- 選擇光傳感器的考慮因素
- 光傳感器在汽車中的應(yīng)用
- 傳感器可能提供非常小的封裝
- 光傳感器在提供更舒適的顯示質(zhì)量
由于汽車應(yīng)用已變得日益復(fù)雜，而且越來越多地采用電子驅(qū)動，因此，將更多創(chuàng)新技術(shù)及專用技術(shù)應(yīng)用在這個(gè)領(lǐng)域也就不足為奇了。在汽車環(huán)境中我們能夠越來越多看到的一種獨(dú)特解決方案便是遍及整個(gè)汽車內(nèi)部環(huán)境的環(huán)境光傳感器的普及應(yīng)用。本文將討論環(huán)境光感應(yīng)的原理以及在汽車環(huán)境中采用這種器件的優(yōu)勢。
選擇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：
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)。
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。
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。
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。
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2.0mm×2.1mm光學(xué)DFN，而1.3mm×1.5mm4-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。
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。
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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。
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)。
為更好地理解這些傳感器的構(gòu)造，讓我們更加仔細(xì)地觀察模擬和數(shù)字輸出傳感器的架構(gòu)。首先討論的傳感器是Intersil公司的EL7900線性輸出電流感應(yīng)器。
EL7900集成了PIN型光電二極管與電流鏡增益級功能，用于一個(gè)線性度運(yùn)行高達(dá)10,000Lux的光傳感器。動態(tài)范圍與敏感度可以通過輸出上的一個(gè)負(fù)載阻抗(接地)很容易地進(jìn)行調(diào)節(jié)。選擇一個(gè)更低阻值的電阻器將提供更寬的動態(tài)范圍，但是卻需要以弱光敏感度為代價(jià)。另一方面，選擇一個(gè)更高阻值的電阻器會提供增強(qiáng)的弱光敏感度，但卻要以犧牲動態(tài)范圍為代價(jià)。因此，這種選擇完全取決于終端用戶的應(yīng)用以及他們是需要更低的光敏度還是更大的動態(tài)范圍。
為更好地理解采用一個(gè)光-數(shù)字光傳感器的益處和性能，下面將討論Intersil公司的ISL29003和ISL29004，如圖1所示。
圖中可以清晰地看到通過采用一個(gè)更為復(fù)雜的數(shù)字輸出光傳感器可幫助實(shí)現(xiàn)的功能。首先，這個(gè)器件(ISL29003)仍適用于非常緊湊的2mm×2.1mm光學(xué)DFN封裝(ISL29004，帶有兩個(gè)用于地址選擇的附加引腳，適用3mm×3mm8-LD光學(xué)DFN封裝)。除了具有集成了一個(gè)16位ADC和采有一個(gè)數(shù)字I2C輸出的優(yōu)勢外，ISL29003也支持增益選擇(通過I2C軟件)和積分時(shí)間控制。
增益選擇功能非常實(shí)用，例如，如果需要極高的光敏度，那么可以很簡單的通過I2C發(fā)送一個(gè)命令來將增益設(shè)置到增益1，從而提供前所未有的每Lux65次計(jì)數(shù)(每Lux65次或每0.1Lux6.5次)。如果動態(tài)范圍更加重要，則可以將增益選項(xiàng)變更為4，那么傳感器的動態(tài)范圍就可以達(dá)到64,000Lux。這個(gè)特點(diǎn)以及中斷引腳(報(bào)警引腳)就是環(huán)境光傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)榻K端用戶提供很大的優(yōu)勢。
光敏件的選擇完全取決于終端客戶，但是數(shù)字光傳感器的方法正不斷獲得好評，這是因?yàn)槠渚哂行阅芎挽`活性的優(yōu)勢(特別是對于汽車應(yīng)用而言)，它們需要采用I2C數(shù)字輸出信號(更低的噪聲，可以在相同的總線上網(wǎng)絡(luò)覆蓋數(shù)個(gè)傳感器，對于敏感特性進(jìn)行更好的控制，并實(shí)現(xiàn)更好的總體傳感性能)。
在選擇適當(dāng)?shù)墓鈧鞲衅鲿r(shí)的另一個(gè)考慮因素是選擇一個(gè)帶有理想光譜響應(yīng)的傳感器。普通PIN光電二極管(無源或者有源)本身具有非常寬的光譜響應(yīng)范圍，包括IR射線乃至UV射線。
從理論上來說，用戶需要選擇一個(gè)僅能感應(yīng)可見光(380nm至770nm)并削弱無用的IR信號的光傳感器，如下圖深青色線所表示的(ISL29003光譜響應(yīng))
這些要求如何在一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)呢？讓我們看一看環(huán)境光傳感器是如何在一個(gè)自動的白光LED背光控制電路中工作的，在汽車背光應(yīng)用中通?？梢钥吹竭@種控制電路。
在該電路中(圖2)，LED由白光LED驅(qū)動器(EL7630)所傳送的恒定電流來驅(qū)動。隨著環(huán)境光的增加，EL7900光傳感器將更多的電流注入到白光LED驅(qū)動器的反饋端；在明亮的環(huán)境里，光傳感器注入更多電流到反饋端，因此，它減少了白光LED的輸出電流和輸出光密度。環(huán)境光密度和白光LED輸出電流的關(guān)系圖如下所示：
光傳感器的輸出電流由Iout=E(6uA/10Lux)來表示。
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光傳感器在汽車中的應(yīng)用
上文已經(jīng)談?wù)摿斯鈧鞲衅鞯幕A(chǔ)，下面將探討采用光敏感傳感器的市場及應(yīng)用。從便攜式消費(fèi)類市場(智能電話、PDA、臺式計(jì)、便攜式音樂播放器等等)到消費(fèi)類電視機(jī)市場(TFT-LCD、等離子、尾部投影、CRT等等)，再到醫(yī)療、工業(yè)及汽車市場，光傳感器可謂無所不在。
在汽車環(huán)境中，主要的應(yīng)用如下：車載娛樂/導(dǎo)航/DVD系統(tǒng)背光控制，以便在所有的環(huán)境光條件下都可以顯示出理想的背光亮度；后座娛樂用顯示器背光控制；儀表組背光控制(速度計(jì)/轉(zhuǎn)速計(jì))；自動后視鏡亮度控制(通常要求兩個(gè)傳感器，一個(gè)是前向的，一個(gè)是后向的)；自動前大燈和雨水感應(yīng)控制(專用，根據(jù)需求進(jìn)行變化)；后視相機(jī)控制(專用，根據(jù)需求進(jìn)行變化)。
光傳感器在提供更舒適的顯示質(zhì)量方面已經(jīng)成為最有效的解決方案之一，它具有與人眼相似的特性，這對于汽車應(yīng)用而言至關(guān)重要，因?yàn)檫@些應(yīng)用要求在所有環(huán)境光條件下都能達(dá)到完全的背光效果。例如，在白天，用戶需要最大的亮度來實(shí)現(xiàn)最佳的可見度，但是這種亮度在對于夜間條件而言則是過亮的，因此帶有良好光譜響應(yīng)(良好的IR衰減)的光傳感器、適當(dāng)?shù)膭討B(tài)范圍和整體的良好輸出信號調(diào)節(jié)可以很容易地自動完成這些應(yīng)用?，F(xiàn)在終端用戶可以設(shè)置幾個(gè)閾值水平(如低、中、亮光)，或能夠隨意地動態(tài)地改變傳感器的背光亮度。
這也適用于汽車后視鏡亮度控制，當(dāng)鏡子變暗和/或變亮?xí)r需要智能的亮度管理，可以通過環(huán)境光傳感器來完成。
對于便攜式應(yīng)用，如果用戶不改變系統(tǒng)設(shè)置(通常是亮度控制)，那么一個(gè)顯示器總是消耗同樣多的能量。在室外等特別亮的區(qū)域，用戶傾向于提高顯示器的亮度，這就會增加系統(tǒng)的功耗。而當(dāng)條件變化時(shí)，如進(jìn)入建筑物，大多數(shù)用戶都不會去改變設(shè)置，因此系統(tǒng)功耗仍然保持很高。但是，通過使用一個(gè)光傳感器，系統(tǒng)能夠自動檢測條件變化并調(diào)節(jié)設(shè)置，以保證顯示器處于最佳的亮度，進(jìn)而降低總功耗。在一般的消費(fèi)類應(yīng)用中，這也能夠延長電池壽命。對于移動電話、筆計(jì)本電腦、PAD和數(shù)碼相機(jī)，通過采用環(huán)境光傳感器反饋，可以自動進(jìn)行亮度控制，從而延長了電池壽命。
感應(yīng)環(huán)境光并不是一個(gè)新的構(gòu)想。在數(shù)十年前就已經(jīng)利用光電二極管和光敏電阻來實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想。所謂新構(gòu)想，是指對環(huán)境光感應(yīng)的同時(shí)還能消減無用的紅外線和紫外線光，而且在支持汽車規(guī)格AECQ-1000嚴(yán)格要求的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)小封裝，尤其是能夠保證在-40度至+105度(2級)溫度范圍內(nèi)的操作，以滿足其余的規(guī)格要求。如何保持工作質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)并滿足AECQ-1000的2級工作要求，這是當(dāng)今在所有光設(shè)計(jì)解決方案中所面臨的挑戰(zhàn)。
采用一個(gè)光傳感器或LED發(fā)射器或接收器時(shí)，任何的光學(xué)解決方案都會面臨著暴露在恒定高溫下(>+85度)而出現(xiàn)的封裝變色問題(會變暗或變成淡黃)。同樣值得一提的是，到目前為止，所有環(huán)境光傳感器的應(yīng)用都限于車艙內(nèi)，在發(fā)動機(jī)艙或戶外環(huán)境中還沒有出現(xiàn)光傳感器應(yīng)用。事實(shí)上，即使出現(xiàn)了這樣的應(yīng)用，光封裝也不是針對這樣的苛刻條件(+125或+150度的條件)而設(shè)計(jì)，因此，在當(dāng)前的光學(xué)封裝技術(shù)下，它們很可能還不能夠承受這樣的條件。但如果汽車市場確定了在汽車發(fā)動機(jī)艙內(nèi)對于光傳感器的需求，相信光傳感器廠商定會想出辦法加以支持。
半導(dǎo)體相似傳感器和封裝開發(fā)的最新進(jìn)展使得終端用戶在光傳感器上具有了更廣泛的選擇。小封裝、低功耗、高集成和簡單易用性是設(shè)計(jì)者更多地采用光傳感器的原因，其應(yīng)用范圍涉及消費(fèi)類電子、工業(yè)應(yīng)用以及汽車領(lǐng)域。
