Dokumen Teknikal Lembaran Data Sensor Optik LTR-X1503 - ALS & PS Bersepadu - Antara Muka I2C - 3.0-3.6V

1. Gambaran Keseluruhan Produk

LTR-X1503 ialah sensor optik bersepadu tinggi, voltan rendah yang menggabungkan sensor cahaya ambien (ALS) dan sensor jarak (PS) dengan pemancar inframerah terbina dalam ke dalam satu pakej permukaan tanpa plumbum, bersaiz mini, dan tanpa cip. Integrasi ini memudahkan reka bentuk dan menjimatkan ruang papan dalam peranti elektronik padat.

Kelebihan utama sensor ini terletak pada fungsi duanya. ALS memberikan respons fotometri linear merentasi julat dinamik yang luas, menjadikannya sesuai untuk aplikasi daripada keadaan pencahayaan ambien yang sangat gelap hingga sangat terang. Serentak, sensor jarak terbina dalam dapat mengesan kehadiran atau ketiadaan objek pada jarak yang boleh dikonfigurasikan oleh pengguna, membolehkan ciri seperti pemadaman skrin semasa panggilan telefon atau penyahaktifan skrin sentuh.

Peranti ini terutama disasarkan untuk pasaran mudah alih, pengkomputeran, dan elektronik pengguna. Saiznya yang ultra-kecil, penggunaan kuasa rendah dengan keupayaan mod tidur, dan antara muka digital I2C menjadikannya sesuai untuk telefon pintar, tablet, komputer riba, peranti boleh pakai, dan peranti IoT di mana pengurusan kuasa cekap dan ruang adalah kekangan kritikal.

1.1 Ciri & Kelebihan Teras

• Penderiaan Berganda dalam Satu Pakej:Mengintegrasikan kedua-dua Penderiaan Cahaya Ambien (ALS) dan Penderiaan Jarak (PS), mengurangkan bilangan komponen dan tapak kaki PCB.
• Antara Muka Digital I2C:Menyokong mod Piawai (100kHz) dan mod Pantas (400kHz) untuk komunikasi mudah dengan pengawal mikro hos.
• Operasi Kuasa Ultra-Rendah:Mempunyai mod aktif dan mod sedia. Arus bekalan aktif tipikal ialah 160 uA untuk kedua-dua sensor, manakala arus sedia turun kepada hanya 1 uA, memanjangkan jangka hayat bateri dengan ketara.
• Fungsi Gangguan Boleh Atur Cara:PS termasuk sistem gangguan dengan ambang atas dan bawah boleh atur cara serta histeresis. Ini menghapuskan keperluan untuk pemproses hos mengimbas sensor secara berterusan, meningkatkan kecekapan sistem keseluruhan dan penjimatan kuasa.
• ALS Berprestasi Tinggi:Menawarkan resolusi berkesan 16-bit, respons linear merentasi julat yang luas, dan respons spektrum yang hampir dengan mata manusia. Ia termasuk penolakan automatik untuk kelipan pencahayaan 50Hz/60Hz untuk memastikan bacaan stabil di bawah pencahayaan buatan.
• Penderiaan Jarak yang Teguh:Termasuk pemacu LED terbina dalam, keupayaan penindasan cahaya ambien tinggi (sehingga 10 klux), resolusi 16-bit, dan algoritma pembatalan silang untuk pengesanan objek yang boleh dipercayai.
• Kalibrasi Kilang:Pemangkasan sekali di kilang meminimumkan variasi antara unit, memastikan prestasi konsisten dan memudahkan keperluan kalibrasi pembuatan untuk pelanggan akhir.
• Julat Operasi Luas:Beroperasi daripada 3.0V hingga 3.6V dan merentasi julat suhu -40°C hingga +85°C, dengan litar pampasan suhu terbina dalam untuk operasi stabil.

2. Sorotan Mendalam Spesifikasi Teknikal

2.1 Penarafan Maksimum Mutlak

Tekanan melebihi had ini boleh menyebabkan kerosakan kekal pada peranti.

• Voltan Bekalan (VDD):3.6 V
• Pin I/O Digital (SCL, SDA, INT):-0.5 V hingga 3.6 V
• Voltan Anod LED (V_LED):-0.5 V hingga 4.6 V
• Voltan Pin Pemacu LED (V_LDR):-0.5 V hingga 3.6 V
• Suhu Penyimpanan:-40°C hingga 100°C
• Perlindungan ESD (HBM):2000 V

2.2 Syarat Operasi Disyorkan

Untuk operasi peranti biasa.

• Voltan Bekalan (VDD):3.0 V hingga 3.6 V
• Voltan Bekalan LED (V_LED):2.8 V hingga 4.0 V
• Suhu Operasi:-40°C hingga 85°C
• Input Aras Tinggi I2C:1.5 V hingga VDD
• Input Aras Rendah I2C:0 V hingga 0.4 V

2.3 Spesifikasi Elektrik & Optik

Spesifikasi biasanya diberikan pada VDD = 1.8V dan Ta = 25°C.

2.3.1 Ciri Kuasa

• Arus Bekalan (Kedua-dua ALS & PS Aktif):160 uA (Tipikal, dengan kadar ulangan ukuran 100ms).
• Arus Aktif ALS:160 uA (Tipikal).
• Arus Aktif PS:57 uA (Tipikal, dengan 8 denyut, kitar tugas 100%, lebar denyut 32us).
• Arus Sedia:1 uA (Tipikal).
• Masa Bangun daripada Sedia:0.25 ms (Tipikal).

2.3.2 Ciri Sensor Cahaya Ambien (ALS)

• Resolusi:Boleh atur cara kepada 13, 14, 15, atau 16 bit berkesan.
• Ketepatan Lux:±10% (Tipikal, di bawah pencahayaan LED putih).
• Kiraan Aras Gelap:0 hingga 5 kiraan (pada 0 Lux, resolusi 16-bit, gandaan 512x, integrasi 100ms).
• Masa Integrasi:Boleh atur cara daripada 0.2 ms hingga 200 ms.
• Penolakan Bunyi Kelipan:±5% ralat untuk pencahayaan 50Hz/60Hz.
• Respons Spektrum:Hampir dengan respons fotopik mata manusia.

2.3.3 Ciri Sensor Jarak (PS)

• Resolusi:16 bit berkesan.
• Panjang Gelombang Puncak Kepekaan:940 nm (Tipikal, untuk pemancar IR bersepadu).
• Jarak Pengesanan:Sehingga 20 cm (Tipikal, boleh dikonfigurasikan berdasarkan bilangan denyut, gandaan, dan tetapan arus).
• Arus Denyut LED:Boleh atur cara, sehingga 186 mA (Tipikal).
• Lebar Denyut LED:Boleh atur cara: 8, 16, 32, atau 64 us.
• Bilangan Denyut LED:Boleh atur cara daripada 1 hingga 256 denyut setiap ukuran.
• Penindasan Cahaya Ambien:Sehingga 10 klux (cahaya matahari langsung). Ciri keselamatan gagal menghalang pencetus palsu melebihi aras ini.

3. Analisis Lengkung Prestasi

3.1 Respons Spektrum ALS

Fotodioda cahaya ambien sensor direka dengan penapis untuk sepadan dengan fungsi luminositi fotopik CIE, yang mentakrifkan respons standard mata manusia terhadap cahaya. Ini memastikan bacaan lux yang dilaporkan oleh sensor mewakili kecerahan seperti yang dilihat oleh seseorang, bukan hanya tenaga sinaran mentalah. Ini adalah penting untuk kawalan kecerahan paparan automatik yang terasa semula jadi kepada pengguna.

3.2 Prestasi PS vs. Jarak

Prestasi sensor jarak dicirikan oleh kekuatan isyarat pantulan sebagai fungsi jarak kepada objek pantulan standard (biasanya pantulan 88%). Hubungannya adalah tidak linear dan mengikut hukum songsang kuasa dua. Graf menunjukkan bahawa dengan tetapan tipikal (contohnya, VDD=1.8V, arus LED 104mA, 16 denyut), isyarat yang jelas dan boleh diukur diperoleh, membolehkan ambang pengesanan yang boleh dipercayai ditetapkan untuk jarak aplikasi tertentu (contohnya, 5cm untuk pengesanan telinga telefon).

3.3 Respons Sudut ALS

Graf respons sudut sensor (untuk paksi X dan Y) menunjukkan bagaimana keamatan cahaya yang diukur berbeza dengan sudut kejadian. Respons kosinus (Lambertian) yang sempurna adalah ideal untuk kebanyakan aplikasi penderiaan cahaya ambien. LTR-X1503 mempamerkan respons yang hampir dengan ideal ini, memastikan bacaan tepat tanpa mengira arah sumber cahaya utama relatif kepada sensor. Penyimpangan daripada respons kosinus ideal pada sudut melampau (> ±60 darjah) adalah tipikal untuk kebanyakan sensor disebabkan oleh kekangan pakej dan reka bentuk optik.

4. Maklumat Mekanikal & Pakej

LTR-X1503 dibungkus dalam pakej permukaan tanpa cip 8-pin bersaiz ultra-kecil. Dimensi garis besar tepat disediakan dalam lukisan dimensi lembaran data, yang termasuk pandangan atas, sisi, dan bawah dengan dimensi kritikal seperti panjang pakej, lebar, ketinggian, padang plumbum, dan saiz pad. Maklumat ini adalah penting untuk reka bentuk tapak kaki PCB dan memastikan muatan mekanikal yang betul dalam produk akhir.

4.1 Konfigurasi dan Fungsi Pin

• Pin 1 (VDD):Input bekalan kuasa (3.0V - 3.6V).
• Pin 2 (SCL):Input jam bersiri I2C.
• Pin 3 (GND):Sambungan bumi.
• Pin 4 (LEDA):Sambungan anod untuk LED inframerah bersepadu. Mesti disambungkan ke rel bekalan LED (V_LED).
• Pin 5 (LDR):Sambungan pemacu LED. Pin ini harus dibiarkan terapung (NC) kerana pemacu adalah dalaman.
• Pin 6 (NC):Tiada sambungan dalaman. Boleh dibiarkan tidak bersambung atau dihubungkan ke bumi.
• Pin 7 (INT):Pin output gangguan aktif-rendah. Output saliran terbuka ini menjadi rendah apabila peristiwa jarak (objek dikesan/dikeluarkan) berlaku berdasarkan ambang yang diprogramkan.
• Pin 8 (SDA):Input/output data bersiri I2C (saliran terbuka).

5. Litar Aplikasi & Garis Panduan Reka Bentuk

5.1 Litar Aplikasi Disyorkan

Litar aplikasi tipikal termasuk sensor, kapasitor penyahgandingan yang diperlukan, dan perintang tarik-naik I2C.

• Penyahgandingan Kuasa:Kapasitor seramik 1uF (C1) harus diletakkan sedekat mungkin antara VDD dan GND. Kapasitor tambahan 0.1uF (C2) boleh ditambah untuk penindasan bunyi frekuensi tinggi.
• Penyahgandingan Bekalan LED:Kapasitor 1uF (C3) disyorkan antara pin LEDA (dan rel V_LED) dan GND.
• Perintang Tarik-Naik I2C:Perintang (Rp1, Rp2) dengan nilai antara 1 kΩ dan 10 kΩ diperlukan pada talian SCL dan SDA. Nilai tepat bergantung pada kapasitans bas dan masa naik yang dikehendaki; nilai lebih rendah memberikan tarik-naik lebih kuat tetapi meningkatkan penggunaan arus. Tarik-naik serupa mungkin diperlukan pada talian INT jika digunakan.

5.2 Urutan Kuasa

Keperluan Kritikal:Urutan kuasa yang betul mesti diikuti untuk mengelakkan potensi litar terkunci atau kerosakan.

• Hidupkan Kuasa:VDD (bekalan logik utama) mesti dihidupkansebelumV_LED (bekalan LED).
• Matikan Kuasa:V_LED mesti dimatikansebelum VDD.

VDD.

6. Garis Panduan Pateri & Pemasangan

Komponen ini ialah peranti permukaan (SMD) yang direka untuk proses pateri alir semula biasa dalam pembuatan elektronik volum tinggi.

6.1 Profil Pateri Alir Semula

• Walaupun lembaran data khusus mungkin tidak memperincikan profil, profil alir semula tanpa plumbum piawai (mematuhi RoHS) boleh digunakan. Ini biasanya melibatkan:Pra-Panas/Ramp:
• Ramp beransur-ansur (1-3°C/saat) ke ~150-200°C untuk mengaktifkan fluks dan meminimumkan kejutan terma.Zon Rendam:
• Dataran tinggi pada 150-200°C selama 60-120 saat untuk memastikan suhu seragam merentasi papan dan menyejat bahan meruap.Zon Alir Semula:
• Kenaikan pantas ke suhu puncak. Suhu puncak tidak boleh melebihi penarafan maksimum pakej (mungkin 260°C untuk masa singkat, contohnya, 10-30 saat di atas 245°C).Penyejukan:

Fasa penyejukan terkawal.

Rujuk aras kepekaan kelembapan pakej (MSL) dan ikuti prosedur pembakaran dan pengendalian yang sesuai jika peranti telah terdedah kepada kelembapan ambien melebihi ambang dinilai.

6.2 Keadaan Penyimpanan

Peranti harus disimpan dalam beg penghalang kelembapan asal dengan bahan pengering dalam persekitaran terkawal (biasanya <40°C dan <90% kelembapan relatif) untuk mengelakkan pengoksidaan dan penyerapan lembapan.

7. Maklumat Pembungkusan & Pesanan

• LTR-X1503 dibekalkan dalam format pita dan gegelung yang sesuai untuk mesin pemasangan pilih dan letak automatik.Nombor Bahagian:
• LTR-X1503Jenis Pakej:
• Pakej tanpa cip 8-pin.Pembungkusan:
• Pita dan Gegelung.Kuantiti Piawai per Gegelung:

3,000 keping.

8. Cadangan Aplikasi

• 8.1 Senario Aplikasi TipikalTelefon Pintar/Tablet:
• Pelarasan kecerahan skrin automatik (ALS) dan pemadaman skrin/penyahaktifan sentuh semasa panggilan apabila peranti dipegang ke telinga (PS).Komputer Riba & Monitor:
• Pelarasan lampu latar dinamik untuk penjimatan kuasa dan keselesaan melihat berdasarkan cahaya ambien.Peranti Boleh Pakai:
• Bangun-dengan-isyarat atau pengaktifan paparan apabila pengguna melihat peranti (PS), dan pengurusan kecerahan.Elektronik Pengguna:

Kawalan hidup/mati automatik dalam perkakas, suis tanpa sentuh, dan pengesanan kehadiran.

• 8.2 Pertimbangan Reka Bentuk & Amalan TerbaikLaluan Optik:
• Pastikan laluan optik yang jelas dan tidak terhalang ke persekitaran untuk ALS. Untuk PS, reka bentuk tingkap atau bukaan untuk membenarkan cahaya IR keluar dan cahaya pantulan kembali dengan cekap. Elakkan meletakkan sensor di belakang bahan gelap atau penyerap IR.Pencemaran IR:
• Sensor jarak menggunakan cahaya IR 940nm. Cahaya matahari dan beberapa lampu buatan mengandungi komponen IR. Penindasan cahaya ambien tinggi dan pembatalan silang sensor membantu, tetapi penempatan jauh daripada sumber IR langsung yang kuat meningkatkan prestasi.Pengurusan Bas I2C:
• Gunakan ciri gangguan untuk meletakkan MCU hos ke tidur, membangunkannya hanya apabila peristiwa jarak berlaku. Imbas ALS pada kadar sederhana (contohnya, sekali sesaat) melainkan perubahan kecerahan pantas perlu dikesan.Kalibrasi Ambang:

Ambang pengesanan PS mesti dikalibrasi dalam selongsong produk akhir untuk mengambil kira ketebalan kaca penutup, pantulan, dan pantulan dalaman (silang). Ini biasanya dilakukan semasa pembuatan.

9. Perbandingan & Pembezaan Teknikal

• LTR-X1503 bersaing dalam pasaran dengan penyelesaian ALS/PS bersepadu lain. Pembeza utama kemungkinan termasuk:Tahap Integrasi Tinggi:
• Menggabungkan pemancar IR dalam pakej yang sama dengan sensor adalah kelebihan ketara, mengurangkan senarai bahan (BOM) dan memudahkan penjajaran optik berbanding penyelesaian yang memerlukan LED IR diskret.Prestasi:
• Ciri seperti resolusi 16-bit untuk kedua-dua sensor, penolakan cahaya ambien tinggi (10 klux), dan parameter ukuran boleh atur cara menawarkan fleksibiliti reka bentuk dan prestasi teguh.Kecekapan Kuasa:
• Arus aktif dan sedia rendah yang kompetitif adalah kritikal untuk peranti berkuasa bateri.Antara Muka Digital:

Antara muka I2C adalah bas standard yang disokong secara meluas, menjadikan integrasi mudah.

10. Soalan Lazim (Berdasarkan Parameter Teknikal)

10.1 Bagaimana saya menetapkan jarak pengesanan untuk sensor jarak?

Jarak pengesanan bukan parameter tetap tunggal tetapi hasil daripada beberapa tetapan boleh konfigurasi: arus denyut LED, lebar denyut, bilangan denyut, dan gandaan penerima. Dengan meningkatkan arus LED, kiraan denyut, atau gandaan, kekuatan isyarat pantulan meningkat, membolehkan pengesanan objek pada jarak lebih jauh atau dengan pantulan lebih rendah. Ambang khusus untuk "pengesanan" ditetapkan oleh pengguna dalam daftar ambang gangguan dengan mencirikan kiraan data PS pada jarak yang dikehendaki dalam produk akhir.

10.2 Mengapakah urutan kuasa antara VDD dan V_LED penting?

Urutan tidak betul boleh menyebabkan arus masuk besar mengalir melalui struktur perlindungan ESD dalaman atau litar logik, berpotensi membawa kepada litar terkunci—keadaan arus tinggi yang boleh merosakkan peranti. Mengikut urutan yang ditentukan (VDD kemudian V_LED hidup; V_LED kemudian VDD mati) memastikan transistor dalaman dibias dengan betul sebelum bekalan LED voltan lebih tinggi digunakan atau dialih keluar.

10.3 Apakah maksud "pembatalan silang" untuk PS?

Silang merujuk kepada pantulan dalaman dalam modul peranti atau penutupnya di mana cahaya IR daripada pemancar sampai terus ke fotodioda PS tanpa memantul daripada objek luar. Ini mencipta ofset latar belakang yang boleh menyebabkan pencetus palsu atau mengurangkan kepekaan. LTR-X1503 menggabungkan algoritma (sering melibatkan ukuran garis dasar dengan LED dimatikan) untuk mengukur dan menolak komponen silang ini daripada data PS akhir, meningkatkan ketepatan pengesanan objek.

10.4 Bagaimanakah ALS mencapai penolakan kelipan 50/60Hz?

Lampu pijar dan pendarfluor yang dikuasakan oleh bekalan AC turun naik dalam keamatan pada 100Hz atau 120Hz (dua kali ganda frekuensi talian). Jika masa integrasi sensor adalah gandaan tempoh kelipan (contohnya, 10ms, 20ms, 100ms), ia purata merentasi kitaran cahaya lengkap, membatalkan variasi dan memberikan bacaan lux yang stabil. Masa integrasi sensor boleh atur cara untuk menjadi gandaan tempoh ini untuk membolehkan penolakan ini.

11. Kajian Kes Reka Bentuk dan Penggunaan

11.1 Melaksanakan Kawalan Paparan Penjimatan Kuasa dalam Jam Tangan PintarSenario:

Jam tangan pintar perlu memaksimumkan jangka hayat bateri. Paparan harus cerah di luar rumah, malap di dalam rumah, dan dimatikan sepenuhnya apabila tidak dilihat (contohnya, apabila lengan pengguna ke bawah).

1. Pelaksanaan dengan LTR-X1503:Peranan ALS:
2. ALS dikonfigurasikan dengan resolusi 16-bit dan masa integrasi 100ms (untuk penolakan kelipan). MCU hos membaca data ALS setiap saat melalui I2C. Jadual carian atau algoritma memetakan nilai lux kepada kitar tugas PWM yang sepadan untuk lampu latar paparan, memberikan pelarasan kecerahan automatik yang lancar.Peranan PS:
3. PS dikonfigurasikan dengan arus denyut dan kiraan yang sesuai untuk jarak jam tangan-ke-muka yang dijangkakan (contohnya, ~30cm). Ambang gangguan ditetapkan: ambang bawah untuk "objek dikeluarkan" (jam tangan tidak dilihat) dan ambang atas untuk "objek dikesan" (jam tangan diangkat untuk dilihat). Pin INT disambungkan kepada GPIO yang boleh bangun pada MCU.
   • Aliran Kerja Penjimatan Kuasa:
   • Apabila pengguna menurunkan lengan, kiraan PS jatuh di bawah ambang bawah, mencetuskan gangguan.
   • MCU bangun daripada tidur, membaca status gangguan, dan memerintahkan paparan memasuki keadaan mati kuasa rendah.
   • MCU kemudian boleh meletakkan dirinya dan sensor (kecuali mungkin mod pemantauan PS kuasa rendah) kembali tidur.

Apabila pengguna mengangkat lengan untuk melihat jam tangan, PS mengesan objek, mencetuskan gangguan, membangunkan MCU, yang kemudiannya menghidupkan paparan dan ALS sepenuhnya, menunjukkan masa yang betul pada kecerahan yang sesuai.

Gabungan ini mengurangkan kuasa sistem purata dengan ketara berbanding paparan yang sentiasa hidup atau hanya dikawal masa.

12. Pengenalan Prinsip Operasi

12.1 Prinsip Penderiaan Cahaya Ambien

Fungsi ALS berdasarkan fotodioda, peranti semikonduktor yang menjana arus kecil berkadar dengan keamatan cahaya yang jatuh ke atasnya. Dalam LTR-X1503, fotodioda ini dilindungi oleh penapis yang meniru kepekaan mata manusia merentasi spektrum boleh lihat. Fotocurrent yang dijana adalah sangat kecil (pikoamp hingga nanoamp). Penguat transimpedans bersepadu menukar arus ini kepada voltan, yang kemudiannya didigitalkan oleh Penukar Analog-ke-Digital (ADC) resolusi tinggi. Nilai digital diproses dan disediakan melalui daftar I2C, mewakili pencahayaan dalam kiraan yang boleh ditukar kepada unit lux menggunakan formula terkalibrasi.

12.2 Prinsip Penderiaan Jarak

PS beroperasi berdasarkan prinsip pantulan inframerah aktif. LED inframerah bersepadu memancarkan denyut pendek cahaya 940nm, yang tidak kelihatan kepada mata manusia. Fotodioda berasingan, khusus (berbeza daripada diod ALS) bertindak sebagai penerima. Apabila objek berada dalam julat, sebahagian daripada cahaya IR yang dipancarkan memantul daripada objek dan kembali ke fotodioda penerima. Sensor mengukur jumlah cahaya pantulan yang diterima semasa dan selepas setiap denyut LED. Dengan membandingkan isyarat ini dengan aras IR ambien (diukur apabila LED dimatikan), dan selepas pembatalan silang, sensor mengira kiraan data jarak. Kiraan lebih tinggi menunjukkan objek lebih dekat atau lebih pantul. Kiraan ini dibandingkan dengan ambang yang diprogramkan oleh pengguna untuk mencetuskan gangguan.

13. Trend Teknologi

• Pasaran untuk sensor optik bersepadu seperti LTR-X1503 didorong oleh beberapa trend jelas dalam industri elektronik:Pengecilan:
• Permintaan berterusan untuk saiz pakej lebih kecil (seperti tanpa cip) untuk muat ke dalam peranti yang semakin nipis dengan paparan dan bateri lebih besar.Integrasi Meningkat:
• Trend bergerak melebihi menggabungkan ALS dan PS. Sensor masa depan mungkin mengintegrasikan sensor persekitaran tambahan (warna, isyarat, masa penerbangan), mengurangkan lagi kerumitan sistem.Kepintaran di Pinggir:
• Sensor memperoleh lebih banyak keupayaan pemprosesan pada cip. Daripada hanya menyediakan data mentalah, versi masa depan mungkin melakukan pengiraan lux, logik mesin keadaan jarak, dan pengecaman isyarat secara dalaman, menghantar hanya pemberitahuan peristiwa aras tinggi kepada pemproses hos, menjimatkan lagi kuasa sistem.Prestasi Ditingkatkan:
• Jangkaan untuk ketepatan, julat dinamik, dan penggunaan kuasa terus meningkat. Kemajuan dalam proses semikonduktor dan reka bentuk optik membolehkan bunyi lebih rendah, ADC resolusi lebih tinggi, dan LED lebih cekap.Pemiawaian & Sokongan Perisian: