력 소비가 증가한다는 점에 유의하세요.

Q: 인터럽트 기능은 어떻게 전력을 절약하는 데 도움이 되나요?
A: 호스트 마이크로컨트롤러가 센서를 지속적으로 폴링하여 판독값을 가져오는(I2C 버스와 CPU를 활성 상태로 유지) 대신, 센서를 상한 및 하한 근접 임계값으로 구성할 수 있습니다. 호스트는 센서와 자체를 저전력 모드로 전환합니다. 물체가 정의된 근접 영역에 들어오거나 떠날 때만 센서가 INT 라인을 어서트하여 호스트를 깨워 조치를 취하게 합니다. 이는 시스템 활동을 최소화합니다.

Q: 크로스토크 제거 기능의 목적은 무엇인가요?
A: 컴팩트한 패키지 내에서 내부 발광체의 일부 IR 광이 외부 물체에 닿지 않고도 직접 누출되거나 내부적으로 포토다이오드에 반사될 수 있습니다. 이는 영구적인 오프셋 또는 "크로스토크" 신호를 생성합니다. 센서는 이 오프셋을 측정하고 디지털로 빼는 회로를 포함하여 근접 카운트가 진정으로 외부 물체로부터 반사된 빛을 나타내도록 보장합니다.

10. 설계 및 사용 사례 연구

사례 연구 1: 스마트폰 디스플레이 관리:스마트폰에서 LTR-X130P는 이어피스 근처에 배치됩니다. 통화 중 사용자가 휴대폰을 귀에 가져다 대면 센서는 머리의 근접(~2-5cm 이내)을 감지합니다. 이는 애플리케이션 프로세서에 인터럽트를 트리거하여 디스플레이 터치스크린을 끄고(우발적인 볼 터치를 방지) 백라이트를 어둡게 하여 전력을 절약합니다. 휴대폰이 멀어지면 디스플레이가 복원됩니다.

사례 연구 2: 인터랙티브 키오스크 존재 감지:공공 정보 키오스크는 사람이 50cm 이내로 접근하는 시점을 감지하기 위해 센서를 사용합니다. 감지되면 저전력 절전 상태에서 깨어나 디스플레이를 활성화하고 어트랙터 루프를 표시합니다. 설정된 기간 동안 아무도 감지되지 않으면 절전 상태로 돌아가 24/7 작동하는 것에 비해 에너지 소비를 크게 줄입니다.

11. 작동 원리

LTR-X130P는 능동 적외선 근접 감지 및 광도 측정 주변광 감지 원리에 따라 작동합니다. 근접 측정을 위해 내부 마이크로컨트롤러는 통합 IR LED를 트리거하여 940nm에서 일련의 변조된 펄스를 방출합니다. 센서 앞의 물체는 이 빛의 일부를 반사합니다. 전용 IR 감지 포토다이오드는 반사된 빛의 강도를 작은 광전류로 변환합니다. 이 전류는 고해상도 ADC에 의해 적분되어 디지털 값으로 변환됩니다. 이 디지털 값(PS 카운트)의 강도는 물체의 반사율 및 근접성에 비례합니다. 센서는 동시에 별도의 가시광 포토다이오드를 사용하여 주변광을 측정하며, 그 출력은 근접 신호에서 주변 IR 성분을 빼기 위해 처리되어 정확도를 향상시킵니다.

I2C 통신은 표준 프로토콜을 따릅니다. 장치는 고정된 7비트 슬레이브 주소 0x53을 가집니다. 마스터 컨트롤러는 이 주소를 사용하여 구성 레지스터(예: LED 전류, 펄스 카운트, 인터럽트 임계값 설정)를 쓰고 근접 및 주변광 데이터를 다시 읽습니다. 단일 쓰기, 순차 쓰기 및 결합 형식 읽기(반복 시작)를 포함한 읽기 및 쓰기 프로토콜은 I2C 사양에 따라 구현됩니다.

12. 기술 동향

LTR-X130P와 같은 센서의 발전은 몇 가지 명확한 산업 동향을 따릅니다. 더 많은 기능(예: 색상 감지, 제스처 인식)을 단일 패키지에 결합하면서 공간 점유율을 줄이는 방향으로 지속적으로 추진되고 있습니다. 전력 효율성은 여전히 최우선 과제이며, 더 낮은 활성 및 대기 전류와 더 스마트한 웨이크업 방식을 추구합니다. 극한 환경에서의 성능은 더 나은 햇빛 내성과 더 넓은 온도 범위로 개선되고 있습니다. 또한, 주 애플리케이션 프로세서의 처리 부담을 줄이고 소프트웨어 개발을 단순화하기 위해 더 높은 수준의 사전 처리된 데이터(예: 원시 카운트 대신 "물체 존재/부재" 플래그)를 제공하는 임베디드 알고리즘을 갖춘 "더 스마트한" 센서로의 추세가 있습니다.