光傳感器的選擇及其在汽車中的應(yīng)用

由于汽車應(yīng)用已變得日益復(fù)雜，而且越來(lái)越多地采用電子驅(qū)動(dòng)，因此，將更多創(chuàng)新技術(shù)及專用技術(shù)應(yīng)用在這個(gè)領(lǐng)域也就不足為奇了。在汽車環(huán)境中我們能夠越來(lái)越多看到的一種獨(dú)特解決方案便是遍及整個(gè)汽車內(nèi)部環(huán)境的環(huán)境光傳感器的普及應(yīng)用。本文將討論環(huán)境光感應(yīng)的原理以及在汽車環(huán)境中采用這種器件的優(yōu)勢(shì)。
　　選擇光傳感器的考慮因素

　　通常有幾種方法能夠?qū)膺M(jìn)行檢測(cè)，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(xiàn)，但對(duì)于當(dāng)今應(yīng)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(cè)光并生成電流的半導(dǎo)體，它基于單晶硅片構(gòu)造而成，與用于生產(chǎn)集成電路的晶體硅片類似。一個(gè)典型的傳感器應(yīng)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(cè)并處理光輸入引起的輸出電壓信號(hào)。能夠?qū)⑺羞@些器件集成并采用小型封裝對(duì)于終端用戶而言是非常有益的，而且這恰恰就是當(dāng)前的市場(chǎng)需求。

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

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

　　低Lux光敏度：根據(jù)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(guān)鍵(5Lux)，必須注意選擇可以在這個(gè)范圍內(nèi)工作的光傳感器。

　　集成的信號(hào)調(diào)節(jié)(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(hào)。具有更高集成性的光傳感器省去了對(duì)于外部元件(ADC、放大器、電阻器、電容器等)的需求。

　　功耗：對(duì)于要承受高Lux級(jí)(>10,000Lux)的光傳感器來(lái)說(shuō)，最好采用一個(gè)非線性光到模擬輸出光傳感器，或一個(gè)光到數(shù)字輸出的光傳感器。接下來(lái)還將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

　　封裝大小：對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，封裝都是越小越好。現(xiàn)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(guī)格，需要考慮的下一個(gè)問(wèn)題就是哪類輸出信號(hào)最有助于目標(biāo)應(yīng)用。對(duì)于大多數(shù)光傳感器，最常見(jiàn)的輸出為線性輸出電流。雖然這適用于一些應(yīng)用，但現(xiàn)在有更多的可選項(xiàng)，其中包括線性電壓輸出、數(shù)字輸出(通過(guò)I2C接口)或者非線性電流或電壓輸出。每種都具有它們的優(yōu)勢(shì)，如下所列。

　　線性模擬輸出——電流或電壓輸出：更常見(jiàn)的感應(yīng)器輸出，快速響應(yīng)時(shí)間(數(shù)字輸出受限于積分時(shí)間)，在控制器中集成ADC轉(zhuǎn)換器，電壓輸出省去了對(duì)于外加電阻(將電流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電壓、設(shè)置傳感器的增益范圍并根據(jù)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(dòng)態(tài)范圍(高達(dá)100 ,000Lux)，感測(cè)光與人類察覺(jué)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(shù)字輸出：輸出可以直接與控制器相連接(無(wú)需ADC)，數(shù)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(shù)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(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(gòu)造，讓我們更加仔細(xì)地觀察模擬和數(shù)字輸出傳感器的架構(gòu)。首先討論的傳感器是Intersil公司的EL7900線性輸出電流感應(yīng)器。

　　EL7900集成了PIN型光電二極管與電流鏡增益級(jí)功能，用于一個(gè)線性度運(yùn)行高達(dá)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(fù)載阻抗(接地)很容易地進(jìn)行調(diào)節(jié)。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(qiáng)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的應(yīng)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(shù)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(fù)雜的數(shù)字輸出光傳感器可幫助實(shí)現(xiàn)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(shù)字I2C輸出的優(yōu)勢(shì)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(shè)置到增益1，從而提供前所未有的每 Lux 65次計(jì)數(shù)(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(xiàng)變更為4，那么傳感器的動(dòng)態(tài)范圍就可以達(dá)到64,000Lux。這個(gè)特點(diǎn)以及中斷引腳(報(bào)警引腳)就是環(huán)境光傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)榻K端用戶提供很大的優(yōu)勢(shì)。

　　光敏件的選擇完全取決于終端客戶，但是數(shù)字光傳感器的方法正不斷獲得好評(píng)，這是因?yàn)槠渚哂行阅芎挽`活性的優(yōu)勢(shì)(特別是對(duì)于汽車應(yīng)用而言)，它們需要采用 I2C數(shù)字輸出信號(hào)(更低的噪聲，可以在相同的總線上網(wǎng)絡(luò)覆蓋數(shù)個(gè)傳感器，對(duì)于敏感特性進(jìn)行更好的控制，并實(shí)現(xiàn)更好的總體傳感性能)。