LTR-X130P 光學感測器規格書 - 整合式接近與環境光感測器 - I2C 介面 - 1.7V 至 3.6V - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTR-X130P 是一款高度整合的低電壓光學感測器，將接近感測（PS）與環境光感測（ALS）功能結合於單一微型、無鉛表面黏著 ChipLED 封裝中。其核心設計理念在於實現空間受限、電池供電應用中的精密物體偵測與光線量測。

此感測器的主要優勢在於其系統層級的整合度。它內建紅外線發射器（LED）、可見光與紅外線光電二極體、類比數位轉換器（ADC）、可程式化中斷控制器以及完整的 I2C 數位介面。此整合大幅減少了外部元件數量並簡化了 PCB 佈局。一項關鍵性能特點是其優異的環境光抑制能力，能在高達 100,000 勒克斯的直射陽光條件下準確運作，使其適用於戶外或明亮室內環境。可程式化中斷功能允許主控微控制器進入低功耗睡眠模式，僅在特定接近閾值被觸發時喚醒，從而優化整體系統電源效率——這是行動與可攜式裝置的關鍵因素。

目標市場涵蓋廣泛的消費性電子產品與運算裝置。其主要應用包括智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦與顯示器的自動顯示器背光調暗與亮度控制，以提升使用者體驗並節省電力。此外，其高達 10 公分的物體偵測能力可用於非接觸式手勢控制、存在偵測（例如，當使用者離開時關閉顯示器）以及各種裝置中的簡單避障等功能。

2. 深入技術參數分析

2.1 電氣與光學規格

除非另有說明，所有規格均在 VDD = 2.8V 及工作溫度（T_ope）為 25°C 的典型條件下量測。

電源特性：
感測器工作電壓範圍寬廣，為 1.7V 至 3.6V，相容於常見的電池輸出與穩壓電源軌。在最大工作週期下，主動量測時的典型供應電流為 95 µA。一項重要的省電特性是待機（關機）模式，其消耗電流僅為 1 µA。從此待機模式喚醒至準備好進行主動量測的典型時間為 10 ms，可在維持極低平均功耗的同時實現快速響應。

接近感測器（PS）特性：
PS 功能具有高度可配置性。有效解析度可在 8、9、10 和 11 位元之間選擇，讓設計者能在量測精度與轉換速度之間取捨。整合的 IR 發射器工作於 940 nm 的峰值波長。LED 驅動電流可程式化設定，步階為：2.5、5、10、25、50、75、100 和 125 mA，可調整偵測範圍與功耗。LED 以 60 kHz 至 100 kHz 的頻率及 50% 工作週期脈衝運作。每個量測週期的脈衝數量可配置為 1 至 255，直接影響積分時間與靈敏度。在典型條件下（32 個脈衝、60 kHz、100 mA 驅動、18% 灰卡目標），感測器可偵測最遠達 10 公分距離的物體。其環境光抑制能力規格為可承受高達 100 klux 的直射陽光。

2.2 絕對最大額定值與工作條件

絕對最大額定值：這些是應力極限，即使瞬間也不得超過，以防止永久損壞。供應電壓（VDD）不得超過 4.0V。數位 I/O 接腳（SCL、SDA、INT）和 LDR 接腳的電壓範圍為 -0.5V 至 +4.0V。裝置可儲存於 -40°C 至 +100°C 的溫度範圍內。

建議工作條件：這些定義了確保可靠性能的正常工作環境。VDD 應維持在 1.7V 至 3.6V 之間。LED 陽極電源（VLED）需要一個獨立的 3.0V 至 4.5V 電源。I2C 介面將邏輯高電位（V_I2Chigh）識別為 ≥1.5V，邏輯低電位（V_I2Clow）識別為 ≤0.4V。完整的工作溫度範圍為 -40°C 至 +85°C，確保在嚴苛環境下的功能性。

2.3 交流電氣特性（I2C 介面）

感測器支援標準模式（100 kHz）與快速模式（400 kHz）的 I2C 通訊。關鍵時序參數包括：SCL 時脈頻率（f_SCL）從 0 至 400 kHz，匯流排空閒時間（t_BUF）最小為 1.3 µs，SCL 低電位週期（t_LOW）最小為 1.3 µs，SCL 高電位週期（t_HIGH）最小為 0.6 µs，以及資料建立時間（t_SU:DAT）最小為 100 ns。SDA 和 SCL 信號的上升與下降時間必須小於 300 ns。輸入濾波器可抑制短於 50 ns 的雜訊脈衝。

3. 性能曲線分析

規格書提供了對設計至關重要的典型性能圖表。

PS 計數值 vs. 距離：此曲線說明了感測器的原始數位輸出（PS 計數值）與到標準 18% 反射率灰卡距離之間的關係。該曲線通常是非線性的，顯示當距離非常接近感測器時，計數值會快速增加，隨後隨著距離增加而逐漸下降。此圖表對於校準感測器以及在應用中為特定偵測範圍設定適當的中斷閾值至關重要。

發射器角度響應：此圖描繪了內建紅外線 LED 的空間輻射模式。它顯示了發射的 IR 光強度隨中心軸角度變化的函數關係（通常為極座標圖）。此封裝的典型模式可能顯示為寬廣、類似朗伯分佈的圖形。了解此模式對於機械設計至關重要，因為它影響接近感測器的有效視野與偵測區域。任何覆蓋視窗或透鏡與此模式的適當對準，對於達到規格的 10 公分偵測範圍是必要的。

4. 機械與封裝資訊

LTR-X130P 採用 8 接腳 ChipLED 表面黏著封裝。規格書中提供了外形尺寸圖，所有尺寸單位為毫米。未指定特徵的尺寸公差為 ±0.2 mm。此封裝專為大量電子製造中常見的標準自動化取放與迴焊製程而設計。

5. 焊接與組裝指南

雖然提供的摘錄中未詳細說明特定的迴焊溫度曲線，但本裝置適用於標準表面黏著技術（SMT）組裝。建議遵循 JEDEC J-STD-020 指南中關於無鉛迴焊溫度曲線的規範。濕度敏感等級（MSL）應從完整的封裝規格中確認。裝置通常以含有乾燥劑的防潮袋供應，若在使用前防潮袋內的濕度指示卡顯示過度受潮，應根據標準程序進行烘烤。

6. 包裝與訂購資訊

LTR-X130P 的標準包裝為捲帶包裝，相容於自動化組裝設備。每捲包含 8000 個元件。料號為 LTR-X130P。

7. 應用設計建議

7.1 典型應用電路

建議的應用電路突顯了關鍵的設計考量。一個基本要求是數位電源（VDD，1.7-3.6V）與 LED 陽極電源（VLED，3.0-4.5V）必須分離。此分離是強制性的，以確保穩定的 LED 驅動電流，並防止 LED 脈衝產生的雜訊耦合到敏感的類比與數位電源軌中。電路在 SDA、SCL 和 INT 線路上包含上拉電阻（Rp1、Rp2、Rp3）。其阻值（1 kΩ 至 10 kΩ）應根據總匯流排電容與所需的上升時間來選擇，以符合 I2C 規格。去耦電容至關重要：一個 1 µF ±20% X7R/X5R 陶瓷電容（C1）應盡可能靠近 VDD 接腳放置，也建議使用一個 0.1 µF 電容（C2）。在 VLED 線路上也使用一個類似的 1 µF 電容（C3）。

7.2 接腳配置與功能

• 接腳 1（SDA）：I2C 序列資料線（雙向）。
• 接腳 2（INT）：低電位有效的中斷輸出。當可程式化的接近事件發生時，此接腳會變為低電位。
• 接腳 3（LDR）：連接至 LED 陰極。當使用內部驅動器時，此接腳連接到接腳 4（LEDK）。
• 接腳 4（LEDK）：LED 陰極連接點。
• 接腳 5（LEDA）：LED 陽極連接點。必須由獨立的 VLED 電源軌（3.0-4.5V）供電。
• 接腳 6（GND）：系統接地。
• 接腳 7（SCL）：I2C 序列時脈輸入。
• 接腳 8（VDD）：數位電源輸入（1.7-3.6V）。

8. 技術比較與差異化

LTR-X130P 透過高度整合以及在挑戰性條件下的穩健性能來實現差異化。相較於離散解決方案（分離的 IR LED、光電二極體與訊號調理 IC），它提供了顯著更小的佔位面積、簡化的設計流程以及減少的物料清單（BOM）。相較於其他整合式接近感測器，其主要優勢包括極高的 100 klux 環境光抗擾度（優於許多競爭對手），以及靈活、可程式化的 LED 電流與脈衝計數設定，允許針對特定範圍、功耗與響應時間需求進行微調。工廠微調確保了最小的單元間差異，提高了製造良率與終端產品的一致性。

9. 常見問題解答（基於技術參數）

問：為什麼 VDD 和 VLED 必須是獨立的電源軌？
答：LED 脈衝可能消耗大量電流（高達 125 mA）。共用一個電源軌會導致 VDD 線路上出現大幅電壓下降或雜訊，這可能使感測器敏感的類比前端與數位邏輯不穩定，導致讀數不準確或重置事件。獨立的電源軌可隔離此雜訊。

問：如何將偵測範圍增加到超過 10 公分？
答：偵測範圍受 LED 電流、脈衝數量與目標反射率影響。要增加範圍，您可以設定更高的 LED 電流（最高 125 mA）和/或增加每次量測的脈衝數量（最高 255）。請注意，這將增加每個量測週期的功耗。

問：中斷功能如何幫助節省電力？
答：與其讓主控微控制器不斷輪詢感測器讀取數據（保持 I2C 匯流排與 CPU 活動），感測器可以配置上、下接近閾值。主控將感測器及其自身置於低功耗模式。僅當物體進入或離開定義的接近區域時，感測器才會觸發 INT 線路，喚醒主控採取行動。這最大限度地減少了系統活動。

問：串擾消除功能的目的是什麼？
答：在緊湊的封裝中，來自內部發射器的一些紅外線光可能直接洩漏或內部反射到光電二極體上，而沒有擊中外部物體。這會產生一個永久性的偏移或串擾訊號。感測器包含電路來量測並以數位方式減去此偏移，確保接近計數值真正代表來自外部物體的反射光。

10. 設計與使用案例研究

案例研究 1：智慧型手機顯示器管理：在智慧型手機中，LTR-X130P 被放置在聽筒附近。當使用者在通話時將手機靠近耳朵時，感測器偵測到頭部的接近（約 2-5 公分內）。它觸發一個中斷給應用處理器，處理器隨後關閉顯示器觸控螢幕以防止臉頰誤觸，並調暗背光以節省電力。當手機移開時，顯示器恢復正常。

案例研究 2：互動式資訊站存在偵測：公共資訊站使用此感測器來偵測是否有人接近至 50 公分內。偵測到後，它從低功耗睡眠狀態喚醒，啟動顯示器，並播放吸引人的內容循環。如果在設定的時間內未偵測到任何人，它會返回睡眠狀態，與 24/7 全天候運作相比，顯著降低了能耗。

11. 運作原理

LTR-X130P 基於主動式紅外線接近感測與光度學環境光感測的原理運作。對於接近量測，內部微控制器觸發整合的 IR LED 發射一系列 940 nm 的調變脈衝。感測器前方的任何物體都會反射一部分光線回來。專用的紅外線敏感光電二極體將反射光強度轉換為微小的光電流。此電流經過積分，並由高解析度 ADC 轉換為數位值。此數位值（PS 計數值）的強度與物體的反射率和接近程度成正比。感測器同時使用獨立的可見光光電二極體量測環境光，其輸出經過處理以從接近訊號中減去環境紅外線成分，從而提高準確性。

I2C 通訊遵循標準協定。裝置具有固定的 7 位元從屬位址 0x53。主控制器使用此位址來寫入配置暫存器（例如，設定 LED 電流、脈衝計數、中斷閾值）並讀回接近與環境光數據。讀寫協定，包括單次寫入、連續寫入與組合格式讀取（重複 START），均按照 I2C 規格實現。

12. 技術趨勢

像 LTR-X130P 這樣的感測器演進遵循幾個明確的產業趨勢。持續朝向更高整合度發展，將更多功能（例如，色彩感測、手勢辨識）結合到單一封裝中，同時縮小佔位面積。電源效率仍然是首要考量，推動更低的活動與待機電流以及更智慧的喚醒方案。極端環境下的性能正在改善，具有更好的陽光抗擾度與更寬的溫度範圍。此外，趨勢是朝向更智慧的感測器發展，其內嵌演算法可提供更高層級、預處理的數據（例如，物體存在/不存在標誌，而非原始計數值），以減輕主應用處理器的處理負擔並簡化軟體開發。