Техническая документация LTR-X130P - Интегрированный датчик приближения и внешней освещенности - Интерфейс I2C - 1.7В до 3.6В

1. Обзор продукта

LTR-X130P представляет собой высокоинтегрированный низковольтный оптический датчик, объединяющий функции определения приближения (PS) и измерения внешней освещенности (ALS) в едином миниатюрном бессвинцовом корпусе ChipLED для поверхностного монтажа. Основная философия его разработки заключается в обеспечении сложного обнаружения объектов и измерения света в приложениях с ограниченным пространством и питанием от батарей.

Основное преимущество датчика заключается в его системной интеграции. Он оснащен встроенным инфракрасным излучателем (светодиодом), фотодиодами видимого и инфракрасного диапазона, аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), программируемым контроллером прерываний и полным цифровым интерфейсом I2C. Такая интеграция значительно сокращает количество внешних компонентов и упрощает разводку печатной платы. Ключевой особенностью производительности является отличное подавление внешней засветки, позволяющее точно работать при прямом солнечном свете до 100 000 люкс, что делает его пригодным для использования на улице или в ярко освещенных помещениях. Программируемая функция прерывания позволяет основному микроконтроллеру переходить в режимы энергосбережения, пробуждаясь только при пересечении заданных порогов приближения, тем самым оптимизируя общую энергоэффективность системы — критически важный фактор для мобильных и портативных устройств.

Целевой рынок охватывает широкий спектр потребительской электроники и вычислительных устройств. Основные области применения включают автоматическое затемнение подсветки дисплея и регулировку яркости в смартфонах, планшетах, ноутбуках и мониторах, где это улучшает пользовательский опыт и экономит энергию. Кроме того, его способность обнаруживать объекты на расстоянии до 10 см используется для таких функций, как бесконтактное управление жестами, обнаружение присутствия (например, выключение дисплея, когда пользователь отходит) и простое избегание препятствий в различных устройствах.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Электрические и оптические характеристики

Все характеристики, как правило, измеряются при VDD = 2.8В и рабочей температуре (T_ope) 25°C, если не указано иное.

Энергетические характеристики:
Датчик работает в широком диапазоне напряжения питания от 1.7В до 3.6В, что совместимо с обычными выходами батарей и стабилизированными шинами питания. Типичный ток потребления во время активных измерений составляет 95 мкА при максимальном рабочем цикле. Важной особенностью для экономии энергии является режим ожидания (отключения), который потребляет всего 1 мкА. Время пробуждения из этого режима ожидания до готовности к активным измерениям обычно составляет 10 мс, что обеспечивает быстрый отклик при сохранении очень низкого среднего энергопотребления.

Характеристики датчика приближения (PS):
Функция PS является высоко настраиваемой. Эффективное разрешение выбирается между 8, 9, 10 и 11 битами, позволяя разработчикам выбирать между точностью измерений и скоростью преобразования. Интегрированный ИК-излучатель работает на пиковой длине волны 940 нм. Ток управления светодиодом программируется с шагами: 2.5, 5, 10, 25, 50, 75, 100 и 125 мА, что позволяет регулировать дальность обнаружения и энергопотребление. Светодиод импульсирует с частотой от 60 кГц до 100 кГц с рабочим циклом 50%. Количество импульсов на цикл измерения настраивается от 1 до 255, что напрямую влияет на время интегрирования и чувствительность. В типичных условиях (32 импульса, 60 кГц, ток управления 100 мА, мишень — серая карта с 18% отражения) датчик может обнаруживать объекты на расстоянии до 10 см. Его устойчивость к внешней засветке указана для прямого солнечного света до 100 клк.

2.2 Предельные эксплуатационные параметры и условия работы

Предельные эксплуатационные параметры:Это пределы напряжений, которые нельзя превышать даже кратковременно, чтобы избежать необратимого повреждения. Напряжение питания (VDD) не должно превышать 4.0В. Цифровые выводы ввода/вывода (SCL, SDA, INT) и вывод LDR имеют диапазон напряжения от -0.5В до +4.0В. Устройство может храниться при температурах от -40°C до +100°C.

Рекомендуемые условия эксплуатации:Они определяют нормальную рабочую среду для надежной работы. VDD должен поддерживаться в диапазоне от 1.7В до 3.6В. Питание анода светодиода (VLED) требует отдельного источника от 3.0В до 4.5В. Интерфейс I2C распознает логическую единицу (V_I2Chigh) при ≥1.5В и логический ноль (V_I2Clow) при ≤0.4В. Полный рабочий температурный диапазон составляет от -40°C до +85°C, что обеспечивает функциональность в суровых условиях.

2.3 Динамические электрические характеристики (интерфейс I2C)

Датчик поддерживает оба режима связи I2C: Стандартный (100 кГц) и Быстрый (400 кГц). Ключевые параметры синхронизации включают: частоту тактового сигнала SCL (f_SCL) от 0 до 400 кГц, минимальное время свободной шины (t_BUF) 1.3 мкс, минимальный период низкого уровня SCL (t_LOW) 1.3 мкс, минимальный период высокого уровня SCL (t_HIGH) 0.6 мкс и минимальное время установки данных (t_SU:DAT) 100 нс. Время нарастания и спада для сигналов SDA и SCL должно быть менее 300 нс. Входной фильтр подавляет шумовые выбросы короче 50 нс.

3. Анализ характеристических кривых

В техническом описании представлены типичные графики производительности, необходимые для проектирования.

Счет PS в зависимости от расстояния:Эта кривая иллюстрирует зависимость между необработанным цифровым выходом (счетом PS) от датчика и расстоянием до стандартной серой карты с 18% отражательной способностью. Кривая обычно нелинейна, показывая быстрое увеличение счета при очень близком расстоянии к датчику, за которым следует более плавное снижение с увеличением расстояния. Этот график имеет решающее значение для калибровки датчика и установки соответствующих порогов прерывания для конкретных диапазонов обнаружения в приложении.

Угловая характеристика излучателя:Эта диаграмма изображает пространственную диаграмму направленности встроенного инфракрасного светодиода. Она показывает интенсивность излучаемого ИК-света в зависимости от угла от центральной оси (обычно полярная диаграмма). Типичная диаграмма для данного корпуса может показывать широкое, ламбертовское распределение. Понимание этой диаграммы жизненно важно для механического проектирования, так как она влияет на эффективный угол обзора и зону обнаружения датчика приближения. Необходимо правильное совмещение любого защитного окна или линзы с этой диаграммой для достижения заявленной дальности 10 см.

4. Механическая информация и информация о корпусе

LTR-X130P выполнен в 8-выводном корпусе ChipLED для поверхностного монтажа. Габаритные размеры приведены в техническом описании, все измерения указаны в миллиметрах. Допуск размеров для неуказанных элементов составляет ±0.2 мм. Корпус предназначен для стандартных процессов автоматизированного монтажа и пайки оплавлением, распространенных в массовом производстве электроники.

5. Рекомендации по пайке и сборке

Хотя конкретные профили оплавления не детализированы в предоставленном отрывке, устройство предназначено для стандартной технологии поверхностного монтажа (SMT). Рекомендуется следовать руководствам JEDEC J-STD-020 для профилей бессвинцовой пайки оплавлением. Уровень чувствительности к влаге (MSL) следует уточнять в полной спецификации на корпус. Устройства обычно поставляются в сухом пакете с осушителем и должны быть прогреты в соответствии со стандартными процедурами, если индикаторная карта влажности в пакете показывает чрезмерное воздействие влаги перед использованием.

6. Упаковка и информация для заказа

Стандартная упаковка для LTR-X130P — лента и катушка, совместимая с автоматизированным сборочным оборудованием. Каждая катушка содержит 8000 единиц. Номер детали — LTR-X130P.

7. Рекомендации по проектированию приложений

7.1 Типовая схема включения

Рекомендуемая схема включения подчеркивает важные аспекты проектирования. Фундаментальное требование — разделение цифрового питания (VDD, 1.7-3.6В) и питания анода светодиода (VLED, 3.0-4.5В). Это разделение обязательно для обеспечения стабильного тока управления светодиодом и предотвращения проникновения шума от импульсов светодиода в чувствительные аналоговые и цифровые шины питания. Схема включает подтягивающие резисторы (Rp1, Rp2, Rp3) на линиях SDA, SCL и INT. Их номинал (1 кОм — 10 кОм) следует выбирать исходя из общей емкости шины и желаемого времени нарастания для соответствия спецификациям I2C. Развязывающие конденсаторы необходимы: керамический конденсатор 1 мкФ ±20% X7R/X5R (C1) должен быть размещен как можно ближе к выводу VDD, также рекомендуется конденсатор 0.1 мкФ (C2). Аналогичный конденсатор 1 мкФ (C3) используется на линии VLED.

7.2 Конфигурация выводов и их функции

• Вывод 1 (SDA):Линия последовательных данных I2C (двунаправленная).
• Вывод 2 (INT):Выход прерывания с активным низким уровнем. Активируется при возникновении программируемого события приближения.
• Вывод 3 (LDR):Подключается к катоду светодиода. При использовании внутреннего драйвера этот вывод соединяется с выводом 4 (LEDK).
• Вывод 4 (LEDK):Подключение катода светодиода.
• Вывод 5 (LEDA):Подключение анода светодиода. Должен питаться от отдельной шины VLED (3.0-4.5В).
• Вывод 6 (GND):Системная земля.
• Вывод 7 (SCL):Вход тактового сигнала I2C.
• Вывод 8 (VDD):Вход цифрового питания (1.7-3.6В).

8. Техническое сравнение и дифференциация

LTR-X130P выделяется благодаря высокой интеграции и надежной работе в сложных условиях. По сравнению с дискретными решениями (отдельный ИК-светодиод, фотодиод и микросхема обработки сигнала) он предлагает значительно меньшие габариты, упрощенный процесс внедрения и сокращенную спецификацию компонентов (BOM). По сравнению с другими интегрированными датчиками приближения его ключевые преимущества включают очень высокую устойчивость к внешней засветке в 100 клк, что превосходит многих конкурентов, а также гибкие, программируемые настройки тока светодиода и количества импульсов, позволяющие точно настраивать под конкретные требования по дальности, мощности и времени отклика. Заводская калибровка обеспечивает минимальные отклонения от образца к образцу, повышая выход годных изделий и согласованность в конечной продукции.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: Почему VDD и VLED должны быть отдельными шинами питания?
О: Импульсы светодиода могут потреблять значительный ток (до 125 мА). Использование общей шины питания вызвало бы большие провалы напряжения или шум на линии VDD, что могло бы дестабилизировать чувствительную аналоговую часть и цифровую логику датчика, приводя к неточным показаниям или сбросам. Раздельные шины изолируют этот шум.

В: Как увеличить дальность обнаружения более 10 см?
О: Дальность зависит от тока светодиода, количества импульсов и отражательной способности цели. Для увеличения дальности можно запрограммировать более высокий ток светодиода (до 125 мА) и/или увеличить количество импульсов за измерение (до 255). Обратите внимание, что это увеличит энергопотребление за цикл измерения.

В: Как функция прерывания помогает экономить энергию?
О: Вместо того чтобы основной микроконтроллер постоянно опрашивал датчик для получения показаний (поддерживая активность шины I2C и ЦПУ), датчик можно настроить с верхним и нижним порогами приближения. Основной контроллер переводит датчик и себя в режим низкого энергопотребления. Только когда объект входит в заданную зону приближения или выходит из нее, датчик активирует линию INT, пробуждая основной контроллер для принятия мер. Это минимизирует активность системы.

В: Для чего нужна функция компенсации паразитной связи?
О: В компактном корпусе часть ИК-света от внутреннего излучателя может напрямую просачиваться или отражаться внутри на фотодиод, не попадая на внешний объект. Это создает постоянное смещение или сигнал "паразитной связи". Датчик включает схему для измерения и цифрового вычитания этого смещения, гарантируя, что счет приближения действительно представляет отраженный свет от внешнего объекта.

10. Примеры проектирования и использования

Пример 1: Управление дисплеем смартфона:В смартфоне LTR-X130P размещается рядом с разговорным динамиком. Когда пользователь подносит телефон к уху во время звонка, датчик обнаруживает приближение головы (в пределах ~2-5 см). Он генерирует прерывание для процессора приложений, который затем выключает сенсорный экран дисплея, чтобы предотвратить случайные нажатия щекой, и затемняет подсветку для экономии энергии. Когда телефон убирают, дисплей восстанавливается.

Пример 2: Обнаружение присутствия для интерактивного киоска:Публичный информационный киоск использует датчик для обнаружения, когда человек приближается на расстояние до 50 см. При обнаружении он выходит из режима энергосбережения, активирует дисплей и показывает заставку. Если в течение заданного периода никого не обнаружено, он возвращается в спящий режим, что значительно снижает энергопотребление по сравнению с круглосуточной работой.

11. Принципы работы

LTR-X130P работает на принципе активного инфракрасного определения приближения и фотометрического измерения внешней освещенности. Для измерения приближения внутренний микроконтроллер запускает встроенный ИК-светодиод на излучение серии модулированных импульсов на длине волны 940 нм. Любой объект перед датчиком отражает часть этого света обратно. Специализированный ИК-чувствительный фотодиод преобразует интенсивность отраженного света в небольшой фототок. Этот ток интегрируется и преобразуется в цифровое значение высокоразрядным АЦП. Сила этого цифрового значения (счет PS) пропорциональна отражательной способности и близости объекта. Датчик одновременно измеряет внешнюю освещенность с помощью отдельного фотодиода видимого света, выходной сигнал которого обрабатывается для вычитания внешней ИК-составляющей из сигнала приближения, повышая точность.

Связь по I2C следует стандартным протоколам. Устройство имеет фиксированный 7-битный адрес ведомого устройства 0x53. Ведущий контроллер использует этот адрес для записи в регистры конфигурации (например, установка тока светодиода, количества импульсов, порогов прерывания) и для чтения данных о приближении и внешней освещенности. Протоколы чтения и записи, включая одиночную запись, последовательную запись и чтение в комбинированном формате (повторный START), реализованы в соответствии со спецификацией I2C.

12. Технологические тренды

Эволюция датчиков, подобных LTR-X130P, следует нескольким четким отраслевым тенденциям. Существует постоянное стремление к большей интеграции, объединению большего количества функций (например, определение цвета, распознавание жестов) в единые корпуса при одновременном уменьшении габаритов. Энергоэффективность остается первостепенной, что стимулирует снижение активного и токов ожидания, а также разработку более интеллектуальных схем пробуждения. Улучшается производительность в экстремальных условиях, с лучшей устойчивостью к солнечному свету и более широкими температурными диапазонами. Кроме того, наблюдается тенденция к созданию "более умных" датчиков со встроенными алгоритмами, которые предоставляют данные более высокого уровня, предварительно обработанные (например, флаги "объект присутствует/отсутствует" вместо необработанных счетчиков), чтобы разгрузить основной процессор приложений и упростить разработку программного обеспечения.