LTR-X1503 光学传感器数据手册 - 集成环境光与接近传感 - I2C接口 - 3.0-3.6V - 中文技术文档

1. 产品概述

LTR-X1503是一款高度集成、低电压的光学传感器，它将环境光传感器和接近传感器以及一个内置红外发射器，共同集成在一个微型、芯片级、无铅的表面贴装封装内。这种集成设计简化了电路设计，并为紧凑型电子设备节省了宝贵的电路板空间。

该传感器的核心优势在于其双重功能。环境光传感器在宽动态范围内提供线性的光度响应，使其适用于从极暗到极亮的各种环境光照条件。同时，内置的接近传感器可以检测用户可配置距离内物体的存在与否，从而实现诸如通话时屏幕熄灭或触摸屏失活等功能。

该器件主要面向移动设备、计算设备和消费电子市场。其超小尺寸、具备休眠模式的低功耗特性以及I2C数字接口，使其成为智能手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴设备和物联网设备的理想选择，在这些应用中，高效的电源管理和空间利用是关键制约因素。

1.1 核心特性与优势

• 单封装双传感：集成了环境光传感和接近传感，减少了元器件数量和PCB占用面积。
• 数字I2C接口：支持标准模式（100kHz）和快速模式（400kHz），便于与主控微控制器通信。
• 超低功耗运行：具备工作和待机模式。两个传感器同时工作的典型供电电流为160 uA，而待机电流可降至仅1 uA，显著延长了电池续航时间。
• 可编程中断功能：接近传感器包含一个具有可编程上下阈值和迟滞功能的中断系统。这消除了主处理器需要持续轮询传感器的需求，从而提高了整体系统效率和节能效果。
• 高性能环境光传感器：提供16位有效分辨率，在宽范围内具有线性响应，且光谱响应接近人眼。它包含对50Hz/60Hz照明闪烁的自动抑制功能，以确保在人造光源下获得稳定的读数。
• 稳健的接近传感：包含内置LED驱动器、高环境光抑制能力（高达10 klux）、16位分辨率以及串扰消除算法，可实现可靠的物体检测。
• 出厂校准：一次性出厂修调最大限度地减少了器件间的差异，确保了一致的性能，并减轻了终端客户的制造校准要求。
• 宽工作范围：工作电压范围为3.0V至3.6V，温度范围为-40°C至+85°C，并内置温度补偿电路以确保稳定运行。

2. 技术规格详解

2.1 绝对最大额定值

超出这些限制的压力可能会导致器件永久性损坏。

• 电源电压（VDD）：3.6 V
• 数字I/O引脚（SCL， SDA， INT）：适用于器件的正常工作。
• LED阳极电压（V_LED）：-0.5 V 至 4.6 V
• LED驱动器引脚电压（V_LDR）：-0.5 V 至 3.6 V
• 存储温度：-40°C 至 100°C
• ESD保护（HBM）：2000 V

2.2 推荐工作条件

For normal device operation.

• 电源电压（VDD）：3.0 V 至 3.6 V
• LED电源电压（V_LED）：2.8 V 至 4.0 V
• 工作温度：-40°C 至 85°C
• I2C高电平输入：1.5 V 至 VDD
• I2C低电平输入：0 V 至 0.4 V

2.3 电气与光学规格

规格通常在 VDD = 1.8V 且 Ta = 25°C 条件下给出。

2.3.1 功耗特性

• 供电电流（ALS与PS均工作）：160 uA（典型值，测量重复率为100ms）。
• ALS工作电流：160 uA（典型值）。
• PS工作电流：57 uA（典型值，8个脉冲，100%占空比，32us脉冲宽度）。
• 待机电流：1 uA（典型值）。
• 从待机唤醒时间：0.25 ms（典型值）。

2.3.2 环境光传感器特性

• 分辨率：可编程为13、14、15或16位有效分辨率。
• 勒克斯精度：±10%（典型值，在白光LED照明下）。
• 暗电平计数：0 至 5 个计数（在0勒克斯，16位分辨率，512倍增益，100ms积分时间下）。
• 积分时间：可编程，范围从0.2 ms 到 200 ms。
• 闪烁噪声抑制：对于50Hz/60Hz照明，误差为±5%。
• 光谱响应：接近人眼的明视觉响应。

2.3.3 接近传感器特性

• 分辨率：16位有效分辨率。
• 灵敏度峰值波长：940 nm（典型值，针对集成红外发射器）。
• 检测距离：最高可达20 cm（典型值，可根据脉冲数量、增益和电流设置进行配置）。
• LED脉冲电流：可编程，最高可达186 mA（典型值）。
• LED脉冲宽度：可编程：8、16、32或64 us。
• LED脉冲数量：可编程，每次测量1至256个脉冲。
• 环境光抑制：高达10 klux（直射阳光）。当超过此水平时，故障安全功能可防止误触发。

3. 性能曲线分析

3.1 ALS光谱响应

该传感器的环境光光电二极管设计有匹配CIE明视觉发光度函数的滤光片，该函数定义了人眼对光的标准响应。这确保了传感器报告的勒克斯读数能准确代表人感知到的亮度，而不仅仅是原始辐射能量。这对于实现让用户感觉自然的自动显示亮度控制至关重要。

3.2 PS性能与距离关系

接近传感器的性能特征表现为反射信号强度与到标准反射物体（通常反射率为88%）距离的函数关系。这种关系是非线性的，遵循平方反比定律。图表显示，在典型设置下（例如，VDD=1.8V，LED电流104mA，16个脉冲），可以获得清晰可测的信号，从而可以为特定的应用距离（例如，手机听筒检测的5cm）设置可靠的检测阈值。

3.3 ALS角度响应

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. 机械与封装信息

LTR-X1503采用超小型8引脚芯片级表面贴装封装。确切的轮廓尺寸在数据手册的尺寸图中提供，其中包括顶视图、侧视图和底视图，并标注了关键尺寸，如封装长度、宽度、高度、引脚间距和焊盘尺寸。这些信息对于PCB封装设计以及确保在最终产品中的正确机械配合至关重要。

4.1 引脚配置与功能

• 引脚 1 (VDD)：电源输入（3.0V - 3.6V）。
• 引脚 2 (SCL)：I2C串行时钟输入。
• 引脚 3 (GND)：接地连接。
• 引脚 4 (LEDA)：集成红外LED的阳极连接。必须连接到LED电源轨（V_LED）。
• 引脚 5 (LDR)：LED驱动器连接。由于驱动器是内置的，此引脚应保持悬空（NC）。
• 引脚 6 (NC)：无内部连接。可以悬空或接地。
• 引脚 7 (INT)：低电平有效中断输出引脚。当基于编程阈值发生接近事件（物体检测/移除）时，此开漏输出会置为低电平。
• 引脚 8 (SDA)：I2C串行数据输入/输出（开漏）。

5. 应用电路与设计指南

5.1 推荐应用电路

典型的应用电路包括传感器、必要的去耦电容和I2C上拉电阻。

• 电源去耦：一个1uF的陶瓷电容（C1）应尽可能靠近地放置在VDD和GND之间。可以额外添加一个0.1uF的电容（C2）以抑制高频噪声。
• LED电源去耦：建议在LEDA引脚（以及V_LED电源轨）和GND之间放置一个1uF的电容（C3）。
• I2C上拉电阻：SCL和SDA线上需要阻值在1 kΩ到10 kΩ之间的电阻（Rp1， Rp2）。具体阻值取决于总线电容和所需的上升时间；阻值越低，上拉能力越强，但会增加电流消耗。如果使用INT线，可能也需要类似的上拉电阻。

5.2 电源时序

关键要求：必须遵循正确的电源时序，以防止潜在的闩锁或损坏。

• 上电：VDD（主逻辑电源）必须在之前上电。
• 断电：V_LED必须在之前 VDD.

断电。

6. 焊接与组装指南

该元件为表面贴装器件，设计用于大批量电子制造中常见的回流焊工艺。

6.1 回流焊温度曲线

• 虽然具体的数据手册可能未详细说明温度曲线，但标准的无铅（符合RoHS）回流焊曲线是适用的。这通常包括：预热/升温：
• 缓慢升温（1-3°C/秒）至约150-200°C，以激活助焊剂并最小化热冲击。保温区：
• 在150-200°C保持一个平台期60-120秒，以确保整个电路板温度均匀并蒸发挥发物。回流区：
• 快速升温至峰值温度。峰值温度不应超过封装的最大额定值（可能在短时间内为260°C，例如在245°C以上10-30秒）。冷却：

受控的冷却阶段。

请查阅封装的湿度敏感等级，如果器件暴露在超过其额定阈值的环境湿度中，请遵循适当的烘烤和处理程序。

6.2 存储条件

7. 包装与订购信息

LTR-X1503以适合自动贴片机的卷带形式提供。

• 部件号：LTR-X1503
• 封装类型：8引脚芯片级封装。
• 包装：卷带。
• 每卷标准数量：3，000 片。

8. 应用建议

8.1 典型应用场景

• 智能手机/平板电脑：自动屏幕亮度调节（ALS）以及在通话时将设备贴近耳朵时的屏幕熄灭/触摸失活（PS）。
• 笔记本电脑与显示器：根据环境光进行动态背光调节，以节省功耗并提升观看舒适度。
• 可穿戴设备：手势唤醒或用户注视设备时显示激活（PS），以及亮度管理。
• 消费电子产品：家电中的自动开关控制、非接触式开关以及存在检测。

8.2 设计考量与最佳实践

• 光路：确保环境光传感器有清晰、无遮挡的光路。对于接近传感器，设计窗口或开口，使红外光能有效射出，反射光能有效返回。避免将传感器放置在深色或吸收红外的材料后面。
• 红外干扰：接近传感器使用940nm红外光。阳光和某些人造光源包含红外成分。传感器的高环境光抑制和串扰消除功能有所帮助，但将其远离直接、强烈的红外光源可以改善性能。
• I2C总线管理：利用中断功能使主MCU进入睡眠，仅在接近事件发生时唤醒它。以适中的速率（例如，每秒一次）轮询环境光传感器，除非需要跟踪快速的亮度变化。
• 阈值校准：必须在最终产品外壳内校准接近传感器的检测阈值，以考虑盖板玻璃厚度、反射率和内部反射（串扰）。这通常在制造过程中完成。

9. 技术对比与差异化

LTR-X1503在集成ALS/PS解决方案市场中竞争。其主要差异化优势可能包括：

• 高度集成：将红外发射器与传感器集成在同一封装内是一个显著优势，与需要分立红外LED的解决方案相比，减少了物料清单并简化了光学对准。
• 性能：两个传感器均具备16位分辨率、高环境光抑制（10 klux）以及可编程测量参数等特性，提供了设计灵活性和稳健的性能。
• 能效：具有竞争力的低工作电流和待机电流对于电池供电设备至关重要。
• 数字接口：I2C接口是一种标准且广泛支持的总线，使得集成变得简单直接。

10. 常见问题解答（基于技术参数）

10.1 如何设置接近传感器的检测距离？

检测距离不是一个单一的固定参数，而是多个可配置设置的结果：LED脉冲电流、脉冲宽度、脉冲数量以及接收器增益。通过增加LED电流、脉冲数量或增益，反射信号强度会增加，从而可以检测更远距离或反射率更低的物体。具体的“检测”阈值由用户在中断阈值寄存器中设置，方法是在最终产品中表征所需距离处的接近传感器数据计数。

10.2 为什么VDD和V_LED之间的电源时序很重要？

不正确的时序可能导致大浪涌电流流经内部ESD保护结构或逻辑电路，可能引发闩锁——一种可能导致器件损坏的高电流状态。遵循指定的时序（先VDD后V_LED上电；先V_LED后VDD断电）可确保在施加或移除较高电压的LED电源之前，内部晶体管得到正确的偏置。

10.3 对于接近传感器，“串扰消除”是什么意思？

串扰是指器件模块或其盖板内的内部反射，其中来自发射器的红外光未经外部物体反射就直接到达接近传感器光电二极管。这会产生一个背景偏移，可能导致误触发或降低灵敏度。LTR-X1503采用算法（通常涉及LED关闭时的基线测量）来测量并从最终的接近传感器数据中减去这种串扰分量，从而提高物体检测的准确性。

10.4 环境光传感器如何实现50/60Hz闪烁抑制？

由交流市电供电的白炽灯和荧光灯在100Hz或120Hz（两倍于线路频率）下强度会波动。如果传感器的积分时间是闪烁周期的整数倍（例如，10ms， 20ms， 100ms），它会对完整的光周期进行平均，从而抵消变化并提供稳定的勒克斯读数。传感器的积分时间可编程为这些周期的整数倍，以实现这种抑制。

11. 设计与使用案例研究

11.1 在智能手表中实现节能显示控制

场景：智能手表需要最大化电池续航。显示屏应在户外明亮，室内变暗，在不被观看时（例如，用户手臂放下时）完全关闭。

使用LTR-X1503实现：

1. ALS角色：环境光传感器配置为16位分辨率和100ms积分时间（用于闪烁抑制）。主MCU每秒通过I2C读取一次环境光传感器数据。通过查找表或算法将勒克斯值映射到显示屏背光对应的PWM占空比，实现平滑的自动亮度调节。
2. PS角色：接近传感器根据预期的观看距离（例如，约30cm）配置适当的脉冲电流和数量。设置中断阈值：一个用于“物体移除”（未观看手表）的下限阈值，一个用于“物体检测”（抬起手表观看）的上限阈值。INT引脚连接到MCU上具有唤醒功能的GPIO。
3. 节能工作流程：
   • 当用户放下手臂时，接近传感器计数降至下限阈值以下，触发中断。
   • MCU从睡眠中唤醒，读取中断状态，并命令显示屏进入低功耗关闭状态。
   • 然后MCU可以使自身和传感器（可能除了低功耗的接近传感器监控模式外）重新进入睡眠。
   • 当用户抬起手臂观看手表时，接近传感器检测到物体，触发中断，唤醒MCU，MCU随后完全为显示屏和环境光传感器供电，以适当的亮度显示正确时间。

与始终开启或仅时间控制的显示屏相比，这种组合显著降低了系统的平均功耗。

12. 工作原理简介

12.1 环境光传感原理

环境光传感功能基于光电二极管，这是一种半导体器件，其产生的微小电流与照射在其上的光强度成正比。在LTR-X1503中，该光电二极管覆盖有模仿人眼在整个可见光谱范围内敏感度的滤光片。产生的光电流非常小（皮安到纳安级）。集成的跨阻放大器将此电流转换为电压，然后由高分辨率模数转换器进行数字化。数字值经过处理，并通过I2C寄存器提供，代表以计数表示的照度，可以使用校准公式转换为勒克斯单位。

12.2 接近传感原理

接近传感器基于主动红外反射原理工作。集成的红外LED发射人眼不可见的940nm短脉冲光。一个独立的、专用的光电二极管（不同于环境光传感二极管）作为接收器。当物体在范围内时，部分发射的红外光从物体反射并返回到接收器光电二极管。传感器测量在每个LED脉冲期间和之后接收到的反射光量。通过将此信号与环境红外水平（LED关闭时测量）进行比较，并在串扰消除后，传感器计算出一个接近数据计数。计数越高，表示物体越近或反射率越高。将此计数与用户编程的阈值进行比较以触发中断。

13. 技术趋势

像LTR-X1503这样的集成光学传感器市场受到电子行业几个明显趋势的推动：

• 小型化：对更小封装尺寸（如芯片级）的持续需求，以适应日益纤薄、屏幕更大、电池更大的设备。
• 集成度提高：趋势正超越仅仅结合环境光传感和接近传感。未来的传感器可能会集成更多的环境传感器（颜色、手势、飞行时间），进一步降低系统复杂性。
• 边缘智能化：传感器正获得更多的片上处理能力。未来的版本可能不仅提供原始数据，还会在内部执行勒克斯计算、接近状态机逻辑和手势识别，仅向主处理器发送高级事件通知，从而进一步节省系统功耗。
• 性能改进：对精度、动态范围和功耗的期望持续提高。半导体工艺和光学设计的进步使得更低的噪声、更高分辨率的ADC和更高效的LED成为可能。
• 标准化与软件支持：稳健且标准化的软件驱动程序（例如，针对Android、Linux）正变得与硬件性能同等重要，减少了设备制造商的产品上市时间。