環(huán)境光傳感器的原理、特性、選擇因素以及應(yīng)用解析

環(huán)境光線傳感器目前被廣泛用于許多LCD顯示應(yīng)用，從消費(fèi)電子到汽車應(yīng)用，通過自動調(diào)節(jié)顯示器亮度，它們能夠幫助節(jié)約設(shè)備電池電量。此外，這些傳感器在自然日光、熒光和白熾燈等各種光源下都能夠出色工作。最近有很多這樣的產(chǎn)品發(fā)布，而且它們都有一個(gè)共同的特性，即這些新開發(fā)的環(huán)境光線傳感器能夠匹配人眼的要求，這對于緩解眼睛疲勞非常重要。

環(huán)境光傳感器可以感知周圍光線情況，并告知處理芯片自動調(diào)節(jié)顯示器背光亮度，降低產(chǎn)品的功耗。例如，在手機(jī)、筆記本、平板電腦等移動應(yīng)用中，顯示器消耗的電量高達(dá)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面。當(dāng)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自動調(diào)成高亮度。當(dāng)外界環(huán)境較暗時(shí)，顯示器就會調(diào)成低亮度。。

環(huán)境光傳感器技術(shù)原理

環(huán)境光傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)需要三大部分：監(jiān)測環(huán)境光強(qiáng)的光傳感器、數(shù)據(jù)處理裝置(通常是微控制器)、控制背光輸入電流的執(zhí)行器。

圖1是實(shí)施背光控制的系統(tǒng)示范框圖。在這套組合中，光傳感器是關(guān)鍵的組成部分，因?yàn)樗蛳到y(tǒng)的其他模塊提供環(huán)境光強(qiáng)信息。光傳感器必須具備將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的信號轉(zhuǎn)換器(譬如光電二極管或CdS光敏電阻)和信號放大和/或調(diào)節(jié)裝置以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。

圖1. 實(shí)施背光控制的系統(tǒng)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(yùn)算放大器：一個(gè)用于電流到電壓的轉(zhuǎn)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(yīng)用中，所需元件的數(shù)量過多可能導(dǎo)致空間受限問題。

圖2. 光電二極管電路分立設(shè)計(jì)

這里還存在一個(gè)更細(xì)微的問題。具體而言，理想情況下，應(yīng)確保環(huán)境光的測量模擬了人眼對光線的響應(yīng)機(jī)制。這通常借助CIE提供的視覺亮度曲線(圖3)。然而，光電二極管很少能夠完全模擬這種響應(yīng)機(jī)制，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂泻芨叩?a href="http://ttokpm.com/tags/紅外/" target="_blank">紅外(IR)靈敏度。在IR強(qiáng)度較大的光照條件(譬如白熾燈或日光)下，這種紅外靈敏度會造成錯(cuò)誤地判斷光線強(qiáng)度。

圖3. CIE曲線和典型的光電二極管

解決上述問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(yīng)值減去后者的響應(yīng)值，將紅外干擾降至最小，獲得準(zhǔn)確的可見光響應(yīng)。

環(huán)境光傳感器的電氣特性

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

2、內(nèi)置雙敏感元，自動衰減近紅外，光譜響應(yīng)接近人眼函數(shù)曲線；

3、內(nèi)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(wěn)定性好；

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

5、符合歐盟RoHS指令，無鉛、無鎘。

選擇環(huán)境光傳感器的考慮因素

通常有幾種方法能夠?qū)膺M(jìn)行檢測，例如通過使用光電晶體管、光敏電阻或光電二極管來實(shí)現(xiàn)，但對于當(dāng)今應(yīng)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(dǎo)體，它基于單晶硅片構(gòu)造而成，與用于生產(chǎn)集成電路的晶體硅片類似。一個(gè)典型的傳感器應(yīng)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?qū)⑺羞@些器件集成并采用小型封裝對于終端用戶而言是非常有益的，而且這恰恰就是當(dāng)前的市場需求。

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

一般來說，在選擇一個(gè)光傳感器時(shí)，需要著重考慮的因素如下：

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

2、Lux的最大范圍：直射陽光可以多達(dá)130,000Lux，但是大多數(shù)應(yīng)用要求最大范圍為僅為10,000Lux。

3、低Lux光敏度：根據(jù)光傳感器位于頂端的鏡片的類別，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(nèi)工作的光傳感器。

集成的信號調(diào)節(jié)(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)外部放大器或無源元件來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)的光傳感器來說，最好采用一個(gè)非線性光到模擬輸出光傳感器，或一個(gè)光到數(shù)字輸出的光傳感器。接下來還將對此進(jìn)行詳細(xì)說明。

5、封裝大?。簩τ诖蠖鄶?shù)應(yīng)用來說，封裝都是越小越好?，F(xiàn)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(guī)格，需要考慮的下一個(gè)問題就是哪類輸出信號最有助于目標(biāo)應(yīng)用。對于大多數(shù)光傳感器，最常見的輸出為線性輸出電流。雖然這適用于一些應(yīng)用，但現(xiàn)在有更多的可選項(xiàng)，其中包括線性電壓輸出、數(shù)字輸出(通過I2C接口)或者非線性電流或電壓輸出。每種都具有它們的優(yōu)勢，如下所列。

6、線性模擬輸出—電流或電壓輸出：更常見的感應(yīng)器輸出，快速響應(yīng)時(shí)間(數(shù)字輸出受限于積分時(shí)間)，在控制器中集成ADC轉(zhuǎn)換器，電壓輸出省去了對于外加電阻(將電流轉(zhuǎn)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源元件來將電流轉(zhuǎn)換為電壓、設(shè)置傳感器的增益范圍并根據(jù)需要增加低通或高通濾波器。

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

8、數(shù)字輸出：輸出可以直接與控制器相連接(無需ADC)，數(shù)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(shù)字功能(即更加智能的光傳感器)，更易于在通用I2C總線上的網(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(yīng)用

隨著近年來在半導(dǎo)體模擬傳感器和封裝上的進(jìn)步，現(xiàn)在的最終用戶在光傳感器上有了更廣的選擇余地。今天，設(shè)計(jì)者在消費(fèi)類產(chǎn)品、汽車、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)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(yīng)、小占位、低功耗、高集成度和易用。通常根據(jù)設(shè)計(jì)者和應(yīng)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)因素可以幫助用戶和設(shè)計(jì)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(qiáng)成線性關(guān)系，光譜波長敏感度應(yīng)該非常接近人眼。另外，器件的輸出應(yīng)該直接和照射在集成的光敏二極管上的光強(qiáng)成正比，540nm的峰值響應(yīng)接近人眼的峰值敏感度。大多數(shù)光傳感器都能夠感測到380nm～770nm的環(huán)境光。

環(huán)境光傳感器在汽車中的主要應(yīng)用

A、信息娛樂/導(dǎo)航/DVD系統(tǒng)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、后座娛樂顯示屏的背光控制

C、儀表盤組合儀表的背光

D、自動后視鏡調(diào)光

E、自動頭燈和雨量檢測

F、后視攝像機(jī)控制

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

主流環(huán)境光傳感器及其特性

AMIS-74980x環(huán)境光線傳感器使用該該公司專有的CMOS圖像傳感技術(shù)，對有發(fā)光顯示器的設(shè)備來說更具設(shè)計(jì)靈活性也更為經(jīng)濟(jì)。對于移動電話、PDA、手持式顯示器、LCD監(jiān)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)境光線傳感器都是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的理想解決方案。還非常適用于汽車應(yīng)用中的車內(nèi)影音系統(tǒng)、GPS顯示器、前照燈、后視鏡和儀表板。

AMIS-74980x是一種模擬/數(shù)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(nèi)具有優(yōu)良的性能。它們在各種光源下均運(yùn)行良好，包括自然光、熒光、傳統(tǒng)白熾燈和鹵素?zé)?。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(diào)節(jié)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(jù)稱是第一種用于移動產(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，使得移動產(chǎn)品的顯示器及其亮度水平可做出更為精確的調(diào)整。該公司通過利用一種新型材料系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅材料，為這款型號為ALS SFH5711的傳感器開發(fā)出了“人眼”特點(diǎn)。對數(shù)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)，而且無需采用各種串聯(lián)電阻，從而可以使產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(qiáng)型ChipLED版本。它采用非常小和強(qiáng)壯的表面貼裝技術(shù)(SMT)，可以節(jié)省消費(fèi)應(yīng)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(qū)域。ALS的V(蘭姆達(dá))特點(diǎn)代表人眼看見顏色的波長光譜曲線。通過更迅速地自動模擬人眼特點(diǎn)，ALS適合于調(diào)節(jié)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(yīng)用，包括手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦、PDA和手持全球定位系統(tǒng)(GPS)。它們也可以用于汽車應(yīng)用，根據(jù)環(huán)境光線來控制前燈的開關(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(yīng)在500nm，由ALPS提供的視覺化智能功能可以通過排除紫外光和紅外線，能有效仿真人眼的響應(yīng)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(nèi)工作，此外，器件本身更緊密的安排可以帶來更加穩(wěn)定的信賴度與高性能輸出表現(xiàn)。

APDS-9005和APDS-9006環(huán)境亮度傳感器在設(shè)計(jì)上緊密貼近人眼對光譜變化的反應(yīng)曲線，可以大量降低功耗并延長電池使用時(shí)間，這些新型傳感器適合移動產(chǎn)品與商業(yè)性LCD顯示背光控制應(yīng)用，如便攜式設(shè)備、筆記本電腦、照明管理以及汽車內(nèi)裝等耗用大量電流的背光應(yīng)用。它同樣也可以用于打開或關(guān)閉室內(nèi)和戶外照明燈、路燈、電子標(biāo)志和信號燈等。這些傳感器在自然的陽光、熒光、傳統(tǒng)的白熾燈和鹵素?zé)舻炔煌墓庠聪碌谋憩F(xiàn)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(yīng)器能有效消除筆記本電腦、手機(jī)、DVD播放器、PDA、MP3播放器、iPod和GPS等便攜式設(shè)備中過多的背光，從而延長這些移動產(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(diào)節(jié)LCD亮度，來符合人眼的要求。

這一系列中的CM3200HS(高靈敏度)、CM3200和CM3000光度感應(yīng)器由光學(xué)濾波器、光電二極管、數(shù)字濾波器和9位D/A轉(zhuǎn)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(yùn)行，而CM3200則在10Lux到10,000Lux的環(huán)境光度范圍下運(yùn)行。CM3000通過一個(gè)外置電阻器來設(shè)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)境光度范圍的開啟或關(guān)閉輸出信號。這一系列光度感應(yīng)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(jī)電池壽命最多提高100%。除了可以用于便攜電子產(chǎn)品以外，F(xiàn)iltron系列產(chǎn)品還可用于控制等離子和LCD電視屏幕及汽車儀表板的亮度。

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(nèi)置的數(shù)字濾光器消除了環(huán)境中熒光燈的閃爍。該公司聲稱，由于采用了專有的Filtron光過濾器技術(shù)，這些芯片是業(yè)內(nèi)模擬人眼情況最好的產(chǎn)品。Filtron只檢測450~650nm的波長。此外，這種光過濾技術(shù)據(jù)說是首次采用半導(dǎo)體工藝制造，消除了在光電二極管上面旋轉(zhuǎn)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，面向高級汽車功能，這些器件可實(shí)現(xiàn)液晶顯示器(LCD)自動亮度控制，并且支持使汽車駕駛者感到舒適及安全的功能。Vishay推出的這三款器件為設(shè)計(jì)人員提供了三種封裝選擇：表面貼裝0805(TEMT6200F)、帶引線5毫米平頂封裝(TEPT5700)或3毫米平頂封裝(TEPT4400)。在汽車應(yīng)用中，這些感應(yīng)器將實(shí)現(xiàn)自動大燈控制，并可使隧道感應(yīng)器以及顯示器可自動調(diào)節(jié)，以適應(yīng)環(huán)境亮度的變化。這些感應(yīng)器提供了簡單的雙引腳連接，它們將用于通過控制鍵盤背光來降低消費(fèi)類電子應(yīng)用中的功耗，以及調(diào)節(jié)LCD的亮度。此外，這些感應(yīng)器還是可替代基于鎘的光敏電阻器的環(huán)保產(chǎn)品。