LTR-X1503 Даташит оптического датчика - Интегрированные датчики внешней освещенности и приближения - Интерфейс I2C - 3.0-3.6В - Техническая документация

1. Обзор продукта

LTR-X1503 представляет собой высокоинтегрированный низковольтный оптический датчик, который объединяет датчик внешней освещенности, датчик приближения и встроенный инфракрасный излучатель в одном миниатюрном, чип-масштабном, бессвинцовом корпусе для поверхностного монтажа. Такая интегрированная конструкция упрощает схемотехнику и экономит ценное пространство на печатной плате в компактных электронных устройствах.

Основное преимущество данного датчика заключается в его двойной функциональности. Датчик внешней освещённости обеспечивает линейный фотометрический отклик в широком динамическом диапазоне, что делает его пригодным для работы в различных условиях — от очень слабой до очень яркой освещённости. В то же время встроенный датчик приближения может обнаруживать наличие или отсутствие объекта на настраиваемом пользователем расстоянии, что позволяет реализовать такие функции, как отключение экрана во время разговора или деактивация сенсорного экрана.

Устройство в первую очередь ориентировано на рынки мобильных устройств, вычислительной техники и потребительской электроники. Его сверхкомпактный размер, низкое энергопотребление с режимом сна и цифровой интерфейс I2C делают его идеальным выбором для смартфонов, планшетов, ноутбуков, носимых устройств и устройств Интернета вещей, где эффективное управление питанием и использование пространства являются ключевыми ограничивающими факторами.

1.1 Ключевые особенности и преимущества

• Двойное зондирование в одном корпусе:Интегрирует датчик внешней освещенности и датчик приближения, сокращая количество компонентов и занимаемую площадь на печатной плате.
• Цифровой интерфейс I2C:Поддерживает стандартный режим (100 кГц) и быстрый режим (400 кГц), что упрощает связь с основным микроконтроллером.
• Сверхнизкое энергопотребление:Имеет рабочий и ждущий режимы. Типичный ток питания при одновременной работе двух датчиков составляет 160 мкА, а ток в режиме ожидания может снижаться до 1 мкА, что значительно продлевает время автономной работы от батареи.
• Программируемая функция прерывания:Датчик приближения включает в себя систему прерываний с программируемыми верхним и нижним порогами и гистерезисом. Это устраняет необходимость постоянного опроса датчика основным процессором, повышая общую эффективность системы и энергосбережение.
• Высокопроизводительный датчик внешней освещенности:Обеспечивает 16-битное эффективное разрешение с линейным откликом в широком диапазоне и спектральной характеристикой, близкой к человеческому глазу. Включает функцию автоматического подавления мерцания освещения 50 Гц/60 Гц для обеспечения стабильных показаний при искусственном освещении.
• Надежное определение приближения:Включает встроенный драйвер светодиода, высокую способность подавления фоновой засветки (до 10 клк), 16-битное разрешение и алгоритм устранения перекрестных помех для надежного обнаружения объектов.
• Заводская калибровка:Однократная заводская подстройка минимизирует разброс параметров между устройствами, обеспечивает стабильные характеристики и снижает требования к производственной калибровке для конечного заказчика.
• Широкий рабочий диапазон:Рабочий диапазон напряжения составляет от 3.0 В до 3.6 В, температурный диапазон — от -40°C до +85°C, встроенная схема температурной компенсации обеспечивает стабильную работу.

2. Подробное описание технических характеристик

2.1 Абсолютные максимальные номинальные значения

Воздействие, выходящее за эти пределы, может привести к необратимому повреждению устройства.

• Напряжение питания (VDD):3.6 V
• Цифровые выводы ввода/вывода (SCL, SDA, INT):Подходит для нормальной работы устройства.
• Напряжение анода светодиода (V_LED):-0.5 V до 4.6 V
• Напряжение на выводе драйвера светодиодов (V_LDR):-0.5 В до 3.6 В
• Температура хранения:от -40°C до 100°C
• Защита от ESD (HBM):2000 V

2.2 Рекомендуемые условия эксплуатации

Для нормальной работы устройства.

• Напряжение питания (VDD):3.0 В до 3.6 В
• Напряжение питания светодиода (V_LED):2,8 В до 4,0 В
• Рабочая температура:-40°C до 85°C
• Вход высокого уровня I2C:1.5 V до VDD
• Вход низкого уровня I2C:От 0 В до 0,4 В

2.3 Электрические и оптические характеристики

Характеристики обычно приводятся при VDD = 1,8 В и Ta = 25°C.

2.3.1 Характеристики энергопотребления

• Потребляемый ток (при работе ALS и PS):160 uA (типичное значение, частота измерений 100 мс).
• Рабочий ток ALS:160 uA (типичное значение).
• Рабочий ток PS:57 мкА (типичное значение, 8 импульсов, 100% скважность, длительность импульса 32 мкс).
• Ток в режиме ожидания:1 мкА (типичное значение).
• Время пробуждения из режима ожидания:0,25 мс (типичное значение).

2.3.2 Характеристики датчика внешней освещенности

• Разрешение:Программируемое эффективное разрешение: 13, 14, 15 или 16 бит.
• Точность в люксах:±10% (типичное значение, при освещении белым светодиодом).
• Подсчет темнового тока:От 0 до 5 отсчетов (при 0 люкс, 16-битном разрешении, усилении 512x, времени интегрирования 100 мс).
• Время интегрирования:Программируемый, диапазон от 0,2 мс до 200 мс.
• Подавление фликкер-шума:Для освещения 50 Гц/60 Гц погрешность составляет ±5%.
• Спектральная чувствительность:Приближенная к фотопической чувствительности человеческого глаза.

2.3.3 Характеристики датчика приближения

• Разрешение:16-битное эффективное разрешение.
• Длина волны пика чувствительности:940 нм (типичное значение, для интегрированного ИК-излучателя).
• Дистанция обнаружения:Может достигать 20 см (типичное значение, настраивается в зависимости от количества импульсов, усиления и установок тока).
• Импульсный ток светодиода:Программируемый, до 186 мА (типичное значение).
• Длительность импульса светодиода:Программируемая: 8, 16, 32 или 64 мкс.
• Количество импульсов светодиода:Программируемое, от 1 до 256 импульсов на одно измерение.
• Подавление фонового освещения:До 10 клк (прямой солнечный свет). При превышении этого уровня функция отказобезопасности предотвращает ложные срабатывания.

3. Анализ кривых производительности

3.1 Спектральная характеристика ALS

Фотодиод датчика внешней освещенности оснащен фильтром, соответствующим функции светимости CIE для дневного зрения, которая определяет стандартную реакцию человеческого глаза на свет. Это гарантирует, что показания люксметра точно отражают воспринимаемую человеком яркость, а не просто исходную лучистую энергию. Это крайне важно для реализации автоматического управления яркостью дисплея, которое воспринимается пользователем как естественное.

3.2 Зависимость производительности PS от дальности

Характеристики производительности датчика приближения описываются как функция интенсивности отраженного сигнала от расстояния до стандартного отражающего объекта (обычно с коэффициентом отражения 88%). Эта зависимость нелинейна и следует закону обратных квадратов. График показывает, что при типичных настройках (например, VDD=1.8 В, ток светодиода 104 мА, 16 импульсов) можно получить четкий измеримый сигнал, что позволяет установить надежный порог обнаружения для конкретного рабочего расстояния (например, 5 см для обнаружения уха при разговоре по телефону).

3.3 Угловая характеристика ALS

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. Механическая и корпусная информация

LTR-X1503 выполнен в сверхминиатюрном 8-выводном корпусе для поверхностного монтажа типа chip-scale. Точные габаритные размеры приведены на чертежах в спецификации, которые включают виды сверху, сбоку и снизу с указанием ключевых размеров, таких как длина и ширина корпуса, высота, шаг выводов и размеры контактных площадок. Эта информация имеет решающее значение для проектирования посадочного места на печатной плате и обеспечения правильного механического сопряжения в конечном изделии.

4.1 Конфигурация и функции выводов

• Вывод 1 (VDD):Вход питания (3.0В - 3.6В).
• Вывод 2 (SCL):Вход тактового сигнала последовательной шины I2C.
• Вывод 3 (GND):Подключение к земле.
• Вывод 4 (LEDA):Подключение анода встроенного инфракрасного светодиода. Должен быть подключен к шине питания светодиода (V_LED).
• Вывод 5 (LDR):Подключение драйвера светодиода. Поскольку драйвер встроенный, этот вывод должен оставаться неподключенным (NC).
• Вывод 6 (NC):Внутреннее соединение отсутствует. Может быть оставлен неподключенным или заземлен.
• Вывод 7 (INT):Выход прерывания с активным низким уровнем. Этот выход с открытым стоком переходит в низкое состояние при возникновении события приближения (обнаружение/удаление объекта) на основе запрограммированного порога.
• Вывод 8 (SDA):Вход/выход последовательных данных I2C (с открытым стоком).

5. Прикладные схемы и руководство по проектированию

5.1 Рекомендуемые прикладные схемы

Типовая схема применения включает датчик, необходимые развязывающие конденсаторы и подтягивающие резисторы I2C.

• Развязка источника питания:Керамический конденсатор емкостью 1 мкФ (C1) следует разместить как можно ближе к земле между выводами VDD и GND. Дополнительно можно установить конденсатор 0.1 мкФ (C2) для подавления высокочастотных помех.
• Развязка питания светодиодов:Рекомендуется установить конденсатор емкостью 1 мкФ (C3) между выводом LEDA (а также шиной питания V_LED) и GND.
• Подтягивающие резисторы I2C:На линиях SCL и SDA требуются резисторы (Rp1, Rp2) номиналом от 1 кОм до 10 кОм. Конкретное значение зависит от емкости шины и требуемого времени нарастания; чем ниже сопротивление, тем сильнее подтяжка, но выше потребление тока. Если используется линия INT, для нее также может потребоваться аналогичный подтягивающий резистор.

5.2 Последовательность включения питания

Ключевые требования:Необходимо соблюдать правильную последовательность включения питания для предотвращения потенциальной защелки или повреждения.

• Включение питания:VDD (основной источник питания логики) должен бытьРанееВключение питания.
• Отключение питания:V_LED должен находиться в пределахРанее VDD.

Отключение питания.

6. Руководство по пайке и сборке

Этот компонент является поверхностно-монтируемым устройством, разработанным для технологии пайки оплавлением, широко используемой в крупносерийном электронном производстве.

6.1 Температурный профиль пайки оплавлением

• Хотя конкретное техническое описание может не детализировать температурный профиль, стандартная бессвинцовая (соответствующая RoHS) кривая оплавления применима. Обычно она включает:Предварительный нагрев / подъем температуры:
• Медленный нагрев (1-3°C/сек) до примерно 150-200°C для активации флюса и минимизации термического удара.Зона термостатирования:
• Выдерживать плато в диапазоне 150-200°C в течение 60-120 секунд, чтобы обеспечить равномерный нагрев всей платы и испарение летучих веществ.Зона оплавления:
• Быстро повысить температуру до пикового значения. Пиковая температура не должна превышать максимальное номинальное значение корпуса (может составлять 260°C в течение короткого времени, например, 10-30 секунд при температуре выше 245°C).Охлаждение:

Контролируемая стадия охлаждения.

Обратитесь к уровню чувствительности к влажности корпуса. Если устройство подвергалось воздействию влажности окружающей среды, превышающей его номинальный порог, следуйте соответствующим процедурам сушки и обработки.

6.2 Условия хранения

7. Упаковка и информация для заказа

LTR-X1503 поставляется в ленточной упаковке, подходящей для автоматических установщиков компонентов.

• Номер детали:LTR-X1503
• Тип корпуса:8-выводный корпус типа Chip Scale Package.
• Упаковка:Рулонная лента.
• Стандартное количество на рулон:3,000 штук.

8. Рекомендации по применению

8.1 Типичные сценарии применения

• Смартфон/планшет:Автоматическая регулировка яркости экрана (ALS) и отключение экрана/деактивация сенсора (PS) при приближении устройства к уху во время разговора.
• Ноутбук и монитор:Динамическая регулировка подсветки в зависимости от окружающего освещения для экономии энергии и повышения комфорта просмотра.
• Носимые устройства:Активация отображения при пробуждении жестом или взгляде пользователя на устройство (PS), а также управление яркостью.
• Потребительская электроника:Автоматическое управление включением/выключением, бесконтактные выключатели и детектирование присутствия в бытовой технике.

8.2 Соображения по проектированию и лучшие практики

• Оптический путь:Обеспечьте датчику внешней освещенности чистый, беспрепятственный оптический путь. Для датчика приближения спроектируйте окно или отверстие, чтобы инфракрасный свет мог эффективно излучаться, а отраженный свет — эффективно возвращаться. Избегайте размещения датчика за темными или поглощающими инфракрасное излучение материалами.
• Инфракрасные помехи:Датчик приближения использует инфракрасный свет с длиной волны 940 нм. Солнечный свет и некоторые искусственные источники света содержат инфракрасную составляющую. Высокое подавление засветки и функция устранения перекрестных помех датчика помогают, но для улучшения производительности рекомендуется размещать его вдали от прямых и мощных источников инфракрасного излучения.
• Управление шиной I2C:Используйте функцию прерывания для перевода основного MCU в спящий режим, пробуждая его только при возникновении события приближения. Опрашивайте датчик внешней освещенности с умеренной частотой (например, один раз в секунду), если не требуется отслеживать быстрые изменения яркости.
• Калибровка порога:Порог обнаружения датчика приближения должен быть откалиброван внутри корпуса конечного продукта, чтобы учесть толщину защитного стекла, коэффициент отражения и внутренние отражения (перекрестные помехи). Обычно это выполняется в процессе производства.

9. Сравнение технологий и дифференциация

LTR-X1503 конкурирует на рынке интегрированных решений ALS/PS. Его основные дифференцирующие преимущества могут включать:

• Высокая степень интеграции:Интеграция инфракрасного излучателя и датчика в одном корпусе является значительным преимуществом, которое сокращает перечень компонентов и упрощает оптическую юстировку по сравнению с решениями, требующими отдельных ИК-светодиодов.
• Производительность:Оба датчика обладают такими характеристиками, как 16-битное разрешение, высокое подавление фоновой засветки (10 клк) и программируемые параметры измерения, что обеспечивает гибкость проектирования и надежную производительность.
• Энергоэффективность:Конкурентоспособно низкий рабочий ток и ток в режиме ожидания имеют решающее значение для устройств с питанием от батареи.
• Цифровой интерфейс:Интерфейс I2C является стандартной и широко поддерживаемой шиной, что делает интеграцию простой и прямой.

10. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

10.1 Как настроить расстояние срабатывания датчика приближения?

Дистанция обнаружения не является единым фиксированным параметром, а результатом нескольких настраиваемых установок: импульсного тока светодиода, ширины импульса, количества импульсов и усиления приемника. Увеличение тока светодиода, количества импульсов или усиления приводит к повышению интенсивности отраженного сигнала, что позволяет обнаруживать объекты на большем расстоянии или с более низкой отражательной способностью. Конкретный порог "обнаружения" устанавливается пользователем в регистре порога прерывания путем характеристики данных приближающегося датчика на требуемом расстоянии в конечном продукте.

10.2 Почему важна последовательность включения питания между VDD и V_LED?

Неправильная последовательность может привести к протеканию большого импульсного тока через внутренние структуры защиты от электростатического разряда или логические схемы, что может вызвать защелкивание — состояние высокого тока, способное повредить устройство. Соблюдение указанной последовательности (включение: сначала VDD, затем V_LED; выключение: сначала V_LED, затем VDD) гарантирует правильное смещение внутренних транзисторов до подачи или снятия более высокого напряжения питания светодиода.

10.3 Что означает "подавление перекрестных помех" для датчика приближения?

Перекрестные помехи — это внутренние отражения внутри корпуса модуля устройства или его крышки, при которых инфракрасный свет от излучателя попадает непосредственно на фотодиод датчика приближения, не отражаясь от внешнего объекта. Это создает фоновое смещение, которое может привести к ложным срабатываниям или снижению чувствительности. LTR-X1503 использует алгоритм (обычно включающий измерение базового уровня при выключенном светодиоде) для измерения и вычитания этой составляющей перекрестных помех из окончательных данных датчика приближения, тем самым повышая точность обнаружения объектов.

10.4 Как датчик окружающего света реализует подавление мерцания 50/60 Гц?

Интенсивность ламп накаливания и люминесцентных ламп, питаемых от сети переменного тока, колеблется с частотой 100 Гц или 120 Гц (вдвое больше частоты сети). Если время интегрирования датчика кратно периоду мерцания (например, 10 мс, 20 мс, 100 мс), он усредняет полный световой период, тем самым компенсируя изменения и обеспечивая стабильные показания в люксах. Время интегрирования датчика может быть запрограммировано как целое кратное этих периодов для достижения такого подавления.

11. Исследование примеров проектирования и использования

11.1 Реализация энергосберегающего управления дисплеем в умных часах

Сценарий:Умные часы должны максимизировать время автономной работы. Дисплей должен быть ярким на улице, тусклым в помещении и полностью отключаться, когда за ним не наблюдают (например, когда пользователь опускает руку).

Реализовано с использованием LTR-X1503:

1. Роль ALS:Датчик окружающего освещения настроен на разрешение 16 бит и время интегрирования 100 мс (для подавления мерцания). Основной MCU считывает данные с датчика окружающего освещения через I2C один раз в секунду. Значение в люксах преобразуется в соответствующий коэффициент заполнения ШИМ для подсветки дисплея с помощью таблицы поиска или алгоритма, обеспечивая плавную автоматическую регулировку яркости.
2. PS роль:Близости датчик настраивается с соответствующим импульсным током и количеством импульсов в зависимости от ожидаемого расстояния просмотра (например, около 30 см). Устанавливаются пороги прерывания: нижний порог для "удаления объекта" (когда часы не смотрят) и верхний порог для "обнаружения объекта" (когда часы поднимают для просмотра). Вывод INT подключен к GPIO MCU с функцией пробуждения.
3. Энергосберегающий рабочий процесс:
   • Когда пользователь опускает руку, показания датчика приближения опускаются ниже нижнего порогового значения, что вызывает прерывание.
   • MCU пробуждается от сна, считывает статус прерывания и переводит дисплей в режим низкого энергопотребления (выключенное состояние).
   • Затем MCU может снова перевести себя и датчики (возможно, за исключением режима мониторинга датчика приближения с низким энергопотреблением) в спящий режим.
   • Когда пользователь поднимает руку, чтобы посмотреть на часы, датчик приближения обнаруживает объект, вызывает прерывание, пробуждает MCU, который затем полностью питает дисплей и датчик внешней освещенности, чтобы отображать правильное время с соответствующей яркостью.

По сравнению с дисплеем, который всегда включен или управляется только временем, такая комбинация значительно снижает среднее энергопотребление системы.

12. Краткое описание принципа работы

12.1 Принцип работы датчика внешней освещенности

Функция измерения окружающего освещения основана на фотодиоде, который является полупроводниковым устройством, генерирующим слабый ток, пропорциональный интенсивности падающего на него света. В LTR-X1503 этот фотодиод покрыт фильтром, имитирующим чувствительность человеческого глаза во всем видимом спектре. Генерируемый фототок очень мал (от пикоампер до наноампер). Интегрированный усилитель с транс-импедансным преобразованием преобразует этот ток в напряжение, которое затем оцифровывается высокоразрешающим аналого-цифровым преобразователем. Цифровое значение обрабатывается и предоставляется через регистры I2C, представляя освещенность в виде счётных единиц, которые могут быть преобразованы в единицы люкс с использованием калибровочной формулы.

12.2 Принцип работы датчиков приближения

Датчик приближения работает на основе принципа активного инфракрасного отражения. Интегрированный инфракрасный светодиод излучает короткие импульсы света с длиной волны 940 нм, невидимые для человеческого глаза. В качестве приемника используется отдельный, выделенный фотодиод (отличный от фотодиода для измерения окружающего освещения). Когда объект находится в пределах досягаемости, часть излученного инфракрасного света отражается от объекта и возвращается на приемный фотодиод. Датчик измеряет количество отраженного света, полученного во время и после каждого импульса светодиода. Сравнивая этот сигнал с фоновым инфракрасным уровнем (измеренным при выключенном светодиоде) и после устранения паразитной связи, датчик вычисляет счетные данные приближения. Чем выше счет, тем ближе объект или выше его отражательная способность. Этот счет сравнивается с запрограммированным пользователем порогом для генерации прерывания.

13. Технологические тренды

Рынок интегрированных оптических датчиков, таких как LTR-X1503, стимулируется несколькими явными тенденциями в электронной промышленности:

• Миниатюризация:Постоянный спрос на более компактные корпусные решения (например, чип-скейл) для адаптации к устройствам с растущей тонкостью, большими экранами и увеличенными батареями.
• Повышение уровня интеграции:Тенденция выходит за рамки простого объединения датчиков окружающего освещения и приближения. Будущие датчики могут интегрировать больше датчиков окружающей среды (цвет, жесты, время пролёта), что ещё больше снизит сложность системы.
• Интеллектуализация на периферии:Датчики получают всё больше возможностей обработки данных на кристалле. Будущие версии могут не только предоставлять исходные данные, но и выполнять внутренние вычисления освещённости (люкс), логику конечного автомата приближения и распознавание жестов, отправляя главному процессору только уведомления о высокоуровневых событиях, что дополнительно экономит энергопотребление системы.
• Улучшение производительности:Ожидания в отношении точности, динамического диапазона и энергопотребления продолжают расти. Достижения в области полупроводниковых технологий и оптического проектирования делают возможным создание АЦП с более низким уровнем шума, более высоким разрешением и более эффективных светодиодов.
• Стандартизация и программная поддержка:Надёжные и стандартизированные программные драйверы (например, для Android, Linux) становятся столь же важными, как и аппаратные характеристики, сокращая время вывода продукта на рынок для производителей устройств.