環(huán)境光傳感器在便攜式電子產(chǎn)品中的應(yīng)用

高分辨率彩色手機(jī)顯示器可呈現(xiàn)精美圖片，但它們耗電量大。使用環(huán)境光傳感器可以延長(zhǎng)電池壽命。

在便攜式電子產(chǎn)品中，降低功耗以為用戶提供更長(zhǎng)的電池壽命是當(dāng)今關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素之一。 LCD（液晶顯示器）及其相關(guān)的背光是便攜式產(chǎn)品中更多（并且經(jīng)常是最多）耗電量大的負(fù)載。結(jié)果，在各種環(huán)境照明情況下使用ALS（環(huán)境光傳感器）來(lái)優(yōu)化背光LED操作正在增加。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員可用于傳感的首選技術(shù)選擇已轉(zhuǎn)向更集成的解決方案。

環(huán)境光傳感器如何使用？

環(huán)境光傳感器也稱為照度或照度傳感器，光學(xué)傳感器，亮度傳感器或者只是光傳感器。 ALS技術(shù)的一個(gè)非常重要的應(yīng)用是手機(jī)。在這里，ALS可以在從黑暗環(huán)境到直射陽(yáng)光的各種照明條件下自動(dòng)控制顯示器背光亮度。通過(guò)ALS輸入，MCU或基帶處理器根據(jù)環(huán)境增加或減少顯示器的亮度。這種控制可以顯著提高可視性并降低功耗，因?yàn)長(zhǎng)CD背光可以在輸入待機(jī)功耗模式下消耗多達(dá)51％的功率。此外，ALS信號(hào)可用于指示鍵盤(pán)LED驅(qū)動(dòng)器最小化鍵盤(pán)背光，從而在輸入待機(jī)功耗模式下減少高達(dá)30％的功耗。在明亮的環(huán)境中，LED鍵盤(pán)亮度降低，功耗最低。

除了手機(jī)外，環(huán)境光傳感器還可用于各種配備LCD的便攜式產(chǎn)品，包括PDA，筆記本電腦，數(shù)碼相機(jī)，視頻播放器，以及基于GPS的導(dǎo)航系統(tǒng)。任何帶LCD的便攜式產(chǎn)品都是ALS技術(shù)的候選產(chǎn)品，可以降低功耗。在汽車(chē)中，LCD的使用正在增加，用于導(dǎo)航，娛樂(lè)和舒適系統(tǒng)，以及控制監(jiān)視和調(diào)光鏡。任何帶LCD的產(chǎn)品都需要補(bǔ)充光線才能正常觀看，這可以從使用ALS降低功耗和提高不同光照條件下的可視性中受益。這包括電視和家用電器，尤其是電子控制和用戶驅(qū)動(dòng)菜單需要更大LCD面板的電視和家用電器。

市場(chǎng)研究公司Databeans，Inc。估計(jì)目前環(huán)境光傳感器的可用市場(chǎng)總量為7％。 LED收入，全球約為3.27億美元。據(jù)Databeans研究總監(jiān)兼首席分析師Susie Inouye所說(shuō)，“由于大量功能豐富的手機(jī)產(chǎn)品將推動(dòng)需求，我們預(yù)計(jì)這一收入將以每年21％的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。五年后到2014年接近8.6億美元。“

ALS技術(shù)的類型

今天，設(shè)計(jì)人員有更多的技術(shù)可供環(huán)境光傳感器選擇，包括光電池，光電二極管，光電晶體管和照相IC。每種技術(shù)都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。選擇ALS的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)之一是其能夠檢測(cè)380至780 nm范圍內(nèi)人眼可見(jiàn)的波長(zhǎng)。圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。雖然CdS（硫化鎘）光電池具有與人眼相似的響應(yīng)優(yōu)勢(shì)，但它們含有鎘，一種禁止使用的RoHS（危險(xiǎn)限制）物質(zhì)）使其無(wú)法在消費(fèi)市場(chǎng)中使用。為了減少電子設(shè)備廢棄物對(duì)環(huán)境的影響，截至2006年7月，任何含有RoHS限制材料的產(chǎn)品都不能銷(xiāo)往某些市場(chǎng)。

圖1：光電IC ALS技術(shù)解決了分立光電池，光電二極管和光電晶體管產(chǎn)品的局限性。

光電二極管在各個(gè)單元之間的色散相對(duì)較低，但低輸出需要外部放大電路。

光電晶體管容易獲得輸出電流但溫度特性差，各個(gè)單元之間的分散很大，需要額外的校準(zhǔn)步驟產(chǎn)品。

Photo IC，也稱為ALS IC，是最新技術(shù)，旨在解決其他ALS方法的缺點(diǎn)。除了可以集成的增加的功能（包括放大，邏輯控制和關(guān)斷能力）之外，光電二極管感測(cè)具有相對(duì)低的色散。模擬和數(shù)字照片IC都可用。每種都有優(yōu)勢(shì)取決于應(yīng)用。照片IC具有集成功能，無(wú)需額外的電路，占用更多的電路板空間并增加成本。因此，許多設(shè)計(jì)人員正在從分立器件向照片IC過(guò)渡。

ALS IC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

模擬和數(shù)字ALS器件都是硅單片電路，帶有集成的光敏半導(dǎo)體光電二極管（PN將光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的連接點(diǎn)）。這兩種技術(shù)均采用小型表面貼裝技術(shù)封裝。了解模擬和數(shù)字照片IC之間的區(qū)別對(duì)于選擇合適的ALS解決方案至關(guān)重要。

圖2：典型的模擬ALS IC將光電二極管與電流放大器和控制電路相結(jié)合。

模擬ALS IC

模擬ALS IC具有與入射光水平成比例的模擬電流輸出。如圖2所示，IC結(jié)合了光電二極管，信號(hào)放大和控制邏輯。通常通過(guò)簡(jiǎn)單的負(fù)載電阻將電流源輸出轉(zhuǎn)換為電壓。此電壓輸出通常應(yīng)用于MCU上ADC接口的輸入（參見(jiàn)圖3），或直接作為配備自動(dòng)發(fā)光控制的LED驅(qū)動(dòng)器IC的輸入（參見(jiàn)圖4）。

圖3：模擬ALS的輸出為系統(tǒng)MCU提供控制輸入。

圖4：當(dāng)與具有自動(dòng)發(fā)光控制的LED驅(qū)動(dòng)器結(jié)合使用時(shí)，模擬ALS輸出提供直接光照水平控制。

模擬ALS的基本設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)包括與環(huán)境亮度成比例的輸出電流，以及與人眼相似的頻譜靈敏度。

數(shù)字ALS IC

典型的數(shù)字輸出ALS（見(jiàn)圖5）具有16位數(shù)字I2C輸出。除了光電二極管的放大，IC的集成ADC還將光電傳感器的輸出轉(zhuǎn)換為I2C信號(hào)，以直接連接到MCU或基帶處理器的I2C通信總線。圖6顯示了I2C接口如何通過(guò)消除對(duì)外部ADC的需求來(lái)簡(jiǎn)化應(yīng)用中的電路。

數(shù)字ALS包含比模擬ALS更多的集成，可以節(jié)省總體成本，同時(shí)節(jié)省空間，在PCB（印刷電路板）上。

圖5：數(shù)字ALS集成了光電二極管，放大電路和ADC，以及接口邏輯。

圖6：在數(shù)字ALS應(yīng)用中，控制器使用I 2 C接口直接與ALS和LED驅(qū)動(dòng)器通信。

為應(yīng)用程序選擇正確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

確定模擬或數(shù)字ALS是否是最合適的解決方案需要回答一些關(guān)于應(yīng)用程序的簡(jiǎn)單問(wèn)題。

哪些通信總線/接口選項(xiàng)可以嗎？ （例如：I2C或GPIO？）

ADC輸入是否可用？

需要多大程度的照明控制？

哪些環(huán)境因素很重要？

工作溫度范圍？

可變光照度/光源？

功耗有多重要？

就功耗而言，數(shù)字ALS可能會(huì)在主動(dòng)模式（例如，ROHM Semiconductor BH1750FVI為190μA）和功耗模式（相同數(shù)字ALS為1.0μA）下消耗更多功率。與模擬ALS（ROHM Semiconductor BH1620FVC分別為97μA和0.4μA）進(jìn)行比較時(shí)，ADC的集成度。但是，當(dāng)考慮單獨(dú)的ADC + MCU或?qū)拵Э刂破鲿r(shí)，總功耗可能是可比較的。在任何一種情況下，與控制LED功耗的能力相比，這些值都非常低。

ROHM半導(dǎo)體解決方案

ROHM提供的模擬和數(shù)字ALS IC具有與人類相似的光譜靈敏度眼睛。兩者均采用緊湊型表面貼裝封裝，WSOF5封裝（1.6 mm x 1.6 mm x 0.55 mm）和WSOF6封裝（3.0 mm x 1.6 mm x 0.7 mm）。所有ROHM環(huán)境光傳感器均采用溫度范圍為-40至85°C，確保在極端條件下穩(wěn)定運(yùn)行。圖7（b）顯示ROHM的光電二極管輸出非常穩(wěn)定，無(wú)論光源如何，都可以降低功耗并改善用戶體驗(yàn)。

模擬ALS解決方案

ROHM Semiconductor ALS IC具有與光成比例的輸出電流（電流源，測(cè)量范圍為0到100，000+ lux（lx）。這些IC的光感應(yīng)精度為±15％，基于ROHM獨(dú)特的激光微調(diào)技術(shù)，可確保高輸出靈敏度。這些器件均具有2.4至5.5 V的輸入電壓范圍。連接至輸出電流（Iout）引腳的電阻將電流輸出轉(zhuǎn)換為0 V至電源電壓電平的線性電壓，以實(shí)現(xiàn)高效的元件操作。

圖7：競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的傳感器輸出（a）根據(jù)光源產(chǎn)生不同的值，但ROHM的ALS IC（b）無(wú)論光源如何都能提供穩(wěn)定的輸出。

圖8顯示了ROHM Semiconductor模擬ALS的相對(duì)光譜響應(yīng)和亮度與輸出電流的關(guān)系。具有不同結(jié)深度的多個(gè)光電二極管提供穩(wěn)定的輸出，各種光源之間的變化很小。由于人類視覺(jué)范圍之外的波長(zhǎng)（例如紫外線和紅外線）可能導(dǎo)致光傳感器讀數(shù)不準(zhǔn)確，因此選擇光譜靈敏度與人眼相似的光傳感器非常重要。雖然圖8（a）中的數(shù)據(jù)專門(mén)用于模擬ALS，但同樣的性能也是數(shù)字設(shè)計(jì)中固有的。除了與勒克斯發(fā)光度成比例的Iout外，ROHM的模擬ALS產(chǎn)品還具有可選的高增益，中增益和低增益模式，這是一項(xiàng)專有功能。這些增益控制模式允許通過(guò)GC1和GC2輸入引腳直接控制內(nèi)部放大器增益。如圖9所示，這三種增益模式為設(shè)計(jì)人員提供了更好的設(shè)計(jì)選項(xiàng)，可以在性能與功耗之間進(jìn)行權(quán)衡。

圖8：BH1603FVC的光譜靈敏度（a）和發(fā)光度與IOUT（b）證明了設(shè)計(jì)工程師在選擇ALS時(shí)應(yīng)考慮的性能優(yōu)勢(shì)。

GC2 GC1模式功能0 0關(guān)閉IOUT OUTPUT禁用0 1 H增益模式60μA@ 100 lx 1 0 M增益模式10μA@ 100 lx 1 1 L增益模式1μA@ 100 lx 1：連接到VCC 0：連接到GND

圖9：ROHM的模式設(shè)置模擬ALS IC提供關(guān)斷和三級(jí)輸出電流，從而提高了性能與功耗的設(shè)計(jì)靈活性。

數(shù)字ALS解決方案

ROHM是首批提供數(shù)字光傳感器的公司之一，進(jìn)一步證明了其在ALS技術(shù)方面的領(lǐng)先地位。數(shù)字ALS IC通過(guò)I2C總線接口測(cè)量16位數(shù)字信號(hào)的亮度和輸出，支持FAST模式（400 KHz）和1.8 V邏輯接口。數(shù)字ALS IC可以檢測(cè)各種強(qiáng)度（0到~65，535 lx）。獨(dú)特的內(nèi)部關(guān)斷功能可實(shí)現(xiàn)低電流消耗。

下面介紹的許多其他功能可區(qū)分這些數(shù)字光電傳感器IC。

在操作環(huán)境中，無(wú)論是否有光傳感器都能產(chǎn)生一致的輸出非常重要光源。如圖7（a）所示，競(jìng)爭(zhēng)解決方案根據(jù)光源輸出不同的值，這可能導(dǎo)致系統(tǒng)在不需要時(shí)打開(kāi)背光。這會(huì)縮短電池壽命并可能干擾最終用戶的體驗(yàn)。

圖10：由BH1715FVC的性能證明，ICC電流與ROHM Semiconductor的數(shù)字ALS解決方案的光度（a）無(wú)關(guān)。同時(shí)，這些裝置兼容各種強(qiáng)度（0至~65，535 lux）（b）。

卓越的光譜響應(yīng)是ROHM數(shù)字ALS產(chǎn)品的另一個(gè)關(guān)鍵特性。圖10顯示了BH1715FVC的兩個(gè)電響應(yīng)圖。圖10（a）表明，發(fā)光度對(duì)數(shù)字光傳感器的電源電流（ICC）影響很小，從而提高了功耗。圖10（b）顯示了高分辨率模式和低分辨率模式的亮度與輸出串行數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果的比較。圖11顯示了改進(jìn)照明控制的兩種分辨率模式的比較.H分辨率模式具有最高分辨率模式分辨率（1勒克斯增量）適用于測(cè)量非常低的勒克斯水平，但測(cè)量光樣本需要最長(zhǎng)的時(shí)間。在這種模式下操作的優(yōu)點(diǎn)是更高精度的光采樣和卓越的光學(xué)噪聲抑制，因?yàn)檫@種能力隨著測(cè)量時(shí)間的增加而提高。在H分辨率模式下操作可消除50/60 Hz的光學(xué)噪聲。圖12顯示了具有波動(dòng)的熒光光源輸出的光學(xué)噪聲降低示例，證明值穩(wěn)定在±1％以內(nèi)。

L分辨率模式以4勒克斯增量采樣并且花費(fèi)最短的時(shí)間來(lái)測(cè)量光樣品。請(qǐng)注意，與模擬ALS相比，不同的工作模式不會(huì)影響數(shù)字單元的功耗。

模式測(cè)量時(shí)間典型值。 ［ms］最小分辨率［lx］特點(diǎn)H分辨率120 1高分辨率和卓越的光學(xué)噪聲抑制特性（50/60 Hz）L分辨率16 4測(cè)量時(shí)間和分辨率均衡良好

圖11：ROHM Semiconductor的數(shù)字光傳感器具有高分辨率和低分辨率模式。

圖12：熒光燈輸出波動(dòng)±25％，與交流電源（a）同步。通過(guò)檢測(cè)與交流電源（50/60 Hz）同步的波動(dòng)光，BH1715FVC數(shù)字ALS輸出值穩(wěn)定在±1％（b）內(nèi)。

結(jié)論

環(huán)境光傳感器是提高LED背光LCD顯示器性能的重要工具。 ROHM提供模擬和數(shù)字單元。此外，ROHM還以ALS IC評(píng)估套件的形式提供設(shè)計(jì)幫助，并為其所有ALS技術(shù)提供光學(xué)仿真設(shè)計(jì)支持。