LTR-X1503 光學感應器規格書 - 集成環境光與接近感應 - I2C 介面 - 3.0-3.6V - 粵語技術文件

1. 產品概覽

LTR-X1503 係一款高度集成、低電壓嘅光學感應器，將環境光感應器（ALS）同接近感應器（PS）連同內置紅外線發射器，整合喺一個超細、無晶圓、無鉛嘅表面貼裝封裝入面。呢種集成設計簡化咗電路設計，喺緊湊嘅電子設備中慳返唔少電路板空間。

呢款感應器嘅核心優勢在於佢嘅雙重功能。ALS 喺一個好闊嘅動態範圍內提供線性光度響應，令佢適用於由極暗到極光嘅各種環境光照條件。同時，內置嘅接近感應器可以喺用戶可配置嘅距離內檢測到物件嘅存在與否，從而實現通話時熄屏或觸控屏停用等功能。

呢款器件主要針對流動裝置、電腦同消費電子市場。佢嘅超細體積、具備睡眠模式嘅低功耗特性，以及 I2C 數碼介面，令佢成為智能手機、平板電腦、手提電腦、穿戴式裝置同物聯網設備嘅理想選擇，呢啲設備對高效電源管理同空間限制要求好高。

1.1 核心功能與優勢

• 單一封裝雙重感應：集成環境光感應（ALS）同接近感應（PS），減少元件數量同 PCB 佔用空間。
• 數碼 I2C 介面：支援標準模式（100kHz）同快速模式（400kHz），方便同主控微處理器通訊。
• 超低功耗運作：具備工作模式同待機模式。兩個感應器嘅典型工作電流係 160 uA，而待機電流更降至僅 1 uA，顯著延長電池壽命。
• 可編程中斷功能：PS 包含一個中斷系統，具有可編程嘅上下限閾值同遲滯功能。咁樣就唔需要主處理器不斷輪詢感應器，提高整體系統效率同節省電力。
• 高性能 ALS：提供 16 位有效解像度，喺寬廣範圍內具有線性響應，光譜響應接近人眼。佢包含自動抑制 50Hz/60Hz 燈光閃爍嘅功能，確保喺人造光源下讀數穩定。
• 穩健嘅接近感應：包含內置 LED 驅動器、高環境光抑制能力（高達 10 klux）、16 位解像度，以及串擾消除演算法，實現可靠嘅物件檢測。
• 出廠校準：一次性出廠微調將器件間差異減至最低，確保性能一致，並減輕終端客戶嘅生產校準要求。
• 寬廣工作範圍：工作電壓由 3.0V 至 3.6V，溫度範圍由 -40°C 至 +85°C，並內置溫度補償電路以確保穩定運作。

2. 技術規格詳解

2.1 絕對最大額定值

超出呢啲限制嘅應力可能會對器件造成永久損壞。

• 供電電壓（VDD）：3.6 V
• 數碼 I/O 引腳（SCL, SDA, INT）：適用於器件正常運作。
• LED 陽極電壓（V_LED）：-0.5 V 至 4.6 V
• LED 驅動器引腳電壓（V_LDR）：-0.5 V 至 3.6 V
• 儲存溫度：-40°C 至 100°C
• ESD 保護（HBM）：2000 V

2.2 建議工作條件

For normal device operation.

• 供電電壓（VDD）：3.0 V 至 3.6 V
• LED 供電電壓（V_LED）：2.8 V 至 4.0 V
• 工作溫度：-40°C 至 85°C
• I2C 高電平輸入：1.5 V 至 VDD
• I2C 低電平輸入：0 V 至 0.4 V

2.3 電氣與光學規格

規格通常喺 VDD = 1.8V 同 Ta = 25°C 下給出。

2.3.1 電源特性

• 供電電流（ALS 同 PS 均工作）：160 uA（典型值，測量重複率為 100ms）。
• ALS 工作電流：160 uA（典型值）。
• PS 工作電流：57 uA（典型值，使用 8 個脈衝，100% 佔空比，32us 脈衝寬度）。
• 待機電流：1 uA（典型值）。
• 從待機喚醒時間：0.25 ms（典型值）。

2.3.2 環境光感應器（ALS）特性

• 解像度：可編程為 13、14、15 或 16 位有效解像度。
• 勒克斯準確度：±10%（典型值，喺白光 LED 照明下）。
• 暗電平計數：0 至 5 個計數（喺 0 勒克斯、16 位解像度、512x 增益、100ms 積分時間下）。
• 積分時間：可編程由 0.2 ms 至 200 ms。
• 閃爍噪音抑制：對於 50Hz/60Hz 照明，誤差為 ±5%。
• 光譜響應：接近人眼嘅明視覺響應。

2.3.3 接近感應器（PS）特性

• 解像度：16 位有效解像度。
• 靈敏度峰值波長：940 nm（典型值，適用於集成紅外發射器）。
• 檢測距離：高達 20 cm（典型值，可根據脈衝數量、增益同電流設定進行配置）。
• LED 脈衝電流：可編程，高達 186 mA（典型值）。
• LED 脈衝寬度：可編程：8、16、32 或 64 us。
• LED 脈衝數量：可編程，每次測量由 1 至 256 個脈衝。
• 環境光抑制：高達 10 klux（直射陽光）。設有防故障功能，防止喺此水平以上出現誤觸發。

3. 性能曲線分析

3.1 ALS 光譜響應

感應器嘅環境光光電二極管設計有濾光片，以匹配 CIE 明視覺光度函數，該函數定義咗人眼對光嘅標準響應。咁樣確保感應器報告嘅勒克斯讀數準確代表人感知到嘅亮度，而不僅僅係原始輻射能量。對於令用戶感覺自然嘅自動顯示屏亮度控制嚟講，呢點至關重要。

3.2 PS 性能與距離關係

接近感應器嘅性能特徵係反射信號強度作為與標準反射物件（通常為 88% 反射率）距離嘅函數。呢個關係係非線性嘅，遵循平方反比定律。圖表顯示，喺典型設定下（例如，VDD=1.8V，LED 電流 104mA，16 個脈衝），可以獲得清晰且可測量嘅信號，從而可以為特定應用距離（例如，電話聽筒檢測嘅 5cm）設定可靠嘅檢測閾值。

3.3 ALS 角度響應

感應器嘅角度響應圖（X 同 Y 軸）顯示測量到嘅光強度如何隨入射角變化。對於大多數環境光感應應用嚟講，完美嘅餘弦（朗伯）響應係理想嘅。LTR-X1503 表現出接近呢個理想值嘅響應，確保無論主要光源相對於感應器嘅方向如何，都能獲得準確讀數。由於封裝同光學設計嘅限制，大多數感應器喺極端角度（> ±60 度）下偏離理想餘弦響應係典型情況。

4. 機械與封裝資訊

LTR-X1503 封裝喺一個超細嘅 8 腳無晶圓表面貼裝封裝內。確切嘅外形尺寸喺規格書嘅尺寸圖中提供，包括頂視圖、側視圖同底視圖，並標示關鍵尺寸，例如封裝長度、寬度、高度、引腳間距同焊盤尺寸。呢啲資訊對於 PCB 佔位設計同確保喺最終產品內嘅正確機械配合至關重要。

4.1 引腳配置與功能

• 引腳 1（VDD）：電源輸入（3.0V - 3.6V）。
• 引腳 2（SCL）：I2C 串行時鐘輸入。
• 引腳 3（GND）：接地連接。
• 引腳 4（LEDA）：集成紅外線 LED 嘅陽極連接。必須連接至 LED 供電軌（V_LED）。
• 引腳 5（LDR）：LED 驅動器連接。由於驅動器係內置嘅，呢個引腳應保持懸空（NC）。
• 引腳 6（NC）：無內部連接。可以懸空或接地。
• 引腳 7（INT）：低電平有效中斷輸出引腳。呢個開漏輸出喺根據編程閾值發生接近事件（物件檢測/移除）時會拉低。
• 引腳 8（SDA）：I2C 串行數據輸入/輸出（開漏）。

5. 應用電路與設計指南

5.1 建議應用電路

典型應用電路包括感應器、必要嘅去耦電容器同 I2C 上拉電阻。

• 電源去耦：一個 1uF 陶瓷電容器（C1）應盡可能靠近 VDD 同 GND 放置。可以額外添加一個 0.1uF 電容器（C2）以抑制高頻噪音。
• LED 供電去耦：建議喺 LEDA 引腳（同 V_LED 軌）同 GND 之間放置一個 1uF 電容器（C3）。
• I2C 上拉電阻：SCL 同 SDA 線上需要阻值介乎 1 kΩ 至 10 kΩ 嘅電阻（Rp1, Rp2）。確切值取決於總線電容同所需上升時間；較低阻值提供更強嘅上拉但會增加電流消耗。如果使用 INT 線，可能需要類似嘅上拉電阻。

5.2 電源時序

關鍵要求：必須遵循正確嘅電源時序，以防止潛在嘅閂鎖或損壞。

• 上電：VDD（主邏輯供電）必須喺之前V_LED（LED 供電）上電。
• 斷電：V_LED 必須喺之前 VDD.

VDD 斷電。

6. 焊接與組裝指南

呢個元件係表面貼裝器件（SMD），專為大批量電子製造中常見嘅回流焊接工藝而設計。

6.1 回流焊接溫度曲線

• 雖然具體規格書可能無詳細說明溫度曲線，但標準無鉛（符合 RoHS）回流焊接曲線係適用嘅。通常包括：預熱/升溫：
• 逐漸升溫（1-3°C/秒）至約 150-200°C，以激活助焊劑並減少熱衝擊。保溫區：
• 喺 150-200°C 保持一個平台期 60-120 秒，確保整個電路板溫度均勻並蒸發揮發物。回流區：
• 快速升至峰值溫度。峰值溫度不應超過封裝最大額定值（可能短時間內為 260°C，例如高於 245°C 10-30 秒）。冷卻：

受控嘅冷卻階段。

請查閱封裝嘅濕度敏感等級（MSL），如果器件暴露喺超出其額定閾值嘅環境濕度中，請遵循適當嘅烘烤同處理程序。

6.2 儲存條件

器件應儲存喺其原有嘅防潮袋中，並放入乾燥劑，置於受控環境中（通常 <40°C 同 <90% 相對濕度），以防止氧化同吸濕。

7. 包裝與訂購資訊

• LTR-X1503 以適合自動貼片機嘅編帶包裝形式供應。部件編號：
• LTR-X1503封裝類型：
• 8 腳無晶圓封裝。包裝：
• 編帶包裝。每卷標準數量：

3,000 件。

8. 應用建議

• 8.1 典型應用場景智能手機/平板電腦：
• 自動屏幕亮度調節（ALS），以及通話時將設備貼近耳朵時嘅屏幕熄滅/觸控停用（PS）。手提電腦與顯示器：
• 根據環境光進行動態背光調節，以節省電力同提升觀看舒適度。穿戴式裝置：
• 手勢喚醒或用戶查看設備時顯示屏激活（PS），以及亮度管理。消費電子產品：

電器中嘅自動開/關控制、非接觸式開關同存在檢測。

• 8.2 設計考慮與最佳實踐光路：
• 確保 ALS 有清晰、無遮擋嘅光路通往環境。對於 PS，設計窗口或開口時要讓紅外光有效射出同反射光有效返回。避免將感應器放置喺深色或吸收紅外線嘅材料後面。紅外線干擾：
• 接近感應器使用 940nm 紅外光。陽光同某些人造光源含有紅外線成分。感應器嘅高環境光抑制同串擾消除功能有幫助，但將感應器遠離直接、強烈嘅紅外線源可以提高性能。I2C 總線管理：
• 利用中斷功能令主控 MCU 進入睡眠，僅喺發生接近事件時喚醒佢。除非需要追蹤快速亮度變化，否則以中等速率（例如，每秒一次）輪詢 ALS。閾值校準：

PS 檢測閾值必須喺最終產品外殼內進行校準，以考慮蓋板玻璃厚度、反射率同內部反射（串擾）。呢個通常喺製造過程中完成。

9. 技術比較與差異化

• LTR-X1503 喺一個有其它集成 ALS/PS 解決方案嘅市場中競爭。佢嘅主要差異化優勢可能包括：高度集成：
• 將紅外發射器同感應器結合喺同一個封裝內係一個顯著優勢，相比需要分立紅外 LED 嘅解決方案，減少咗物料清單（BOM）並簡化咗光學對準。性能：
• 兩個感應器均具備 16 位解像度、高環境光抑制（10 klux）同可編程測量參數等功能，提供設計靈活性同穩健性能。電源效率：
• 具競爭力嘅低工作電流同待機電流對於電池供電設備至關重要。數碼介面：

I2C 介面係一種標準、廣泛支援嘅總線，令集成變得直接簡單。

10. 常見問題解答（基於技術參數）

10.1 點樣設定接近感應器嘅檢測距離？

檢測距離唔係一個固定參數，而係幾個可配置設定嘅結果：LED 脈衝電流、脈衝寬度、脈衝數量同接收器增益。通過增加 LED 電流、脈衝數量或增益，反射信號強度會增加，從而可以檢測更遠距離或反射率更低嘅物件。具體嘅檢測閾值由用戶通過喺最終產品中喺所需距離下表徵 PS 數據計數，然後喺中斷閾值寄存器中設定。

10.2 點解 VDD 同 V_LED 之間嘅電源時序咁重要？

不正確嘅時序可能導致大浪湧電流流經內部 ESD 保護結構或邏輯電路，可能導致閂鎖——一種可能損壞器件嘅高電流狀態。遵循指定嘅時序（先 VDD 後 V_LED 上電；先 V_LED 後 VDD 斷電）可確保喺施加或移除較高電壓嘅 LED 供電之前，內部晶體管得到正確偏置。

10.3 對於 PS 嚟講，串擾消除係咩意思？

串擾係指器件模組或其蓋板內嘅內部反射，其中來自發射器嘅紅外光未經外部物件反射就直接到達 PS 光電二極管。呢個會產生背景偏移，可能導致誤觸發或降低靈敏度。LTR-X1503 包含演算法（通常涉及 LED 關閉時嘅基線測量）來測量並從最終 PS 數據中減去呢個串擾分量，從而提高物件檢測嘅準確性。

10.4 ALS 點樣實現 50/60Hz 閃爍抑制？

由交流電源供電嘅白熾燈同熒光燈喺 100Hz 或 120Hz（兩倍於線路頻率）下強度會波動。如果感應器嘅積分時間係閃爍週期嘅倍數（例如，10ms、20ms、100ms），佢就會喺完整嘅光週期內進行平均，抵消變化並提供穩定嘅勒克斯讀數。感應器嘅積分時間可編程為呢啲週期嘅倍數，以實現呢種抑制。

11. 設計與使用案例研究

11.1 喺智能手錶中實現節能顯示控制場景：

一隻智能手錶需要最大化電池壽命。顯示屏喺戶外應該要光，室內要暗，當唔睇嘅時候（例如，用戶手臂垂下時）應該完全關閉。

1. 使用 LTR-X1503 實現：ALS 角色：
2. ALS 配置為 16 位解像度同 100ms 積分時間（用於閃爍抑制）。主控 MCU 每秒通過 I2C 讀取 ALS 數據。一個查找表或演算法將勒克斯值映射到顯示屏背光嘅相應 PWM 佔空比，提供平滑嘅自動亮度調節。PS 角色：
3. PS 根據預期手錶到面部距離（例如，~30cm）配置適當嘅脈衝電流同數量。設定中斷閾值：一個較低閾值用於物件移除（未查看手錶），一個較高閾值用於物件檢測（抬起手錶查看）。INT 引腳連接至 MCU 上一個可喚醒嘅 GPIO。
   • 節能工作流程：
   • 當用戶垂下手臂時，PS 計數低於較低閾值，觸發中斷。
   • MCU 從睡眠中喚醒，讀取中斷狀態，並命令顯示屏進入低功耗關閉狀態。
   • 然後 MCU 可以將自己同感應器（可能除咗低功耗 PS 監控模式）重新置於睡眠狀態。

當用戶抬起手臂查看手錶時，PS 檢測到物件，觸發中斷，喚醒 MCU，MCU 然後完全供電顯示屏同 ALS，以適當亮度顯示正確時間。

相比顯示屏常開或僅受時間控制，呢種組合顯著降低咗平均系統功耗。

12. 工作原理簡介

12.1 環境光感應原理

ALS 功能基於光電二極管，呢種半導體器件會產生與照射其上嘅光強度成正比嘅微小電流。喺 LTR-X1503 中，呢個光電二極管覆蓋有模仿人眼喺可見光譜內敏感度嘅濾光片。產生嘅光電流非常小（皮安至納安）。一個集成跨阻放大器將呢個電流轉換為電壓，然後由高解像度模數轉換器（ADC）進行數碼化。數碼值經過處理並通過 I2C 寄存器提供，代表照度計數，可以使用校準公式轉換為勒克斯單位。

12.2 接近感應原理

PS 基於主動紅外反射原理運作。集成紅外線 LED 發射短脈衝嘅 940nm 光，呢種光對人眼係不可見嘅。一個獨立嘅專用光電二極管（不同於 ALS 二極管）作為接收器。當物件喺範圍內時，部分發射出嘅紅外光從物件反射並返回接收器光電二極管。感應器測量喺每個 LED 脈衝期間同之後接收到嘅反射光量。通過將呢個信號與環境紅外線水平（LED 關閉時測量）進行比較，並喺串擾消除後，感應器計算出一個接近數據計數。計數越高表示物件越近或反射率越高。呢個計數會與用戶編程嘅閾值進行比較以觸發中斷。

13. 技術趨勢

• 像 LTR-X1503 呢類集成光學感應器嘅市場受到電子行業幾個明顯趨勢嘅推動：微型化：
• 對更細封裝尺寸（如無晶圓）嘅持續需求，以適應顯示屏更大、電池更大但機身更薄嘅設備。集成度提高：
• 趨勢正超越結合 ALS 同 PS。未來嘅感應器可能會集成更多環境感應器（顏色、手勢、飛行時間），進一步降低系統複雜性。邊緣智能：
• 感應器正獲得更多片上處理能力。未來版本可能唔再只提供原始數據，而係內部執行勒克斯計算、接近狀態機邏輯同手勢識別，僅向主處理器發送高級事件通知，進一步節省系統功耗。性能改進：
• 對準確度、動態範圍同功耗嘅期望持續提高。半導體工藝同光學設計嘅進步實現咗更低噪音、更高解像度嘅 ADC 同更高效嘅 LED。標準化與軟件支援：