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环境光传感器协助应用变得更智能、更环保

Margery Conner?? EDN技术编辑?? 2009年10月31日 ?? 收藏0

  环境光传感器能帮助智能手机节省显示屏功耗,增加电池工作时间。较新版还包括了更多功能,如光谱响应与动态范围、集成接近探测,以及数字通信等。有这些功能的传感器可以用于大屏显示器以及汽车显示器与固态照明。

  要点
  虽然ALS(环境光传感器)的主要用户是智能手机,但它们也能为笔记本电脑、电视屏幕以及汽车和室内照明等应用提供智能和节能。
  ALS最重要的特性是能够看到人眼所看见的光线。这一工作需要滤除IR(红外)频谱。
  供应商正在向ALS中集成更多功能,如数字接口与接近传感器。
  更复杂的器件可完成RGB(红/绿/蓝)探测。

  ALS(环境光传感器)已出现了多年,但由于智能手机的成功(如苹果公司的iPhone),现在它们使用越来越广泛。iPhone用ALS根据环境光的情况调节显示亮度,从而降低功耗需求并延长了电池寿命。iPhone还用了一个接近探测器,它是ALS的一个近亲,可以响应用户的动作对自身作重新配置。今天,拥有标志性大屏LCD的智能手机是ALS的主要用户,但未来的应用可以实现节能和易用目标。例如,大屏幕液晶电视必须根据环境光线调节LED背光亮度。同样,一个采用SSL(固态照明)的房间可以根据自然照度而调整自己的照明,或适应居住者的情绪。汽车照明也可以适应白天驾驶或夜间驾驶,或反映出街灯的亮度,从而节省能源并提供更好的用户体验。

较宽的红色曲线表示一个典型的环境光传感器的灵敏度
图1,人眼的敏感波长大约为380nm~780nm,峰值约在555nm。较宽的红色曲线表示一个典型的环境光传感器的灵敏度。

  从根本上说,每个ALS都包含一个光电二极管或光电晶体管。不过,简单的光敏半导体是不够的,因为ALS必须有“适光性”(photopic),这意味着它要对与人眼相同的频谱敏感(图1)。白炽灯与HID(高强度放电)灯的50%~60%辐射是在不可见的IR(红外)区间,以热能形式放射出来。据Intersil公司ALS产品营销经理Oleg Steciw称,应使用能找到的有最佳频谱响应的HID。否则,他说:“你所在屋里的背景照明会突然变得很乱,因为有些根本看不见的外部光源会毁掉一切。”
Arrow Electronics公司照明部的应用工程师Werner Mashig解释说:“有些制造商将IR滤波器装在环氧树脂内,以滤掉IR光线,这样传感器的响应就接近于人眼了。”

  另外一种方法是在ALS中使用多支光电二极管。TAOS(Texas Advanced Optoelectronic Solutions)公司营销与销售副总裁Carlo Strippoli称:“一支光电二极管是可以检测从300mm~1100nm区间所有光线的宽带类型。第二支二极管是专用的IR光电二极管,用于监测到达传感器的IR光线,然后从宽带光电二极管接收到的光线中减掉IR光。”

  荧光灯光源要比白炽灯或HID灯更高效,在IR区间内几乎没有辐射,但它们可能会有60Hz闪烁,这会造成ALS的假触发。较新的数字ALS集成了可将光电电流转换为数字信号的ADC,能与数字通信总线接口。ADC可以通过高分辨率采样,滤除光噪声(如60Hz闪烁)而完成双重工作。Rohm公司的BH17xx系列集成了一个16位ADC,能在0~65000 lux范围内提供1 lux分辨率。两个等级的测量分辨率可以在采样时间和性能之间作出选择。在高分辨率采样模式下,ADC可滤除光噪声。较低分辨率模式有较短采样时间,适合于GPS(全球定位系统)等应用,在这些应用中光照水平是动态变化的:GPS系统要工作在汽车内部或自然光下。理想的ALS能够表示出与光源无关的一致性光灵敏度。

  TAOS公司的Strippoli称:“数字化是环境光探测的发展方向。它可以将多个传感器放置在一根双线总线上,如I2C总线上。”这种功能对翻盖手机尤其重要。数字总线可减少手机铰链接口中的线数。

图2虽然现在已有了数字ALS但模拟传感器仍常用于很多应用
图2,虽然现在已有了数字ALS,但模拟传感器仍常用于很多应用。Microsemi公司的Best Eye处理器提供一种适光性接近完美的光波长响应曲线。传感器的输出送入一个宽动态范围的压缩放大器,可对5个数量级变化的环境光提供精确的分辨率。

  模拟接口对每个传感器都至少需要两根线。模拟ALS仍然非常适合于一些设计,比如用ALS的电压或电流输出直接驱动照明子系统的应用,缺少微控制器或可用ADC输入的设计,还有一些看重价格因素的低端设计(图2)。

  过去,对于某个确定光量,每只ALS的电流量都可能不同。这种变异性使得难于做出一个有严格灵敏度区间的设计。Arrow公司的Mashig说:“制造商们正在做大量的元件分级筛选工作,从而给设计以更好的一致性,这样光电流就不会有大的差异。”他建议要查看光电流与亮度的规格,以检查制造商的元件分级筛选严格性。


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