高分辨率彩色手機顯示器可呈現(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的電池壽命是當今關鍵的設計考慮因素之一。 LCD（液晶顯示器）及其相關的背光是便攜式產(chǎn)品中更多（并且經(jīng)常是最多）耗電量大的負載。結果，在各種環(huán)境照明情況下使用ALS（環(huán)境光傳感器）來優(yōu)化背光LED操作正在增加。同時，設計人員可用于傳感的首選技術選擇已轉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，光學傳感器，亮度傳感器或者只是光傳感器。 ALS技術的一個非常重要的應用是手機。在這里，ALS可以在從黑暗環(huán)境到直射陽光的各種照明條件下自動控制顯示器背光亮度。通過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，因為LCD背光可以在輸入待機功耗模式下消耗多達51％的功率。此外，ALS信號可用于指示鍵盤LED驅動器最小化鍵盤背光，從而在輸入待機功耗模式下減少高達30％的功耗。在明亮的環(huán)境中，LED鍵盤亮度降低，功耗最低。

除了手機外，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，視頻播放器，以及基于GPS的導航系統(tǒng)。任何帶LCD的便攜式產(chǎn)品都是ALS技術的候選產(chǎn)品，可以降低功耗。在汽車中，LCD的使用正在增加，用于導航，娛樂和舒適系統(tǒng)，以及控制監(jiān)視和調光鏡。任何帶LCD的產(chǎn)品都需要補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動菜單需要更大LCD面板的電視和家用電器。

市場研究公司Databeans，Inc。估計目前環(huán)境光傳感器的可用市場總量為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，“由于大量功能豐富的手機產(chǎn)品將推動需求，我們預計這一收入將以每年21％的復合年增長率增長。五年后到2014年接近8.6億美元?！?/p>

ALS技術的類型

今天，設計人員有更多的技術可供環(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。每種技術都有優(yōu)點和缺點。選擇ALS的關鍵標準之一是其能夠檢測380至780 nm范圍內人眼可見的波長。圖1顯示了現(xiàn)有技術的優(yōu)缺點。雖然CdS（硫化鎘）光電池具有與人眼相似的響應優(yōu)勢，但它們含有鎘，一種禁止使用的RoHS（危險限制）物質）使其無法在消費市場中使用。為了減少電子設備廢棄物對環(huán)境的影響，截至2006年7月，任何含有RoHS限制材料的產(chǎn)品都不能銷往某些市場。

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

光電二極管在各個單元之間的色散相對較低，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，各個單元之間的分散很大，需要額外的校準步驟產(chǎn)品。

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

ALS IC的拓撲結構

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體光電二極管（PN將光轉換為電信號的連接點）。這兩種技術均采用小型表面貼裝技術封裝。了解模擬和數(shù)字照片IC之間的區(qū)別對于選擇合適的ALS解決方案至關重要。

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結合了光電二極管，信號放大和控制邏輯。通常通過簡單的負載電阻將電流源輸出轉換為電壓。此電壓輸出通常應用于MCU上ADC接口的輸入（參見圖3），或直接作為配備自動發(fā)光控制的LED驅動器IC的輸入（參見圖4）。

圖3：模擬ALS的輸出為系統(tǒng)MCU提供控制輸入。

圖4：當與具有自動發(fā)光控制的LED驅動器結合使用時，模擬ALS輸出提供直接光照水平控制。

模擬ALS的基本設計優(yōu)勢包括與環(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換為I2C信號，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接口如何通過消除對外部ADC的需求來簡化應用中的電路。

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應用中，控制器使用I 2 C接口直接與ALS和LED驅動器通信。

為應用程序選擇正確的拓撲結構

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于應用程序的簡單問題。

哪些通信總線/接口選項可以嗎？ （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可能會在主動模式（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）進行比較時，ADC的集成度。但是，當考慮單獨的ADC + MCU或寬帶控制器時，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)定運行。圖7（b）顯示ROHM的光電二極管輸出非常穩(wěn)定，無論光源如何，都可以降低功耗并改善用戶體驗。

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，測量范圍為0到100，000+ lux（lx）。這些IC的光感應精度為±15％，基于ROHM獨特的激光微調技術，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換為0 V至電源電壓電平的線性電壓，以實現(xiàn)高效的元件操作。

圖7：競爭對手的傳感器輸出（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的相對光譜響應和亮度與輸出電流的關系。具有不同結深度的多個光電二極管提供穩(wěn)定的輸出，各種光源之間的變化很小。由于人類視覺范圍之外的波長（例如紫外線和紅外線）可能導致光傳感器讀數(shù)不準確，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)專門用于模擬ALS，但同樣的性能也是數(shù)字設計中固有的。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，這是一項專有功能。這些增益控制模式允許通過GC1和GC2輸入引腳直接控制內部放大器增益。如圖9所示，這三種增益模式為設計人員提供了更好的設計選項，可以在性能與功耗之間進行權衡。

圖8：BH1603FVC的光譜靈敏度（a）和發(fā)光度與IOUT（b）證明了設計工程師在選擇ALS時應考慮的性能優(yōu)勢。

GC2 GC1模式功能0 0關閉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的模式設置模擬ALS IC提供關斷和三級輸出電流，從而提高了性能與功耗的設計靈活性。

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，進一步證明了其在ALS技術方面的領先地位。數(shù)字ALS IC通過I2C總線接口測量16位數(shù)字信號的亮度和輸出，支持FAST模式（400 KHz）和1.8 V邏輯接口。數(shù)字ALS IC可以檢測各種強度（0到~65，535 lx）。獨特的內部關斷功能可實現(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，競爭解決方案根據(jù)光源輸出不同的值，這可能導致系統(tǒng)在不需要時打開背光。這會縮短電池壽命并可能干擾最終用戶的體驗。

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）無關。同時，這些裝置兼容各種強度（0至~65，535 lux）（b）。

卓越的光譜響應是ROHM數(shù)字ALS產(chǎn)品的另一個關鍵特性。圖10顯示了BH1715FVC的兩個電響應圖。圖10（a）表明，發(fā)光度對數(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)測量結果的比較。圖11顯示了改進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）適用于測量非常低的勒克斯水平，但測量光樣本需要最長的時間。在這種模式下操作的優(yōu)點是更高精度的光采樣和卓越的光學噪聲抑制，因為這種能力隨著測量時間的增加而提高。在H分辨率模式下操作可消除50/60 Hz的光學噪聲。圖12顯示了具有波動的熒光光源輸出的光學噪聲降低示例，證明值穩(wěn)定在±1％以內。

L分辨率模式以4勒克斯增量采樣并且花費最短的時間來測量光樣品。請注意，與模擬ALS相比，不同的工作模式不會影響數(shù)字單元的功耗。

模式測量時間典型值。 ［ms］最小分辨率［lx］特點H分辨率120 1高分辨率和卓越的光學噪聲抑制特性（50/60 Hz）L分辨率16 4測量時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±25％，與交流電源（a）同步。通過檢測與交流電源（50/60 Hz）同步的波動光，BH1715FVC數(shù)字ALS輸出值穩(wěn)定在±1％（b）內。

結論

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評估套件的形式提供設計幫助，并為其所有ALS技術提供光學仿真設計支持。