光傳感器的選擇及其在汽車中的應用

由于汽車應用已變得日益復雜，而且越來越多地采用電子驅動，因此，將更多創新技術及專用技術應用在這個領域也就不足為奇了。在汽車環境中我們能夠越來越多看到的一種獨特解決方案便是遍及整個汽車內部環境的環境光傳感器的普及應用。本文將討論環境光感應的原理以及在汽車環境中采用這種器件的優勢。

選擇光傳感器的考慮因素

通常有幾種方法能夠對光進行檢測，例如通過使用光電晶體管、光敏電阻或光電二極管來實現，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，與用于生產集成電路的晶體硅片類似。一個典型的傳感器應用框架圖包括一個光電二極管、一個電流放大器和一個無源低通濾波器，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而言是非常有益的，而且這恰恰就是當前的市場需求。

為應用選擇適當光傳感器時的另一個重要方面，是要理解對于應用而言，哪項重要規格是最為關鍵的，最需要關注哪一項。一般來說，在選擇一個光傳感器時，需要著重考慮的因素如下：

光譜響應/IR抑制：環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別，光衰減可以為25-50%。如果低光敏度非常關鍵(<5Lux)，必須注意選擇可以在這個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，但是卻需要一個外部放大器或無源元件來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)的光傳感器來說，最好采用一個非線性光到模擬輸出光傳感器，或一個光到數字輸出的光傳感器。接下來還將對此進行詳細說明。

封裝大小：對于大多數應用來說，封裝都是越小越好。現在可提供的封裝為2.0mm×2.1mm光學DFN，而1.3mm×1.5mm4lead封裝則是下一代封裝。

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

線性模擬輸出——電流或電壓輸出：更常見的感應器輸出，快速響應時間(數字輸出受限于積分時間)，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)的需要并提供一個低阻抗輸出。電流輸出需要在輸出添加無源元件來將電流轉換為電壓、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。

非線性模擬輸出——電流或電壓輸出：允許極弱光敏感度和最大動態范圍(高達100,000Lux)，感測光與人類察覺光的方式更加類似(非線性與線性)，電壓或電流非線性輸出的選擇，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總線上的網絡工作，更易于允許將多個光傳感器置于同一個I2C總線上(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，用于一個線性度運行高達10,000Lux的光傳感器。動態范圍與敏感度可以通過輸出上的一個負載阻抗(接地)很容易地進行調節。選擇一個更低阻值的電阻器將提供更寬的動態范圍，但是卻需要以弱光敏感度為代價。另一方面，選擇一個更高阻值的電阻器會提供增強的弱光敏感度，但卻要以犧牲動態范圍為代價。因此，這種選擇完全取決于終端用戶的應用以及他們是需要更低的光敏度還是更大的動態范圍。

為更好地理解采用一個光-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1：Intersil公司的ISL29003和ISL29004光傳感器。

圖中可以清晰地看到通過采用一個更為復雜的數字輸出光傳感器可幫助實現的功能。首先，這個器件(ISL29003)仍適用于非常緊湊的2mm×2.1mm光學DFN封裝(ISL29004，帶有兩個用于地址選擇的附加引腳，適用3mm×3mm8LD光學DFN封裝)。除了具有集成了一個16位ADC和采有一個數字I2C輸出的優勢外，ISL29003也支持增益選擇(通過I2C軟件)和積分時間控制。增益選擇功能非常實用，例如，如果需要極高的光敏度，那么可以很簡單的通過I2C發送一個命令來將增益設置到增益1，從而提供前所未有的每Lux65次計數(每Lux65次或每0.1Lux6.5次)。如果動態范圍更加重要，則可以將增益選項變更為4，那么傳感器的動態范圍就可以達到64,000Lux。這個特點以及中斷引腳(報警引腳)就是環境光傳感器的主要優點，能夠為終端用戶提供很大的優勢。