LTR-X1503 光學感測器規格書 - 整合式環境光與接近感測器 - I2C 介面 - 3.0-3.6V - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTR-X1503 是一款高度整合、低電壓的光學感測器，將環境光感測器 (ALS) 與接近感測器 (PS) 以及內建的紅外線發射器，整合於單一微型、晶片級、無鉛表面黏著封裝中。此整合設計簡化了電路佈局，並為緊湊型電子設備節省了寶貴的電路板空間。

此感測器的核心優勢在於其雙重功能。ALS 在寬廣的動態範圍內提供線性的光度響應，使其適用於從極暗到極亮等各種環境光照條件的應用。同時，內建的接近感測器能夠在使用者可設定的距離內偵測物體的存在與否，從而實現如通話時螢幕關閉或觸控螢幕停用等功能。

本裝置主要針對行動裝置、電腦及消費性電子市場。其超小型封裝、具備休眠模式的低功耗特性以及 I2C 數位介面，使其成為智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、穿戴式裝置及物聯網裝置的理想選擇，在這些應用中，高效的電源管理與空間利用是關鍵限制因素。

1.1 核心功能與優勢

• 單一封裝雙重感測：整合環境光感測 (ALS) 與接近感測 (PS)，減少元件數量與 PCB 佔用面積。
• 數位 I2C 介面：支援標準模式 (100kHz) 與快速模式 (400kHz)，便於與主控微控制器通訊。
• 超低功耗運作：具備主動與待機模式。兩個感測器同時運作時，典型主動供電電流為 160 uA，而待機電流可降至僅 1 uA，顯著延長電池壽命。
• 可編程中斷功能：PS 包含一個具可編程上下限閾值及遲滯功能的中斷系統。這消除了主處理器需持續輪詢感測器的需求，提升了整體系統效率並節省電力。
• 高效能 ALS：提供 16 位元有效解析度、寬廣範圍內的線性響應，以及接近人眼的光譜響應。它包含對 50Hz/60Hz 照明閃爍的自動抑制功能，確保在人造光源下讀數穩定。
• 穩健的接近感測：包含內建 LED 驅動器、高環境光抑制能力 (最高 10 klux)、16 位元解析度以及串擾消除演算法，確保可靠的物體偵測。
• 工廠校準：一次性工廠微調將元件間的差異降至最低，確保一致的效能，並減輕終端客戶在生產校準上的需求。
• 寬廣工作範圍：工作電壓範圍為 3.0V 至 3.6V，溫度範圍為 -40°C 至 +85°C，並內建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

超出這些限制的應力可能會對裝置造成永久性損壞。

• 供電電壓 (VDD)：3.6 V
• 數位 I/O 接腳 (SCL, SDA, INT)：適用於裝置正常運作。
• LED 陽極電壓 (V_LED)：-0.5 V 至 4.6 V
• LED 驅動器接腳電壓 (V_LDR)：-0.5 V 至 3.6 V
• 儲存溫度：-40°C 至 100°C
• ESD 防護 (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 高電位輸入：1.5 V 至 VDD
• I2C 低電位輸入：0 V 至 0.4 V

2.3 電氣與光學規格

規格通常在 VDD = 1.8V 且 Ta = 25°C 下給出。

2.3.1 電源特性

• 供電電流 (ALS 與 PS 皆啟動)：160 uA (典型值，測量重複率為 100ms)。
• ALS 啟動電流：160 uA (典型值)。
• PS 啟動電流：57 uA (典型值，使用 8 個脈衝，100% 工作週期，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 環境光感測器 (ALS) 特性

• 解析度：可編程設定為 13、14、15 或 16 位元有效解析度。
• 照度準確度：±10% (典型值，在白光 LED 照明下)。
• 暗階計數：0 至 5 計數 (在 0 Lux、16 位元解析度、512x 增益、100ms 積分時間下)。
• 積分時間：可編程設定，範圍從 0.2 ms 至 200 ms。
• 閃爍雜訊抑制：對於 50Hz/60Hz 照明，誤差為 ±5%。
• 光譜響應：接近人眼的明視覺響應。

2.3.3 接近感測器 (PS) 特性

• 解析度：16 位元有效解析度。
• 靈敏度峰值波長：940 nm (典型值，針對整合式 IR 發射器)。
• 偵測距離：最高可達 20 cm (典型值，可根據脈衝數量、增益及電流設定進行配置)。
• LED 脈衝電流：可編程設定，最高可達 186 mA (典型值)。
• LED 脈衝寬度：可編程設定：8、16、32 或 64 us。
• LED 脈衝數量：可編程設定，每次測量從 1 到 256 個脈衝。
• 環境光抑制：最高可達 10 klux (直射陽光)。當超過此水平時，安全防護功能可防止誤觸發。

3. 性能曲線分析

3.1 ALS 光譜響應

感測器的環境光光電二極體設計有濾光片，以匹配 CIE 明視覺發光效率函數，該函數定義了人眼對光的標準響應。這確保感測器報告的照度讀數能準確代表人眼感知的亮度，而不僅僅是原始輻射能量。這對於實現讓使用者感覺自然的自動顯示器亮度控制至關重要。

3.2 PS 性能與距離關係

接近感測器的性能特徵是反射訊號強度與標準反射物體 (通常為 88% 反射率) 距離的函數關係。此關係是非線性的，遵循平方反比定律。圖表顯示，在典型設定下 (例如，VDD=1.8V、LED 電流 104mA、16 個脈衝)，可以獲得清晰且可測量的訊號，從而能夠為特定的應用距離 (例如，手機聽筒偵測的 5cm) 設定可靠的偵測閾值。

3.3 ALS 角度響應

感測器的角度響應圖 (針對 X 軸和 Y 軸) 顯示了測得的光強度如何隨入射角變化。對於大多數環境光感測應用，完美的餘弦 (朗伯) 響應是理想的。LTR-X1503 展現出接近此理想的響應，確保無論主要光源相對於感測器的方向如何，都能獲得準確的讀數。在極端角度 (> ±60 度) 下偏離理想餘弦響應，對於大多數感測器來說是典型的，這是由於封裝和光學設計的限制。

4. 機械與封裝資訊

LTR-X1503 採用超小型 8 接腳晶片級表面黏著封裝。確切的輪廓尺寸在規格書的尺寸圖中提供，其中包括頂視、側視和底視圖，並標示了關鍵尺寸，如封裝長度、寬度、高度、接腳間距和焊墊尺寸。此資訊對於 PCB 焊墊設計以及確保在最終產品中的正確機械配合至關重要。

4.1 接腳配置與功能

• 接腳 1 (VDD)：電源輸入 (3.0V - 3.6V)。
• 接腳 2 (SCL)：I2C 序列時脈輸入。
• 接腳 3 (GND)：接地連接。
• 接腳 4 (LEDA)：整合式紅外線 LED 的陽極連接。必須連接到 LED 供電軌 (V_LED)。
• 接腳 5 (LDR)：LED 驅動器連接。由於驅動器是內建的，此接腳應保持浮接 (NC)。
• 接腳 6 (NC)：無內部連接。可保持未連接或接地。
• 接腳 7 (INT)：低電位有效的中斷輸出接腳。當根據編程閾值發生接近事件 (物體偵測/移除) 時，此開汲極輸出會拉低。
• 接腳 8 (SDA)：I2C 序列資料輸入/輸出 (開汲極)。

5. 應用電路與設計指南

5.1 建議應用電路

典型的應用電路包括感測器、必要的去耦電容器以及 I2C 上拉電阻。

• 電源去耦：應在 VDD 與 GND 之間盡可能靠近感測器放置一個 1uF 陶瓷電容器 (C1)。可額外添加一個 0.1uF 電容器 (C2) 以抑制高頻雜訊。
• LED 電源去耦：建議在 LEDA 接腳 (以及 V_LED 軌) 與 GND 之間放置一個 1uF 電容器 (C3)。
• I2C 上拉電阻：SCL 和 SDA 線路上需要阻值在 1 kΩ 至 10 kΩ 之間的電阻 (Rp1, Rp2)。確切值取決於匯流排電容和所需的上升時間；較低的阻值提供更強的上拉，但會增加電流消耗。如果使用 INT 線路，可能也需要類似的上拉電阻。

5.2 電源順序

關鍵要求：必須遵循正確的電源順序，以防止潛在的鎖定或損壞。

• 開機：VDD (主要邏輯電源) 必須在V_LED (LED 電源) 之前上電。
• 關機：V_LED 必須在 VDD.

VDD 之前斷電。

6. 焊接與組裝指南

此元件為表面黏著裝置 (SMD)，設計用於大量電子製造中常見的回流焊接製程。

6.1 回流焊接溫度曲線

• 雖然具體的規格書可能未詳細說明溫度曲線，但標準的無鉛 (符合 RoHS) 回流焊接曲線是適用的。這通常包括：預熱/升溫：
• 緩慢升溫 (1-3°C/秒) 至約 150-200°C，以活化助焊劑並減少熱衝擊。均溫區：
• 在 150-200°C 保持平台期 60-120 秒，確保整個電路板溫度均勻並蒸發揮發物。回流區：
• 快速升溫至峰值溫度。峰值溫度不應超過封裝的最大額定值 (可能為 260°C，短時間，例如在 245°C 以上 10-30 秒)。冷卻：

受控的冷卻階段。 請查閱封裝的濕度敏感等級 (MSL)，如果裝置暴露在超過其額定閾值的環境濕度中，請遵循適當的烘烤和處理程序。

6.2 儲存條件

裝置應儲存在其原始的防潮袋中，並放入乾燥劑，置於受控環境中 (通常 <40°C 且相對濕度 <90%)，以防止氧化和吸濕。

7. 包裝與訂購資訊

LTR-X1503 以適合自動貼片機的捲帶包裝形式供應。

• 零件編號：LTR-X1503
• 封裝類型：8 接腳晶片級封裝。
• 包裝：捲帶包裝。
• 每捲標準數量：3,000 個。

8. 應用建議

8.1 典型應用場景

• 智慧型手機/平板電腦：自動螢幕亮度調整 (ALS)，以及通話時將裝置貼近耳朵時的螢幕關閉/觸控停用 (PS)。
• 筆記型電腦與顯示器：根據環境光動態調整背光以節省電力並提升觀看舒適度。
• 穿戴式裝置：手勢喚醒或使用者查看裝置時啟動顯示 (PS)，以及亮度管理。
• 消費性電子產品：家電中的自動開/關控制、非接觸式開關以及存在偵測。

8.2 設計考量與最佳實務

• 光路：確保 ALS 有清晰、無阻礙的光路通往環境。對於 PS，設計視窗或開口時，應讓紅外光能有效射出且反射光能有效返回。避免將感測器置於深色或吸收紅外線的材料後方。
• 紅外線干擾：接近感測器使用 940nm 紅外光。陽光和某些人造光源包含紅外線成分。感測器的高環境光抑制和串擾消除功能有助於應對，但將感測器遠離直接、強烈的紅外線光源可進一步提升性能。
• I2C 匯流排管理：利用中斷功能讓主控 MCU 進入睡眠，僅在接近事件發生時喚醒它。除非需要追蹤快速的亮度變化，否則以適中的速率 (例如，每秒一次) 輪詢 ALS。
• 閾值校準：PS 偵測閾值必須在最終產品外殼內進行校準，以考慮到保護玻璃厚度、反射率及內部反射 (串擾)。這通常在製造過程中完成。

9. 技術比較與差異化

LTR-X1503 在市場上與其他整合式 ALS/PS 解決方案競爭。其主要差異化優勢可能包括：

• 高度整合：將紅外線發射器與感測器整合在同一封裝中是一大優勢，相較於需要分立式 IR LED 的解決方案，減少了物料清單 (BOM) 並簡化了光學對準。
• 性能：兩個感測器皆具備 16 位元解析度、高環境光抑制 (10 klux) 以及可編程測量參數等功能，提供了設計靈活性和穩健的性能。
• 電源效率：具競爭力的低主動與待機電流對於電池供電裝置至關重要。
• 數位介面：I2C 介面是標準且廣泛支援的匯流排，使整合變得直接簡單。

10. 常見問題解答 (基於技術參數)

10.1 如何設定接近感測器的偵測距離？

偵測距離並非單一固定參數，而是多個可配置設定的結果：LED 脈衝電流、脈衝寬度、脈衝數量以及接收器增益。透過增加 LED 電流、脈衝數量或增益，反射訊號強度會增加，從而能夠偵測更遠距離或反射率較低的物體。具體的偵測閾值由使用者在最終產品中，透過在所需距離下表徵 PS 數據計數，並在中斷閾值暫存器中設定。

10.2 為什麼 VDD 和 V_LED 之間的電源順序很重要？

不正確的順序可能導致大湧浪電流流經內部 ESD 保護結構或邏輯電路，可能引發鎖定現象——一種可能損壞裝置的高電流狀態。遵循指定的順序 (先 VDD 後 V_LED 上電；先 V_LED 後 VDD 斷電) 可確保在施加或移除較高電壓的 LED 電源之前，內部電晶體已正確偏壓。

10.3 對於 PS 而言，串擾消除是什麼意思？

串擾是指裝置模組或其保護蓋內部的反射，其中來自發射器的紅外光未經外部物體反射而直接到達 PS 光電二極體。這會產生背景偏移，可能導致誤觸發或降低靈敏度。LTR-X1503 內建演算法 (通常涉及在 LED 關閉時進行基準測量) 來測量並從最終的 PS 數據中減去此串擾分量，從而提高物體偵測的準確性。

10.4 ALS 如何實現 50/60Hz 閃爍抑制？

由交流電源供電的白熾燈和螢光燈，其強度會以 100Hz 或 120Hz (兩倍於電源頻率) 波動。如果感測器的積分時間是閃爍週期的倍數 (例如，10ms、20ms、100ms)，它會對完整的光週期進行平均，從而抵消變化並提供穩定的照度讀數。感測器的積分時間可編程設定為這些週期的倍數，以實現此抑制功能。

11. 設計與使用案例研究

11.1 在智慧手錶中實現節能顯示控制

情境：智慧手錶需要最大化電池壽命。顯示器在戶外應明亮，室內應變暗，並且在未被查看時 (例如，使用者的手臂放下時) 完全關閉。

使用 LTR-X1503 的實現方式：

1. ALS 角色：ALS 配置為 16 位元解析度和 100ms 積分時間 (用於閃爍抑制)。主控 MCU 每秒透過 I2C 讀取 ALS 數據。使用查找表或演算法將照度值映射到顯示器背光對應的 PWM 工作週期，提供平滑的自動亮度調整。
2. PS 角色：PS 針對預期的手錶到臉部距離 (例如，~30cm) 配置適當的脈衝電流和數量。設定中斷閾值：一個用於物體移除 (未查看手錶) 的下限閾值，以及一個用於物體偵測 (抬起手錶查看) 的上限閾值。INT 接腳連接到 MCU 上具備喚醒功能的 GPIO。
3. 節能工作流程：
   • 當使用者放下手臂時，PS 計數低於下限閾值，觸發中斷。
   • MCU 從睡眠中喚醒，讀取中斷狀態，並命令顯示器進入低功耗關閉狀態。
   • 然後 MCU 可以讓自身和感測器 (除了可能保留低功耗的 PS 監控模式) 回到睡眠狀態。
   • 當使用者抬起手臂查看手錶時，PS 偵測到物體，觸發中斷，喚醒 MCU，MCU 隨後完全供電給顯示器和 ALS，並以適當的亮度顯示正確時間。

與始終開啟或僅由時間控制的顯示器相比，這種組合顯著降低了系統的平均功耗。

12. 工作原理介紹

12.1 環境光感測原理

ALS 功能基於光電二極體，這是一種半導體裝置，會產生與照射在其上的光強度成正比的小電流。在 LTR-X1503 中，此光電二極體覆蓋有模仿人眼在可見光譜範圍內敏感度的濾光片。產生的光電流非常小 (皮安培到奈安培)。一個整合的跨阻放大器將此電流轉換為電壓，然後由高解析度的類比數位轉換器 (ADC) 進行數位化。數位值經過處理，並透過 I2C 暫存器提供，代表照度的計數值，可以使用校準公式轉換為照度單位 (lux)。

12.2 接近感測原理

PS 基於主動紅外線反射原理運作。整合的紅外線 LED 發射人眼不可見的 940nm 短脈衝光。一個獨立、專用的光電二極體 (與 ALS 二極體不同) 作為接收器。當物體在範圍內時，部分發射的紅外光從物體反射並返回接收器光電二極體。感測器測量每個 LED 脈衝期間及之後接收到的反射光量。透過將此訊號與環境紅外線水平 (在 LED 關閉時測量) 進行比較，並在串擾消除後，感測器計算出一個接近數據計數。計數越高表示物體越近或反射率越高。此計數與使用者編程的閾值進行比較以觸發中斷。

13. 技術趨勢

像 LTR-X1503 這樣的整合式光學感測器市場，受到電子產業幾個明確趨勢的推動：

• 微型化：對更小封裝尺寸 (如晶片級) 的持續需求，以適應螢幕更大、電池更大的超薄裝置。
• 整合度提升：趨勢正超越單純整合 ALS 和 PS。未來的感測器可能會整合更多環境感測器 (顏色、手勢、飛時測距)，進一步降低系統複雜度。
• 邊緣智慧化：感測器正獲得更多的晶片內處理能力。未來的版本可能不僅僅提供原始數據，而是在內部執行照度計算、接近狀態機邏輯和手勢識別，僅向主處理器發送高階事件通知，進一步節省系統電力。
• 性能改進：對準確度、動態範圍和功耗的期望持續提高。半導體製程和光學設計的進步使得更低的雜訊、更高解析度的 ADC 以及更高效的 LED 成為可能。
• 標準化與軟體支援：穩健且標準化的軟體驅動程式 (例如，適用於 Android、Linux) 正變得與硬體性能同等重要，減少了裝置製造商的上市時間。