環(huán)境光傳感器可以感知周?chē)饩€(xiàn)情況，并告知處理芯片自動(dòng)調節顯示器背光亮度，降低產(chǎn)品的功耗。例如，在手機、筆記本、平板電腦等移動(dòng)應用中，顯示器消耗的電量高達電池總電量的30%，采用環(huán)境光傳感器可以最大限度地延長(cháng)電池的工作時(shí)間。另一方面，環(huán)境光傳感器有助于顯示器提供柔和的畫(huà)面。當環(huán)境亮度較高時(shí)，使用環(huán)境光傳感器的液晶顯示器會(huì )自動(dòng)調成高亮度。當外界環(huán)境較暗時(shí)，顯示器就會(huì )調成低亮度。。

 

環(huán)境光傳感器技術(shù)原理

 

環(huán)境光傳感系統實(shí)現需要三大部分：監測環(huán)境光強的光傳感器、數據處理裝置(通常是微控制器)、控制背光輸入電流的執行器。

 

圖1是實(shí)施背光控制的系統示范框圖。在這套組合中，光傳感器是關(guān)鍵的組成部分，因為它要向系統的其他模塊提供環(huán)境光強信息。光傳感器必須具備將光信號轉換成電信號的信號轉換器(譬如光電二極管或CdS光敏電阻)和信號放大和/或調節裝置以及模/數轉換器(ADC)。

 

圖1. 實(shí)施背光控制的系統框圖

 

圖2所示為分立光電二極管電路，從圖中可以看出，該電路需要一個(gè)或多個(gè)運算放大器：一個(gè)用于電流到電壓的轉換，可能還需要一級放大，提供附加增益。它還包括一些分支電路，用于供電，確保高度可靠的信號鏈。而在空間極其寶貴的應用中，所需元件的數量過(guò)多可能導致空間受限問(wèn)題。

 

圖2. 光電二極管電路分立設計

 

這里還存在一個(gè)更細微的問(wèn)題。具體而言，理想情況下，應確保環(huán)境光的測量模擬了人眼對光線(xiàn)的響應機制。這通常借助CIE提供的視覺(jué)亮度曲線(xiàn)(圖3)。然而，光電二極管很少能夠完全模擬這種響應機制，因為它們通常具有很高的紅外(IR)靈敏度。在IR強度較大的光照條件(譬如白熾燈或日光)下，這種紅外靈敏度會(huì )造成錯誤地判斷光線(xiàn)強度。

 

圖3. CIE曲線(xiàn)和典型的光電二極管

 

解決上述問(wèn)題的方法之一是使用兩個(gè)光電二極管：一個(gè)采用對可見(jiàn)光和紅外光都很敏感的元件，另一個(gè)采用只對紅外光敏感的元件。最終用前者的響應值減去后者的響應值，將紅外干擾降至最小，獲得準確的可見(jiàn)光響應。

 

環(huán)境光傳感器的電氣特性

 

 

1、暗電流小，低照度響應，靈敏度高，電流隨光照度增強呈線(xiàn)性變化；

 

2、內置雙敏感元，自動(dòng)衰減近紅外，光譜響應接近人眼函數曲線(xiàn)；

 

3、內置微信號CMOS放大器、高精度電壓源和修正電路，輸出電流大，工作電壓范圍寬，溫度穩定性好；

 

4、可選光學(xué)納米材料封裝，可見(jiàn)光透過(guò)，紫外線(xiàn)截止、近紅外相對衰減，增強了光學(xué)濾波效果；

 

5、符合歐盟RoHS指令，無(wú)鉛、無(wú)鎘。

 

選擇環(huán)境光傳感器的考慮因素

 

通常有幾種方法能夠對光進(jìn)行檢測，例如通過(guò)使用光電晶體管、光敏電阻或光電二極管來(lái)實(shí)現，但對于當今應用的總的光感要求而言，基于IC的單片光電二極管是最好的選擇之一。

 

光電二極管是用于探測光并生成電流的半導體，它基于單晶硅片構造而成，與用于生產(chǎn)集成電路的晶體硅片類(lèi)似。一個(gè)典型的傳感器應用框架圖包括一個(gè)光電二極管、一個(gè)電流放大器和一個(gè)無(wú)源低通濾波器，以檢測并處理光輸入引起的輸出電壓信號。能夠將所有這些器件集成并采用小型封裝對于終端用戶(hù)而言是非常有益的，而且這恰恰就是當前的市場(chǎng)需求。

 

為應用選擇適當光傳感器時(shí)的另一個(gè)重要方面，是要理解對于應用而言，哪項重要規格是最為關(guān)鍵的，最需要關(guān)注哪一項。

 

 

一般來(lái)說(shuō)，在選擇一個(gè)光傳感器時(shí)，需要著(zhù)重考慮的因素如下：

 

1、光譜響應/IR抑制：環(huán)境光傳感器應該僅對400nm至700nm的范圍有感應。

 

2、Lux的最大范圍：直射陽(yáng)光可以多達130,000Lux，但是大多數應用要求最大范圍為僅為10,000Lux。

 

3、低Lux光敏度：根據光傳感器位于頂端的鏡片的類(lèi)別，光衰減可以為25-50%。如果低光敏度非常關(guān)鍵(<5Lux)，必須注意選擇可以在這個(gè)范圍內工作的光傳感器。

 

集成的信號調節(即放大器和ADC)：一些傳感器可能提供非常小的封裝，但是卻需要一個(gè)外部放大器或無(wú)源元件來(lái)獲取所需的輸出信號。具有更高集成性的光傳感器省去了對于外部元件(ADC、放大器、電阻器、電容器等)的需求。

 

4、功耗：對于要承受高Lux級(>10,000Lux)的光傳感器來(lái)說(shuō)，最好采用一個(gè)非線(xiàn)性光到模擬輸出光傳感器，或一個(gè)光到數字輸出的光傳感器。接下來(lái)還將對此進(jìn)行詳細說(shuō)明。

 

5、封裝大?。簩τ诖蠖鄶祽脕?lái)說(shuō)，封裝都是越小越好?，F在可提供的封裝為2.0×2.1mm光學(xué)DFN，而1.3×1.5mm 4-lead封裝則是下一代封裝。一旦確定了上述重要規格，需要考慮的下一個(gè)問(wèn)題就是哪類(lèi)輸出信號最有助于目標應用。對于大多數光傳感器，最常見(jiàn)的輸出為線(xiàn)性輸出電流。雖然這適用于一些應用，但現在有更多的可選項，其中包括線(xiàn)性電壓輸出、數字輸出(通過(guò)I2C接口)或者非線(xiàn)性電流或電壓輸出。每種都具有它們的優(yōu)勢，如下所列。

 

6、線(xiàn)性模擬輸出—電流或電壓輸出：更常見(jiàn)的感應器輸出，快速響應時(shí)間(數字輸出受限于積分時(shí)間)，在控制器中集成ADC轉換器，電壓輸出省去了對于外加電阻(將電流轉換為電壓)的需要并提供一個(gè)低阻抗輸出。電流輸出需要在輸出添加無(wú)源元件來(lái)將電流轉換為電壓、設置傳感器的增益范圍并根據需要增加低通或高通濾波器。

 

7、非線(xiàn)性模擬輸出——電流或電壓輸出：允許極弱光敏感度和最大動(dòng)態(tài)范圍(高達100 ,000Lux)，感測光與人類(lèi)察覺(jué)光的方式更加類(lèi)似(非線(xiàn)性與線(xiàn)性)，電壓或電流非線(xiàn)性輸出的選擇，電壓輸出為低阻抗而電流輸出為高阻抗。

 

8、數字輸出：輸出可以直接與控制器相連接(無(wú)需ADC)，數字輸出本身比模擬輸出更具有噪聲免疫性，允許傳感器具有更多的數字功能(即更加智能的光傳感器)，更易于在通用I2C總線(xiàn)上的網(wǎng)絡(luò )工作，更易于允許將多個(gè)光傳感器置于同一個(gè)I2C總線(xiàn)上(地址選擇引腳)，恒定功耗(模擬輸出電路損耗與入射光密度成正比)。

 

環(huán)境光傳感技術(shù)的應用

 

隨著(zhù)近年來(lái)在半導體模擬傳感器和封裝上的進(jìn)步，現在的最終用戶(hù)在光傳感器上有了更廣的選擇余地。今天，設計者在消費類(lèi)產(chǎn)品、汽車(chē)、醫療和工業(yè)應用中使用了比以往更多的光傳感器。這主要有幾個(gè)原因，包括改進(jìn)的適光響應、小占位、低功耗、高集成度和易用。通常根據設計者和應用所需要的功能性、性能和環(huán)境功能性進(jìn)行具體的選型。

 

有幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)因素可以幫助用戶(hù)和設計者決定如何選擇一款環(huán)境光傳感器。首先，傳感器的輸出必須和光強成線(xiàn)性關(guān)系，光譜波長(cháng)敏感度應該非常接近人眼。另外，器件的輸出應該直接和照射在集成的光敏二極管上的光強成正比，540nm的峰值響應接近人眼的峰值敏感度。大多數光傳感器都能夠感測到380nm～770nm的環(huán)境光。

 

環(huán)境光傳感器在汽車(chē)中的主要應用

 

 

A、信息娛樂(lè )/導航/DVD系統的背光控制控制，以便在各種環(huán)境光條件下顯示理想的亮度；

 

B、后座娛樂(lè )顯示屏的背光控制

 

C、儀表盤(pán)組合儀表的背光

 

D、自動(dòng)后視鏡調光

 

E、自動(dòng)頭燈和雨量檢測

 

F、后視攝像機控制

 

 

由于汽車(chē)需要在各種環(huán)境光條件下均具有完美的背光照明，因此憑借類(lèi)似人眼的感測功能，光傳感器已經(jīng)成為實(shí)現更舒適顯示質(zhì)量的最有效解決方案之一，能夠滿(mǎn)足汽車(chē)的安全性和舒適性標準。

 

主流環(huán)境光傳感器及其特性

 

AMIS-74980x環(huán)境光線(xiàn)傳感器使用該該公司專(zhuān)有的CMOS圖像傳感技術(shù)，對有發(fā)光顯示器的設備來(lái)說(shuō)更具設計靈活性也更為經(jīng)濟。對于移動(dòng)電話(huà)、PDA、手持式顯示器、LCD監視器、便攜式DVD播放器、筆記本電腦、大型液晶顯示器和MP3播放器，環(huán)境光線(xiàn)傳感器都是經(jīng)濟實(shí)惠的理想解決方案。還非常適用于汽車(chē)應用中的車(chē)內影音系統、GPS顯示器、前照燈、后視鏡和儀表板。

 

 

AMIS-74980x是一種模擬/數字輸出器件，它能夠在3.0伏到3.6伏的電源電壓范圍、10~100kHz工作頻率以及0℃到70℃的溫度范圍內具有優(yōu)良的性能。它們在各種光源下均運行良好，包括自然光、熒光、傳統白熾燈和鹵素燈。此外，它們還有一個(gè)重要特點(diǎn)就是其暗電流非常低，這使顯示控制器能夠在低亮度環(huán)境下調節顯示器亮度。該系列傳感器還提供多種輸出選擇、編程能力和低功耗。

 

同樣，歐司朗(OSRAM Opto Semiconductors Inc.)推出了據稱(chēng)是第一種用于移動(dòng)產(chǎn)品的環(huán)境光傳感器，可精確符合或者模擬人眼靈敏度曲線(xiàn)，使得移動(dòng)產(chǎn)品的顯示器及其亮度水平可做出更為精確的調整。該公司通過(guò)利用一種新型材料系統代替傳統的硅材料，為這款型號為ALS SFH5711的傳感器開(kāi)發(fā)出了“人眼”特點(diǎn)。對數放大器集成電路(IC)使其能夠以更大的精度探測更大的照度范圍(從3勒克斯到30,000勒克斯以上)，而且無(wú)需采用各種串聯(lián)電阻，從而可以使產(chǎn)品設計的尺寸更小、精度更高。

 

ALS SFH5711也是歐司朗很受歡迎的SFH3410的增強型ChipLED版本。它采用非常小和強壯的表面貼裝技術(shù)(SMT)，可以節省消費應用的成本，同時(shí)提供優(yōu)異的光學(xué)性能。ALS SFH5711的頻譜靈敏度是560納米(nm)，模擬人眼最敏感的區域。ALS的V(蘭姆達)特點(diǎn)代表人眼看見(jiàn)顏色的波長(cháng)光譜曲線(xiàn)。通過(guò)更迅速地自動(dòng)模擬人眼特點(diǎn)，ALS適合于調節顯示器和組件亮度，以在經(jīng)常變化的照明環(huán)境中創(chuàng )造最適宜閱讀的條件。

 

采用2.3~5V的超低電壓，該傳感器具有電源效率，適合于自然光傳感器應用，包括手機、數碼相機、筆記本電腦、PDA和手持全球定位系統(GPS)。它們也可以用于汽車(chē)應用，根據環(huán)境光線(xiàn)來(lái)控制前燈的開(kāi)關(guān)。

 

Avago Technologies(安華高科技)最近宣布也推出兩款采用chipLED封裝的新型環(huán)境亮度傳感器產(chǎn)品。APDS-9005(6針腳)與APDS-9006(反向安裝4針腳)為采用小型化chipLED環(huán)保無(wú)鉛封裝的模擬電流輸出型環(huán)境亮度傳感器(ALPS)產(chǎn)品，尖峰頻譜響應在500nm，由ALPS提供的視覺(jué)化智能功能可以通過(guò)排除紫外光和紅外線(xiàn)，能有效仿真人眼的響應范圍。APDS-9005支持1.8V到5.5V電源，APDS-9006則支持2.4V到5.5V，兩款傳感器都可以在-40℃到+85℃的溫度范圍內工作，此外，器件本身更緊密的安排可以帶來(lái)更加穩定的信賴(lài)度與高性能輸出表現。

 

APDS-9005和APDS-9006環(huán)境亮度傳感器在設計上緊密貼近人眼對光譜變化的反應曲線(xiàn)，可以大量降低功耗并延長(cháng)電池使用時(shí)間，這些新型傳感器適合移動(dòng)產(chǎn)品與商業(yè)性L(fǎng)CD顯示背光控制應用，如便攜式設備、筆記本電腦、照明管理以及汽車(chē)內裝等耗用大量電流的背光應用。它同樣也可以用于打開(kāi)或關(guān)閉室內和戶(hù)外照明燈、路燈、電子標志和信號燈等。這些傳感器在自然的陽(yáng)光、熒光、傳統的白熾燈和鹵素燈等不同的光源下的表現同樣出色。

 

美國凌耀科技股份有限公司(Capella Microsystems)表示，它的Filtron系列環(huán)境光度感應器能有效消除筆記本電腦、手機、DVD播放器、PDA、MP3播放器、iPod和GPS等便攜式設備中過(guò)多的背光，從而延長(cháng)這些移動(dòng)產(chǎn)品的電池壽命。這些芯片可以檢測到環(huán)境中的光度并調節LCD亮度，來(lái)符合人眼的要求。

 

這一系列中的CM3200HS(高靈敏度)、CM3200和CM3000光度感應器由光學(xué)濾波器、光電二極管、數字濾波器和9位D/A轉換器(能夠產(chǎn)生一個(gè)因環(huán)境光度不同而不同的模擬輸出)組成。CM3200HS在0.5Lux到350Lux的環(huán)境光度范圍下運行，而CM3200則在10Lux到10,000Lux的環(huán)境光度范圍下運行。CM3000通過(guò)一個(gè)外置電阻器來(lái)設置外置比較儀的閾值，正是這個(gè)比較儀產(chǎn)生一個(gè)面向所需環(huán)境光度范圍的開(kāi)啟或關(guān)閉輸出信號。這一系列光度感應器的電能消耗一般為80微安，關(guān)閉狀態(tài)下小于1nA，電壓范圍為2.7~5.5V。

 

凌耀科技表示，背光消耗的電池電量通常大于其它任何功能，新推出的CM3200HS、CM3200和CM3000可以把筆記本電腦的電池壽命最多提高41%，手機電池壽命最多提高100%。除了可以用于便攜電子產(chǎn)品以外，Filtron系列產(chǎn)品還可用于控制等離子和LCD電視屏幕及汽車(chē)儀表板的亮度。

 

 

由于這些芯片貼近人眼的亮度要求，因此還可以降低人眼的疲勞，而且內置的數字濾光器消除了環(huán)境中熒光燈的閃爍。該公司聲稱(chēng)，由于采用了專(zhuān)有的Filtron光過(guò)濾器技術(shù)，這些芯片是業(yè)內模擬人眼情況最好的產(chǎn)品。Filtron只檢測450~650nm的波長(cháng)。此外，這種光過(guò)濾技術(shù)據說(shuō)是首次采用半導體工藝制造，消除了在光電二極管上面旋轉塑料濾光器的額外步驟。

 

這些芯片采用混合信號技術(shù)制造，并包含大約7,000個(gè)晶體管。CM3200HS和CM3200可采用CMP封裝，尺寸為3×4mm；也可以采用OPLGA封裝，尺寸為1.8×2.35×1 mm。采用CMP封裝時(shí)，兩種器件1,000個(gè)批量的價(jià)格都是0.6美元。CM3000也提供上述兩種封裝，批量為1,000個(gè)時(shí)，CMP封裝的價(jià)格是0.55美元。

 

 

此外，Vishay Intertechnology推出的環(huán)境光傳感器TEMT6200F、TEPT5700和TEPT4400，面向高級汽車(chē)功能，這些器件可實(shí)現液晶顯示器(LCD)自動(dòng)亮度控制，并且支持使汽車(chē)駕駛者感到舒適及安全的功能。Vishay推出的這三款器件為設計人員提供了三種封裝選擇：表面貼裝0805(TEMT6200F)、帶引線(xiàn)5毫米平頂封裝(TEPT5700)或3毫米平頂封裝(TEPT4400)。在汽車(chē)應用中，這些感應器將實(shí)現自動(dòng)大燈控制，并可使隧道感應器以及顯示器可自動(dòng)調節，以適應環(huán)境亮度的變化。這些感應器提供了簡(jiǎn)單的雙引腳連接，它們將用于通過(guò)控制鍵盤(pán)背光來(lái)降低消費類(lèi)電子應用中的功耗，以及調節LCD的亮度。此外，這些感應器還是可替代基于鎘的光敏電阻器的環(huán)保產(chǎn)品。

 

本文轉載自傳感器技術(shù)。

 

 

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