可增加设备电池寿命和运行时间的环境光传感技术

起初看起来很矛盾。如果您想节省电力和能源，请添加更多可吸取电力和能源的设备。但是，有些情况下这是您最好的设计策略。添加技术可以在不牺牲性能或功能的情况下实时和累积地减少持续消耗的能量。

我们将看到的一个很好的例子是添加环境光传感器以减少背光在柔和的照明条件下的功耗。这不是一个新概念，不同类型的更多设计已经实施，测试和证明是值得的。然而，改变的是可用于超小型和小型化光检测的技术，同时在无电流的情况下进行绘制。

本文探讨了环境光传感技术和设计解决方案，可用于为使用背光的现代手持设备增加电池寿命和运行时间。

传统方法

硫化镉光电探测器历来被用于检测光照水平但不是理想的紧凑型和手持设备的解决方案。它们的第一个缺点是响应时间慢。虽然上升和下降时间可以在大约1/10秒内传输，但是满量程饱和和放电可能需要5到10秒。

另一个缺点是它们的尺寸很大。这些电池需要一定数量的探测器材料，较大的通孔封装占用过多的PCB表面积，使其成为快速反应的节能技术。

对于光学和环境光应用，光电二极管和光电晶体管是光敏感的最简单和最小形式的传感器。要考虑的关键参数将是约束驱动。手持式应用程序通常支持绝对最小的大小。关键是所选部件的光谱响应。虽然大多数光电二极管和光电晶体管都处于红外线范围内，但许多光电二极管和光电晶体管都支持可见光范围并且还提供小型封装。

以Vishay TEMD6200FX01 PIN光电二极管为例，它采用0805表面贴装封装（图1）。它的高光敏性适合于人眼的反应，因此其±60度的灵敏度应该采集宽锥形环境光水平的样品。它也主要通过可见光范围，尽管它在850-1100 nm红外波段也具有灵敏度。这可以针对环境光应用进行过滤，或保持敏感，允许相同的传感器为夜间弱光条件提供IR输入源。

图1：采用0805表面贴装尺寸封装，该光电二极管以指数线性方式对可见光范围敏感，以匹配响应使用光电二极管，吸收入射光子会产生电子 - 空穴对，也称为推动电荷产生电流的载体。光电二极管的另一个特点是反向偏置PN结电流对指数光强度提供最线性的响应，这就是为什么Vishay部件与人眼很好地匹配 - 它也会以指数方式响应光强度（图2）。/p>

图2：线性反向偏置光电流响应提供了一种简单的解决方案，可将光级数据合并到背光控制算法中。

凭借可靠的特性响应曲线，几乎任何微控制器上的简单A/D转换器都可以获得准确的值，而无需大量处理或查找表。最简单的解决方案是由串联电阻产生的固定反向偏置电压发生器（图3A）。读入微观的值可以直接用于与已知的球场阈值进行比较。这种阶跃响应是低分辨率，但可能是使用简单步进算法切换背光水平所需的全部。

稍微大一点的解决方案是在微型A/D级上使用差分输入和偏置两个电阻器之间的光电二极管（图3B）。这不仅提供了完全线性的响应，而且对共模噪声也相对不敏感。

图3：单端接地参考（A，左）或差分偏置（B，右）可以让简单的光电二极管直接连接到大多数嵌入式系统A/D转换器级。

跨阻抗运算放大器方法

能够最大化A/D转换器动态范围和分辨率的精密解决方案需要有源解决方案，可以衰减，偏移和放大信号，为主机微控制器提供最大的轨到轨电平。跨阻抗运算放大器是连接高阻抗传感器的理想解决方案，光电二极管也不例外。在这里，我们正在有效地创建一个精密电流传感器。

PIN光电二极管的设计阶段需要DC稳定性补偿，闭环增益选择和噪声控制。将光电二极管放置在运算放大器输入端，可创建以地为参考的光伏解决方案，以最大限度地减少直流误差（图4）。

图4：跨阻抗运算放大器方法将增加所需的PCB表面积，但允许补偿，DC偏移和降噪以及将有助于降低增益峰值以提供更均匀的响应。

在图4所示的示例中，D1可以是Vishay表面贴装部件，或者是可以弯曲的OSRAM SFH 203 P等引线部件并且旨在提供侧面或角度覆盖。选用的运算放大器采用SOT-23-5封装的轨到轨Microchip MCP6001U，具有100μA的低电流电源，4.5 mV的低失调电压和低至1.8 V的低电源电压。

类似的器件，Microchip MCP6031T-E/OT受限于10 KHz增益带宽范围。这可能并不重要，因为通常在MCP6001支持的1 MHz速率下，亮度水平不会发生变化。 MCP6031的另一个优点是可以在现成的Microchip MCP6031DM-PTPLS光电二极管PICtail Plus演示和开发板上使用。这说明了偏置和DC稳定，并实现了低通滤波器以降低噪声。 Microchip还提供了使用光电二极管放大高阻抗传感器技术的用户指南，例如 1 。

自包含系统

增加偏置控制，自定时，温度补偿和数字接口允许单片片上系统在更高级别的功能下执行，同时保持空间紧张。以Lite-On LTR-329ALS-01光学传感器子系统芯片为例。

这款超小型（2 mm x 2 mm）芯片LED封装包含红外和可见光二极管，可生产归一化光谱响应输出，温度补偿范围为-30至+ 70°C。它还与人眼响应相匹配，可以使用六种可选增益设置中的一种，适用于0.01 lux至64K lux的宽动态范围。一个简单的2线I 2 C接口允许主机微控制器设置和初始化所有内部寄存器，并以有效的16位分辨率读取光电平。

另一个高度集成的解决方案的例子来自AMS-TAOS及其TSL27721FN光数字转换器芯片。此外，该器件采用2 mm x 2 mm封装，具有中断功能，仅在需要时唤醒低功耗休眠处理器。还包括接近检测器LED电流驱动器，用于检测传感器可以检测到的反射信号的存在。极限电平可通过2线I 2 C端口设置和编程（图5）。

图5 ：单个2 mm x 2 mm芯片不仅可以传输校准的环境光水平，还可以兼作具有中断唤醒功能的接近检测器。请注意两个通道的上限和下限设置。

总之

在可预见的将来，延长手持设备的电池运行时间仍将是一个主要问题。工程师挥舞着最锋利的铅笔 - 那些能够在不牺牲性能的情况下保存能量的工程师 - 将会产生成功的设计。环境光检测是增加电路可以产生影响的不寻常技术之一。正如我们所示，有一系列可用的解决方案，其中一些必须符合您的预算和其他设计约束。