光傳感器的選擇及其在汽車(chē)中的應用

由于汽車(chē)應用已變得日益復雜，而且越來(lái)越多地采用電子驅動(dòng)，因此，將更多創(chuàng )新技術(shù)及專(zhuān)用技術(shù)應用在這個(gè)領(lǐng)域也就不足為奇了。在汽車(chē)環(huán)境中我們能夠越來(lái)越多看到的一種獨特解決方案便是遍及整個(gè)汽車(chē)內部環(huán)境的環(huán)境光傳感器的普及應用。本文將討論環(huán)境光感應的原理以及在汽車(chē)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對光進(jìn)行檢測，例如通過(guò)使用光電晶體管、光敏電阻或光電二極管來(lái)實(shí)現，但對于當今應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體，它基于單晶硅片構造而成，與用于生產(chǎn)集成電路的晶體硅片類(lèi)似。一個(gè)典型的傳感器應用框架圖包括一個(gè)光電二極管、一個(gè)電流放大器和一個(gè)無(wú)源低通濾波器，以檢測并處理光輸入引起的輸出電壓信號。能夠將所有這些器件集成并采用小型封裝對于終端用戶(hù)而言是非常有益的，而且這恰恰就是當前的市場(chǎng)需求。

　　為應用選擇適當光傳感器時(shí)的另一個(gè)重要方面，是要理解對于應用而言，哪項重要規格是最為關(guān)鍵的，最需要關(guān)注哪一項。一般來(lái)說(shuō)，在選擇一個(gè)光傳感器時(shí)，需要著(zhù)重考慮的因素如下：
光譜響應/IR抑制：環(huán)境光傳感器應該僅對400nm至700nm的范圍有感應。

　　Lux的最大范圍：直射陽(yáng)光可以多達130,000Lux，但是大多數應用要求最大范圍為僅為10,000Lux。

　　低Lux光敏度：根據光傳感器位于頂端的鏡片的類(lèi)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)范圍內工作的光傳感器。

　　集成的信號調節(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(wú)源元件來(lái)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(lái)說(shuō)，最好采用一個(gè)非線(xiàn)性光到模擬輸出光傳感器，或一個(gè)光到數字輸出的光傳感器。接下來(lái)還將對此進(jìn)行詳細說(shuō)明。

　　封裝大?。簩τ诖蠖鄶祽脕?lái)說(shuō)，封裝都是越小越好?，F在可提供的封裝為2.0mm×2.1mm光學(xué)DFN，而1.3mm×1.5mm 4-lead封裝則是下一代封裝。

　　一旦確定了上述重要規格，需要考慮的下一個(gè)問(wèn)題就是哪類(lèi)輸出信號最有助于目標應用。對于大多數光傳感器，最常見(jiàn)的輸出為線(xiàn)性輸出電流。雖然這適用于一些應用，但現在有更多的可選項，其中包括線(xiàn)性電壓輸出、數字輸出(通過(guò)I2C接口)或者非線(xiàn)性電流或電壓輸出。每種都具有它們的優(yōu)勢，如下所列。

　　線(xiàn)性模擬輸出——電流或電壓輸出：更常見(jiàn)的感應器輸出，快速響應時(shí)間(數字輸出受限于積分時(shí)間)，在控制器中集成ADC轉換器，電壓輸出省去了對于外加電阻(將電流轉換為電壓)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(wú)源元件來(lái)將電流轉換為電壓、設置傳感器的增益范圍并根據需要增加低通或高通濾波器。

　　非線(xiàn)性模擬輸出——電流或電壓輸出：允許極弱光敏感度和最大動(dòng)態(tài)范圍(高達100 ,000Lux)，感測光與人類(lèi)察覺(jué)光的方式更加類(lèi)似(非線(xiàn)性與線(xiàn)性)，電壓或電流非線(xiàn)性輸出的選擇，電壓輸出為低阻抗而電流輸出為高阻抗。

　　數字輸出：輸出可以直接與控制器相連接(無(wú)需ADC)，數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字功能(即更加智能的光傳感器)，更易于在通用I2C總線(xiàn)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(xiàn)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造，讓我們更加仔細地觀(guān)察模擬和數字輸出傳感器的架構。首先討論的傳感器是Intersil公司的EL7900線(xiàn)性輸出電流感應器。

　　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(xiàn)性度運行高達10,000Lux的光傳感器。動(dòng)態(tài)范圍與敏感度可以通過(guò)輸出上的一個(gè)負載阻抗(接地)很容易地進(jìn)行調節。選擇一個(gè)更低阻值的電阻器將提供更寬的動(dòng)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(huì )提供增強的弱光敏感度，但卻要以犧牲動(dòng)態(tài)范圍為代價(jià)。因此，這種選擇完全取決于終端用戶(hù)的應用以及他們是需要更低的光敏度還是更大的動(dòng)態(tài)范圍。

　　為更好地理解采用一個(gè)光-數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(guò)采用一個(gè)更為復雜的數字輸出光傳感器可幫助實(shí)現的功能。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×3mm 8-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)數字I2C輸出的優(yōu)勢外，ISL29003也支持增益選擇(通過(guò)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(jiǎn)單的通過(guò)I2C發(fā)送一個(gè)命令來(lái)將增益設置到增益1，從而提供前所未有的每 Lux 65次計數(每Lux 65次或每0.1Lux 6.5次)。如果動(dòng)態(tài)范圍更加重要，則可以將增益選項變更為4，那么傳感器的動(dòng)態(tài)范圍就可以達到64,000Lux。這個(gè)特點(diǎn)以及中斷引腳(報警引腳)就是環(huán)境光傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)，能夠為終端用戶(hù)提供很大的優(yōu)勢。

　　光敏件的選擇完全取決于終端客戶(hù)，但是數字光傳感器的方法正不斷獲得好評，這是因為其具有性能和靈活性的優(yōu)勢(特別是對于汽車(chē)應用而言)，它們需要采用 I2C數字輸出信號(更低的噪聲，可以在相同的總線(xiàn)上網(wǎng)絡(luò )覆蓋數個(gè)傳感器，對于敏感特性進(jìn)行更好的控制，并實(shí)現更好的總體傳感性能)。