环境光传感器在便携式电子产品中的应用

高分辨率彩色手机显示器可呈现精美图片，但它们耗电量大。使用环境光传感器可以延长电池寿命。

在便携式电子产品中，降低功耗以为用户提供更长的电池寿命是当今关键的设计考虑因素之一。 LCD（液晶显示器）及其相关的背光是便携式产品中更多（并且经常是最多）耗电量大的负载。结果，在各种环境照明情况下使用ALS（环境光传感器）来优化背光LED操作正在增加。同时，设计人员可用于传感的首选技术选择已转向更集成的解决方案。

环境光传感器如何使用？

环境光传感器也称为照度或照度传感器，光学传感器，亮度传感器或者只是光传感器。 ALS技术的一个非常重要的应用是手机。在这里，ALS可以在从黑暗环境到直射阳光的各种照明条件下自动控制显示器背光亮度。通过ALS输入，MCU或基带处理器根据环境增加或减少显示器的亮度。这种控制可以显着提高可视性并降低功耗，因为LCD背光可以在输入待机功耗模式下消耗多达51％的功率。此外，ALS信号可用于指示键盘LED驱动器最小化键盘背光，从而在输入待机功耗模式下减少高达30％的功耗。在明亮的环境中，LED键盘亮度降低，功耗最低。

除了手机外，环境光传感器还可用于各种配备LCD的便携式产品，包括PDA，笔记本电脑，数码相机，视频播放器，以及基于GPS的导航系统。任何带LCD的便携式产品都是ALS技术的候选产品，可以降低功耗。在汽车中，LCD的使用正在增加，用于导航，娱乐和舒适系统，以及控制监视和调光镜。任何带LCD的产品都需要补充光线才能正常观看，这可以从使用ALS降低功耗和提高不同光照条件下的可视性中受益。这包括电视和家用电器，尤其是电子控制和用户驱动菜单需要更大LCD面板的电视和家用电器。

市场研究公司Databeans，Inc。估计目前环境光传感器的可用市场总量为7％。 LED收入，全球约为3.27亿美元。据Databeans研究总监兼首席分析师Susie Inouye所说，“由于大量功能丰富的手机产品将推动需求，我们预计这一收入将以每年21％的复合年增长率增长。五年后到2014年接近8.6亿美元。“

ALS技术的类型

今天，设计人员有更多的技术可供环境光传感器选择，包括光电池，光电二极管，光电晶体管和照相IC。每种技术都有优点和缺点。选择ALS的关键标准之一是其能够检测380至780 nm范围内人眼可见的波长。图1显示了现有技术的优缺点。虽然CdS（硫化镉）光电池具有与人眼相似的响应优势，但它们含有镉，一种禁止使用的RoHS（危险限制）物质）使其无法在消费市场中使用。为了减少电子设备废弃物对环境的影响，截至2006年7月，任何含有RoHS限制材料的产品都不能销往某些市场。

图1：光电IC ALS技术解决了分立光电池，光电二极管和光电晶体管产品的局限性。

光电二极管在各个单元之间的色散相对较低，但低输出需要外部放大电路。

光电晶体管容易获得输出电流但温度特性差，各个单元之间的分散很大，需要额外的校准步骤产品。

Photo IC，也称为ALS IC，是最新技术，旨在解决其他ALS方法的缺点。除了可以集成的增加的功能（包括放大，逻辑控制和关断能力）之外，光电二极管感测具有相对低的色散。模拟和数字照片IC都可用。每种都有优势取决于应用。照片IC具有集成功能，无需额外的电路，占用更多的电路板空间并增加成本。因此，许多设计人员正在从分立器件向照片IC过渡。

ALS IC的拓扑结构

模拟和数字ALS器件都是硅单片电路，带有集成的光敏半导体光电二极管（PN将光转换为电信号的连接点）。这两种技术均采用小型表面贴装技术封装。了解模拟和数字照片IC之间的区别对于选择合适的ALS解决方案至关重要。

图2：典型的模拟ALS IC将光电二极管与电流放大器和控制电路相结合。

模拟ALS IC

模拟ALS IC具有与入射光水平成比例的模拟电流输出。如图2所示，IC结合了光电二极管，信号放大和控制逻辑。通常通过简单的负载电阻将电流源输出转换为电压。此电压输出通常应用于MCU上ADC接口的输入（参见图3），或直接作为配备自动发光控制的LED驱动器IC的输入（参见图4）。

图3：模拟ALS的输出为系统MCU提供控制输入。

图4：当与具有自动发光控制的LED驱动器结合使用时，模拟ALS输出提供直接光照水平控制。

模拟ALS的基本设计优势包括与环境亮度成比例的输出电流，以及与人眼相似的频谱灵敏度。

数字ALS IC

典型的数字输出ALS（见图5）具有16位数字I²C输出。除了光电二极管的放大，IC的集成ADC还将光电传感器的输出转换为I²C信号，以直接连接到MCU或基带处理器的I²C通信总线。图6显示了I²C接口如何通过消除对外部ADC的需求来简化应用中的电路。

数字ALS包含比模拟ALS更多的集成，可以节省总体成本，同时节省空间，在PCB（印刷电路板）上。

图5：数字ALS集成了光电二极管，放大电路和ADC，以及接口逻辑。

图6：在数字ALS应用中，控制器使用I 2 C接口直接与ALS和LED驱动器通信。

为应用程序选择正确的拓扑结构

确定模拟或数字ALS是否是最合适的解决方案需要回答一些关于应用程序的简单问题。

哪些通信总线/接口选项可以吗？ （例如：I²C或GPIO？）

ADC输入是否可用？

需要多大程度的照明控制？

哪些环境因素很重要？

工作温度范围？

可变光照度/光源？

功耗有多重要？

就功耗而言，数字ALS可能会在主动模式（例如，ROHM Semiconductor BH1750FVI为190μA）和功耗模式（相同数字ALS为1.0μA）下消耗更多功率。与模拟ALS（ROHM Semiconductor BH1620FVC分别为97μA和0.4μA）进行比较时，ADC的集成度。但是，当考虑单独的ADC + MCU或宽带控制器时，总功耗可能是可比较的。在任何一种情况下，与控制LED功耗的能力相比，这些值都非常低。

ROHM半导体解决方案

ROHM提供的模拟和数字ALS IC具有与人类相似的光谱灵敏度眼睛。两者均采用紧凑型表面贴装封装，WSOF5封装（1.6 mm x 1.6 mm x 0.55 mm）和WSOF6封装（3.0 mm x 1.6 mm x 0.7 mm）。所有ROHM环境光传感器均采用温度范围为-40至85°C，确保在极端条件下稳定运行。图7（b）显示ROHM的光电二极管输出非常稳定，无论光源如何，都可以降低功耗并改善用户体验。

模拟ALS解决方案

ROHM Semiconductor ALS IC具有与光成比例的输出电流（电流源，测量范围为0到100，000+ lux（lx）。这些IC的光感应精度为±15％，基于ROHM独特的激光微调技术，可确保高输出灵敏度。这些器件均具有2.4至5.5 V的输入电压范围。连接至输出电流（Iout）引脚的电阻将电流输出转换为0 V至电源电压电平的线性电压，以实现高效的元件操作。

图7：竞争对手的传感器输出（a）根据光源产生不同的值，但ROHM的ALS IC（b）无论光源如何都能提供稳定的输出。

图8显示了ROHM Semiconductor模拟ALS的相对光谱响应和亮度与输出电流的关系。具有不同结深度的多个光电二极管提供稳定的输出，各种光源之间的变化很小。由于人类视觉范围之外的波长（例如紫外线和红外线）可能导致光传感器读数不准确，因此选择光谱灵敏度与人眼相似的光传感器非常重要。虽然图8（a）中的数据专门用于模拟ALS，但同样的性能也是数字设计中固有的。除了与勒克斯发光度成比例的Iout外，ROHM的模拟ALS产品还具有可选的高增益，中增益和低增益模式，这是一项专有功能。这些增益控制模式允许通过GC1和GC2输入引脚直接控制内部放大器增益。如图9所示，这三种增益模式为设计人员提供了更好的设计选项，可以在性能与功耗之间进行权衡。

图8：BH1603FVC的光谱灵敏度（a）和发光度与IOUT（b）证明了设计工程师在选择ALS时应考虑的性能优势。

GC2 GC1模式功能0 0关闭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：连接到VCC 0：连接到GND

图9：ROHM的模式设置模拟ALS IC提供关断和三级输出电流，从而提高了性能与功耗的设计灵活性。

数字ALS解决方案

ROHM是首批提供数字光传感器的公司之一，进一步证明了其在ALS技术方面的领先地位。数字ALS IC通过I²C总线接口测量16位数字信号的亮度和输出，支持FAST模式（400 KHz）和1.8 V逻辑接口。数字ALS IC可以检测各种强度（0到~65，535 lx）。独特的内部关断功能可实现低电流消耗。

下面介绍的许多其他功能可区分这些数字光电传感器IC。

在操作环境中，无论是否有光传感器都能产生一致的输出非常重要光源。如图7（a）所示，竞争解决方案根据光源输出不同的值，这可能导致系统在不需要时打开背光。这会缩短电池寿命并可能干扰最终用户的体验。

图10：由BH1715FVC的性能证明，ICC电流与ROHM Semiconductor的数字ALS解决方案的光度（a）无关。同时，这些装置兼容各种强度（0至~65，535 lux）（b）。

卓越的光谱响应是ROHM数字ALS产品的另一个关键特性。图10显示了BH1715FVC的两个电响应图。图10（a）表明，发光度对数字光传感器的电源电流（ICC）影响很小，从而提高了功耗。图10（b）显示了高分辨率模式和低分辨率模式的亮度与输出串行数据测量结果的比较。图11显示了改进照明控制的两种分辨率模式的比较.H分辨率模式具有最高分辨率模式分辨率（1勒克斯增量）适用于测量非常低的勒克斯水平，但测量光样本需要最长的时间。在这种模式下操作的优点是更高精度的光采样和卓越的光学噪声抑制，因为这种能力随着测量时间的增加而提高。在H分辨率模式下操作可消除50/60 Hz的光学噪声。图12显示了具有波动的荧光光源输出的光学噪声降低示例，证明值稳定在±1％以内。

L分辨率模式以4勒克斯增量采样并且花费最短的时间来测量光样品。请注意，与模拟ALS相比，不同的工作模式不会影响数字单元的功耗。

模式测量时间典型值。 ［ms］最小分辨率［lx］特点H分辨率120 1高分辨率和卓越的光学噪声抑制特性（50/60 Hz）L分辨率16 4测量时间和分辨率均衡良好

图11：ROHM Semiconductor的数字光传感器具有高分辨率和低分辨率模式。

图12：荧光灯输出波动±25％，与交流电源（a）同步。通过检测与交流电源（50/60 Hz）同步的波动光，BH1715FVC数字ALS输出值稳定在±1％（b）内。

结论

环境光传感器是提高LED背光LCD显示器性能的重要工具。 ROHM提供模拟和数字单元。此外，ROHM还以ALS IC评估套件的形式提供设计帮助，并为其所有ALS技术提供光学仿真设计支持。