許多便攜式電子設(shè)備結(jié)合了環(huán)境光傳感器（ALS）和接近檢測(cè)器，以改善用戶體驗(yàn)并最大限度地降低功耗。直到最近，這些組合傳感器的接近傳感器的范圍被限制在幾毫米，從而限制了它們?cè)?a href="http://www.www27dydycom.cn/v/tag/11230/" target="_blank">智能手機(jī)上的應(yīng)用。

然而，許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用包括恒溫器，家用電器，辦公設(shè)備，照明控制其他人也可以從具有更長(zhǎng)檢測(cè)范圍的集成設(shè)備的電路板空間和功率節(jié)省中受益。這是Vishay Intertechnology新推出的VCNL4100CT設(shè)計(jì)背后的推動(dòng)力。

本文將探討ALS和接近感應(yīng)在移動(dòng)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備方面的應(yīng)用。然后介紹VCNL4100CT，描述它的工作原理，并展示如何充分利用它進(jìn)行下一次設(shè)計(jì)。

ALS和接近傳感器節(jié)省電量

便攜式設(shè)備，ALS用于確定在不同光照條件下所需的屏幕顯示強(qiáng)度。這有助于屏幕可讀性和整體用戶體驗(yàn)，同時(shí)有條件地降低顯示器消耗的功率。某些設(shè)備（如智能手機(jī)）也使用光學(xué)接近檢測(cè)器。傳感器輸出可用于禁用觸摸屏功能并關(guān)閉顯示屏。這樣可以減少用戶的耳朵或臉頰掛斷電話，使揚(yáng)聲器靜音或使用其他不需要的功能的幾率。

靠近臉部時(shí)關(guān)閉顯示器也可延長(zhǎng)電池壽命。如果用戶將設(shè)備帶離他們的耳朵以執(zhí)行另一個(gè)任務(wù)（例如接聽另一個(gè)呼叫），則接近傳感器將檢測(cè)到該動(dòng)作，并且可以重新啟用屏幕和觸摸功能，準(zhǔn)備輸入。

將接近和環(huán)境光傳感器組合到單個(gè)封裝中已經(jīng)成為手持設(shè)備市場(chǎng)的常見做法已有多年。該集成利用了光電探測(cè)器用于兩種功能的事實(shí)。對(duì)于環(huán)境光檢測(cè)，處理和過濾光電二極管輸出以模仿人眼的響應(yīng)。然后使用該信息適當(dāng)?shù)卣{(diào)暗屏幕。對(duì)于接近檢測(cè)，紅外發(fā)光二極管（IRED）發(fā)出脈沖能量，并且調(diào)諧到IRED波長(zhǎng)的光電檢測(cè)器尋找反射能量。通過使用與外界共享電源和通信的單個(gè)封裝，這種組合節(jié)省了寶貴的電路板空間。

共同封裝的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是避免了兩個(gè)功能之間的干擾。接近傳感器使用脈沖紅外（IR）能量來(lái)確定距離。 IRED將IR信號(hào)發(fā)送到環(huán)境中，并且類似調(diào)諧的IR接收器在物體移動(dòng)到空間中時(shí)尋找從物體返回的反射能量。在此期間，ALS傳感器可能會(huì)被IR信號(hào)飽和，除非它具有良好的IR波段抑制或在IR脈沖存在時(shí)施加傳感器消隱時(shí)間。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

對(duì)于接近傳感器，這些組合傳感器的范圍限制在幾毫米，但許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也可以從具有更大感應(yīng)距離的集成設(shè)備的電路板空間和功率節(jié)省中受益。這些應(yīng)用包括恒溫器，家用電器，辦公設(shè)備和照明控制。

Vishay的新型VCNL4100CT通過引入高功率紅外發(fā)射器擴(kuò)展了應(yīng)用范圍，該發(fā)射器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)一米的接近檢測(cè)（圖1）。

圖1：Vishay的VCNL4100接近和環(huán)境光傳感器包括一個(gè)匹配的紅外發(fā)射器和光電探測(cè)器，可測(cè)量高達(dá)1米的距離（來(lái)源：Vishay Intertechnology）

VCNL4100結(jié)合了匹配的940 nm紅外發(fā)射器和光電二極管，用于接近度測(cè)量和環(huán)境光傳感器。這兩種功能都通過板載信號(hào)處理提供可編程測(cè)量，允許針對(duì)不同環(huán)境定制操作。微控制器（MCU）通信通過標(biāo)準(zhǔn)I 2 C，主機(jī)可以設(shè)置測(cè)量參數(shù)和請(qǐng)求結(jié)果。如果需要，可編程閾值允許VCNL4100在超過閾值時(shí)中斷主機(jī)，從而最大限度地減少器件輪詢。

信號(hào)處理電路使用內(nèi)置溫度傳感器，在-40°C至+ 85°C的溫度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的輸出。設(shè)備的接近傳感器部分中的智能消除消除了可能干擾測(cè)量的背景光問題。 ALS采用Filtron?技術(shù)將環(huán)境光譜靈敏度與人眼響應(yīng)相匹配，并且不受熒光燈閃爍的影響。最大檢測(cè)范圍可選（655/1311/2621/5243 lux），最高靈敏度為0.01 lux/step。該器件采用微型8.0 x 3.0 x 1.8 mm表面貼裝封裝，帶有集成透鏡（圖2）。

圖2：VCNL4100采用8.0 x 3.0 x 1.8 mm表面貼裝塑料封裝，帶有集成透鏡，便于機(jī)械集成到最終應(yīng)用中。 （來(lái)源：Vishay Intertechnology）

現(xiàn)在我們對(duì)設(shè)備有了一些了解，讓我們深入了解電氣，機(jī)械和參數(shù)調(diào)整的細(xì)節(jié)，以便將傳感器定制到應(yīng)用中。

應(yīng)用電路

典型應(yīng)用的元件級(jí)原理圖如圖3所示。

圖3：典型VCNL4100的應(yīng)用電路。 Vdd和Vbb使用單獨(dú)的電源，外部P溝道MOSFET用于保持脈沖IR發(fā)射極電流不會(huì)干擾內(nèi)部測(cè)量電路。 （使用Digi-Key Scheme繪制的圖表 - 它）

VCNL4100輸入電壓（Vdd）為2.5至3.6 V，與當(dāng)今許多微控制器兼容。單獨(dú)的Vbb電源用于通過一個(gè)小的外部P溝道MOSFET Q1為IR發(fā)射器脈沖提供源。這會(huì)將IRED驅(qū)動(dòng)器的功耗從芯片上移開，并將高電流驅(qū)動(dòng)脈沖與偏置到Vdd的敏感內(nèi)部電路隔離開來(lái)。 Q1的柵極驅(qū)動(dòng)來(lái)自引腳2，需要一個(gè)上拉電阻以確保關(guān)斷至Vbb（3.5至5 V）。

如果使用單獨(dú)的電源，Vdd可以用小的0.1去耦μF電容靠近引腳3放置，但需要一個(gè)更大的2.2μF電容連接到Q1的電源，為IR發(fā)射極提供開啟能量。最大紅外發(fā)射極電流為800 mA，由2.7Ω電阻設(shè)置。

MCU通信引腳為漏極開路，因此它們需要上拉電阻來(lái)連接MCU電壓。在這種情況下，對(duì)于400 kHz I 2 C信號(hào)使用2.2kΩ上拉電阻，但I(xiàn)NT引腳上的8.2kΩ上拉電阻就足夠了。

圖4是圖3中描述的VCNL4100原理圖的建議布局。

圖4：使用兩個(gè)電路板層的VCNL4100模塊的建議布局。寬走線用于通過IR發(fā)射器的電流路徑。 （來(lái)源：Vishay Intertechnology）

機(jī)械設(shè)計(jì)

由于該設(shè)備集成了紅外發(fā)射器和探測(cè)器，它們之間的距離是固定的，因此簡(jiǎn)化了機(jī)械設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。發(fā)射器的半強(qiáng)度角約為+ 15°，光電二極管的靈敏度約為+ 30°（圖5）。

圖5：VCNL4100發(fā)射器和探測(cè)器半角決定了良好探測(cè)所需的機(jī)械布局。 （來(lái)源：Vishay Intertechnology）

檢測(cè)區(qū)域的大小由傳感器頂部到蓋玻片外表面的距離和玻璃中透明孔的大小決定。如果蓋玻片放在傳感器頂部，則需要發(fā)射器孔直徑> 1.7 mm，探測(cè)器孔> 2 mm。如果玻璃位于傳感器上方，則每個(gè)簡(jiǎn)單的幾何計(jì)算必須增加窗口直徑。隨著玻璃距離的增加，Vishay提供了所需直徑的表格。

圖5所示的玻璃和傳感器之間的灰色條是一道光柵。必須在IR發(fā)射器和探測(cè)器之間安裝，以避免串?dāng)_干擾。

調(diào)整接近傳感器

PS參數(shù)需要根據(jù)應(yīng)用要求進(jìn)行調(diào)整。檢測(cè)距離是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。恒溫器可能需要高達(dá)一米的檢測(cè)范圍，而廚房用具可能只需要一半的范圍。肥皂分配器通常僅需要10厘米。在諸如工業(yè)安全應(yīng)用的其他應(yīng)用中，響應(yīng)時(shí)間可能很重要。在所有情況下，都需要在檢測(cè)范圍，速度和功耗之間進(jìn)行權(quán)衡。

發(fā)射器脈沖長(zhǎng)度，占空比，高和低閾值電平以及高于/低于閾值的連續(xù)測(cè)量次數(shù)可以設(shè)置為提供所需的檢測(cè)。發(fā)射極脈沖長(zhǎng)度可以在80μs至1.1 ms之間的離散步長(zhǎng)中設(shè)置，占空比在5％至0.02％之間。隨著脈沖長(zhǎng)度增加，脈沖重復(fù)率保持恒定以保持設(shè)定的占空比。因此，最快的脈沖序列將是每1.5 ms（80μsx20）一個(gè)，最長(zhǎng)的脈沖序列將是~5.6秒（1.1 ms x 5120）。

更長(zhǎng)的脈沖會(huì)增加暗物體的檢測(cè)范圍，但是導(dǎo)致探測(cè)器在較近的距離處對(duì)較輕的物體飽和。每個(gè)應(yīng)用程序的正確設(shè)置需要通過使用已知檢測(cè)對(duì)象或標(biāo)準(zhǔn)參考（例如柯達(dá)灰卡）的評(píng)估測(cè)試來(lái)確定。最簡(jiǎn)單的方法是購(gòu)買Vishay的VCNL4000傳感器入門套件，然后從sensortechsupport@vishay.com索取VCNL4100傳感器板。這將允許您在進(jìn)行測(cè)量時(shí)通過易于使用的GUI快速評(píng)估參數(shù)更改。

PS的輸出是一個(gè)8位值，可由MCU通過I 2 C接口。此外，VCNL4100可以設(shè)置高閾值和低閾值，以及值超過閾值的連續(xù)次數(shù)以產(chǎn)生中斷。后者降低了MCU上的通信和處理負(fù)載。

調(diào)整ALS

調(diào)整顯示屏背光或根據(jù)環(huán)境光照條件啟用/禁用功能可以節(jié)省電量并提高顯示可讀性。為了有效，必須將ALS調(diào)諧到可見光譜并拒絕其他光源。 VCNL4100接近傳感器和環(huán)境光傳感器的歸一化光譜響應(yīng)如圖6所示。

圖6：VCNL4100環(huán)境光傳感器和接近傳感器的歸一化光譜響應(yīng)。環(huán)境光傳感器模仿人眼的光譜響應(yīng)，并且接近檢測(cè)器被調(diào)諧到紅外光譜。 （來(lái)源：Vishay Intertechnology）

人眼對(duì)400 nm至700 nm的波長(zhǎng)敏感，峰值靈敏度為560 nm。 VCNL4100 ALS傳感器與此靈敏度范圍緊密匹配，具有出色的帶外抑制性能。

在可見光范圍內(nèi)，照度測(cè)量單位是勒克斯。具有相同勒克斯測(cè)量值的光源看起來(lái)同樣明亮。傳感器讀取的lux值可通過I 2 C以16位值的形式提供給主機(jī)MCU。字中編碼的勒克斯值取決于所選的積分時(shí)間（樣本累積時(shí)間）。有四種可能的積分時(shí)間：80,160,320和640 ms。增加積分時(shí)間會(huì)導(dǎo)致更高的勒克斯靈敏度和更小的最大檢測(cè)范圍，如圖7所示。為了確定實(shí)際的勒克斯值，MCU將16位值乘以所選的勒克斯/步?？赡苄枰獞?yīng)用偏移來(lái)考慮蓋玻片和窗口尺寸。

ALS分辨率和最大檢測(cè)范圍ALS_IT靈敏度（lx/步）最大檢測(cè)范圍（lx）ALS_IT（7：6）積分時(shí)間（0,0） ）（0,1）（1,0）（1,1）80 ms 160 ms 320 ms 640 ms 0.08 0.04 0.02 0.01 5243 2621 1311 655

圖7：VCNL4100環(huán)境光傳感器分辨率和最大檢測(cè)范圍。更長(zhǎng)的積分（樣品）時(shí)間導(dǎo)致更高的分辨率，但更小的最大檢測(cè)范圍。 （來(lái)源：Vishay Intertechnology）

VCNL4100還具有高閾值和低閾值設(shè)置，并且連續(xù)超過閾值的次數(shù)可用于自動(dòng)執(zhí)行ALS檢測(cè)過程。如果測(cè)量值超過或低于設(shè)定次數(shù)的閾值，則中斷線將被置位。

電流和功率考慮因素

在許多應(yīng)用中，總供電電流很重要，尤其是那些由電池供電的。 VCNL4100的典型電源電流為195μA，不包括驅(qū)動(dòng)IR發(fā)射器所需的電流。如果MCU將用于定期喚醒器件進(jìn)行測(cè)量，則可以使用僅為0.2μA的低電流關(guān)斷模式。省電的替代方案是關(guān)閉主機(jī)MCU，啟用ALS和/或接近傳感器，并在超過閾值時(shí)對(duì)其中一個(gè)或兩個(gè)進(jìn)行編程以喚醒MCU。

額外的功率考慮是脈沖的紅外發(fā)射極電流。最大值必須低于800 mA，但I(xiàn)R發(fā)射器的平均功耗是占空比的函數(shù)。使用最大脈沖電流和5％占空比，平均電流消耗為40 mA。 0.02％的占空比使其降至0.16 mA。由于通過發(fā)射器的平均功耗，具有快速占空比的長(zhǎng)脈沖時(shí)間將導(dǎo)致管芯加熱。在這些情況下，可能需要降低最大發(fā)射極電流，以防止遇到封裝熱限制。 Vishay提供了在Tamb <50?C的各種工作周期下正向電流與脈沖持續(xù)時(shí)間的關(guān)系圖，以幫助確定。

易于使用

包裝紅外發(fā)射器和探測(cè)器VCNL4100與集成鏡頭一起大大減少了機(jī)械設(shè)計(jì)任務(wù)。此外，在設(shè)備中結(jié)合信號(hào)處理和I 2 C通信，以及易于使用的配置工具，大大減少了應(yīng)用程序調(diào)優(yōu)和軟件驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)任務(wù)。

結(jié)論

對(duì)于家庭，辦公室或工廠車間的下一代物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員，VCNL4100可以輕松嵌入環(huán)境光感應(yīng)和遠(yuǎn)程接近傳感器，以最大限度地降低功耗和大大改善了用戶體驗(yàn)。