深度剖析DLP2010LC数字微镜器件：特性、应用与设计要点

在当今的电子科技领域，数字微镜器件（DMD）凭借其独特的优势，在众多应用场景中发挥着重要作用。本文将深入剖析DLP2010LC数字微镜器件，探讨其特性、应用以及设计过程中的关键要点。

文件下载：dlp2010lc.pdf

一、DLP2010LC器件概述

DLP2010LC是一款数控微光机电系统（MOEMS）空间照明调制器（SLM），具有紧凑的物理尺寸和低功耗的特点，非常适合用于便携式设备。它是由DLP2010LC DMD、DLPC3470控制器和DLPA200x/DLPA3000驱动器所组成的芯片组的一个组件，当与适当的光学系统配合使用时，可显示图像、视频和图案。

（一）特性亮点

1. 微镜阵列参数：采用0.2英寸（5.29mm）对角线微镜阵列，在正交布局中显示854 × 480像素阵列，微镜间距为5.4微米，微镜倾斜度为±17°（相对于平坦表面），侧面照明设计实现了最优的效率和光学引擎尺寸，且采用偏振无关型铝微镜表面。
2. 数据输入接口：配备4位SubLVDS输入数据总线，专用的DLPC3470显示和光控制器以及DLPA200x/ DLPA3000 PMIC和LED驱动器确保了器件的可靠运行。

（二）封装信息

器件型号为DLP2010LC，封装为FQJ(40)，封装尺寸标称值为15.9mmx5.3mm。如需了解所有可用封装，可参阅数据表末尾的可订购产品附录。

二、广泛的应用领域

DLP2010LC的应用范围十分广泛，涵盖了集成显示、3D深度捕捉、3D机器视觉、3D生物识别以及曝光等多个领域。

（一）集成显示与3D深度捕捉

可应用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑、摄像机等设备，以及电池供电的移动式附件。在3D深度捕捉方面，可用于3D相机、3D重建、AR/VR、牙科扫描仪等。

（二）3D机器视觉与生物识别

在3D机器视觉领域，可用于机器人学、计量学、直列式检测（AOI）等；在3D生物识别方面，可实现人脸和指纹识别。

（三）曝光应用

可用于3D打印机、可编程空间和时间曝光等。

三、关键规格参数

（一）绝对最大额定值

操作超出绝对最大额定值可能会导致设备永久性损坏，在设计时必须严格遵循相关参数限制，如电压、温度等参数的最大和最小值。

（二）存储条件

DMD作为组件或在系统中不工作时，存储温度范围为 -40°C至85°C，平均露点温度（非冷凝）不超过24°C，在28°C至36°C的升高露点温度范围内的累积时间不超过6个月。

（三）ESD额定值

静电放电（ESD）方面，人体模型（HBM）的额定值为±2000V，在操作过程中需注意静电防护，避免器件受到损坏。

（四）推荐工作条件

包括电源电压范围、时钟频率、SubLVDS接口参数、环境温度和光照等方面的要求。例如，VDD和VDDI的电源电压范围为1.65V至1.95V，时钟频率方面，低速接口LS_CLK为108MHz至120MHz，高速接口DCLK为300MHz至600MHz。同时，要注意光照功率在不同波长范围内的限制，如波长 <410nm时，光照功率不超过10mW/cm²。

（五）热信息

DMD的热阻为7.9°C/W，设计冷却系统时必须确保能够将封装保持在推荐工作条件规定的温度范围内，以保证器件的可靠性。

（六）电气特性

包括不同电源的电流和功率消耗等参数。例如，VDD在1.95V时，供应电流最大为34.7mA；在1.8V时，典型值为27.5mA。

（七）定时要求

对LPSDR和SubLVDS接口的上升和下降斜率、周期时间、脉冲持续时间、建立时间和保持时间等都有明确的要求，以确保数据的准确传输和处理。

（八）开关特性

输出传播时间、斜率和输出占空比失真等参数也需要在设计中予以考虑，以保证器件的正常工作。

（九）系统安装接口负载

系统安装接口负载方面，连接器面积和最大系统安装接口负载有相应的限制，如最大系统安装接口负载为100N。

（十）微镜阵列物理和光学特性

微镜阵列的物理特性包括活动列数、行数、间距、宽度、高度和活动边界等参数；光学特性包括微镜倾斜角度、倾斜角度公差、倾斜方向、交叉时间、切换时间以及图像性能等方面的要求。例如，微镜倾斜角度为17°，倾斜角度公差为 -1.4°至1.4°。

（十一）窗口特性

窗口材料为Corning Eagle XG，在特定波长范围内的透过率有一定要求，如在420至680nm波长范围内，单通透过率最小为97%。同时，要注意照明过填充的问题，照明光学系统应设计为限制入射到窗口孔径外的光通量不超过有效区域平均通量水平的10%。

（十二）芯片组组件使用规范

DLP2010LC必须与适用的DLP芯片组的其他组件（如DLPC3470控制器和DLPA200x/DLPA3000 PMIC和LED驱动器）配合使用，以确保可靠的功能和操作。

（十三）软件要求

该DMD有强制性的软件要求，必须参考相关应用报告使用指定的软件，否则可能导致上电失败。

四、详细功能描述

（一）功能框图

DLP2010LC的功能框图展示了其内部结构和各部分之间的连接关系，虽然文档中未详细展示，但在设计过程中可以作为参考，了解信号的流向和处理过程。

（二）特性描述

1. 电源接口：电源管理组件DLPA200x/DLPA3000为DMD复位电路提供VBIAS、VRESET和VOFFSET三个稳压直流电源，同时为DLPC3470控制器提供两个稳压直流电源。
2. 低速接口：低速接口负责处理配置DMD和控制复位操作的指令，LS_CLK为低速时钟，LS_WDATA为低速数据输入。
3. 高速接口：高速接口的目的是快速高效地传输像素数据，采用差分SubLVDS接收器输入和专用时钟，利用高速DDR传输和压缩技术节省功率和时间。
4. 定时：数据手册提供了器件引脚的定时测试结果，但在进行输出定时分析时，需要考虑测试仪引脚电子设备及其传输线效应。建议系统设计人员使用IBIS或其他仿真工具将定时参考负载与系统环境进行关联。

（三）设备功能模式

DMD的功能模式由DLPC3470控制器控制，详细信息可参考DLPC3470控制器数据手册或联系TI应用工程师。

（四）光学接口和系统图像质量考虑

TI对超出之前描述的光学系统操作条件导致的图像质量问题或DMD故障不承担责任。在设计光学系统时，需要在众多组件和系统设计参数之间进行权衡，以实现所需的终端设备光学性能和图像质量。例如，要确保照明和投影光学系统的数值孔径不超过标称的微镜倾斜角度，避免出现对比度下降和图像伪像等问题。

（五）微镜阵列温度计算

微镜阵列温度无法直接测量，需要通过测量封装外部的参考点温度、封装热阻、电功率和照明热负载等参数进行解析计算。相关计算公式为：$T{ARRAY }=T{CERAMIIC }+left(Q{ARRAY } × R{ARRAY-TO-CERAMIC }right)$ ，$Q{ARRAY }=Q{ELECTRICAL }+Q{ILLUMINATION }$ ，其中$Q{ILLUMINATION }=（DMD平均热吸收率 × Q_{INCIDENT}）$ ，DMD平均热吸收率为0.4，标称电功率为0.07W。

（六）微镜功率密度计算

通过测量总入射光功率、照明过填充百分比、有效阵列面积以及不同波长波段的光谱功率比等参数，可以计算出不同波长波段的照明光功率密度。计算公式为：$ILL {UV}=left[OP{UV-RATIO } × Q{INCIDENT }right] × 1000 ÷ A{ILL}$ ，$ILL {VIS}=left[OP{VIS-RATIO } × Q{INCIDENT }right] ÷ A{ILL}$ 等。

（七）微镜着陆/离陆占空比

1. 定义：微镜着陆/离陆占空比表示单个微镜处于ON状态的时间百分比与处于OFF状态的时间百分比。例如，75/25表示微镜在ON状态的时间占75%，在OFF状态的时间占25%。
2. 与DMD使用寿命的关系：长期使DMD的微镜阵列处于不对称的着陆占空比状态会降低DMD的使用寿命，因此了解终端产品或应用的长期平均着陆占空比非常重要。
3. 与DMD工作温度的关系：工作温度和着陆占空比相互作用影响DMD的使用寿命，可以通过调整这两个因素来减少不对称着陆占空比对DMD使用寿命的影响。
4. 估算方法：可以根据图像内容、颜色强度、颜色周期时间以及图像处理器算法等因素来估算微镜的着陆占空比。例如，在简单情况下，显示纯白色时像素接近100/0的着陆占空比，显示纯黑色时接近0/100的着陆占空比；对于全彩色像素，需要考虑红、绿、蓝颜色周期时间和颜色强度等因素。

五、应用与实现案例

（一）应用信息

DMD作为空间光调制器，其应用主要取决于系统的光学架构和输入到DLPC3470控制器的数据格式。新的侧照式高倾斜像素提高了亮度性能，适用于对厚度有严格要求的应用。DMD的上电和断电顺序由DLPA200x/DLPA3000严格控制，只有与DLPC3470控制器和DLPA200x/DLPA3000 PMIC/LED驱动器配合使用时，DLP2010LC DMD的可靠性才能得到保证。

（二）典型应用 - 图案投影仪

1. 设计要求：除了芯片组中的三个DLP设备外，还需要一个闪存设备来存储控制DLPC3470的软件和固件。通常使用红、绿、蓝LED提供照明光，这些LED可以采用单独封装或多色LED芯片封装在同一封装中以减小体积。DLPC3470通过并行接口接收图像，同时使用$I^{2}C$接口接收主机处理器的命令。对于DLPA200x，投影仪外部仅需要电池（SYSPWR）和一个稳压1.8V电源；DLPA3000则可以自行提供1.8V电源，无需外部调节器。
2. 详细设计步骤：连接DLPC3470、DLPA200x/DLPA3000和DMD时，可参考参考设计原理图。光学引擎通常由专门设计DLP投影仪光学系统的光学OEM提供，还可以选择添加微型步进电机实现电动聚焦，由DLPA200x/DLPA3000直接控制和驱动电机，并通过$I^{2}C$向DLPC3470发送软件命令来控制电机位置。
3. 应用曲线：该设备通过时间顺序驱动LED电流，随着红、绿、蓝LED电流的增加，投影仪的亮度也会增加，但这种增加是非线性的，典型白色屏幕流明与LED电流的关系曲线如图8 - 1所示。

六、电源供应建议

（一）所需电源

操作DMD需要VSS、VBIAS、VDD、VDDI、VOFFSET和VRESET等电源，且DLPAxxxx设备严格控制DMD的上电和断电顺序。

（二）上电过程

在电源上电序列中，VDD和VDDI必须先启动并稳定，然后再向DMD施加VOFFSET、VBIAS和VRESET电压。同时，要确保VBIAS和VOFFSET之间的电压差在推荐工作条件规定的范围内。在电源上电序列中，LPSDR输入引脚在VDD/VDDI达到推荐工作条件规定的工作电压并稳定之前不得驱动为高电平。

（三）断电过程

断电序列与上电序列相反，VDD和VDDI必须在VBIAS、VRESET和VOFFSET放电至距地4V以内后才能停止供电。同样，要保证VBIAS和VOFFSET之间的电压差在规定范围内。在断电序列中，LPSDR输入引脚的电压必须低于推荐工作条件规定的VDD/VDDI电压。

（四）电源供应顺序要求

VBIAS、VDD、VDDI、VOFFSET和VRESET电源在上电和断电操作期间必须协调一致，任何不符合要求的情况都会显著降低DMD的可靠性和使用寿命。同时，要注意VBIAS和VRESET之间的电压差也必须在推荐工作条件规定的范围内。

七、布局设计要点

（一）布局指南

在大多数情况下，DMD通过板对板连接器连接到柔性电缆，柔性电缆提供DLPC3470控制器和DLP2010LC DMD之间的数据和控制信号接口。布局时需要遵循以下指南：匹配LS_WDATA和LS_CLK信号的长度；尽量减少高速总线信号的过孔、层变化和转弯；在VBIAS、VRST、VOFS、VDDI和VDD引脚附近分别放置适当容量的去耦电容，以满足DMD的纹波要求。

（二）布局示例

文档中提供了高速总线连接和电源供应连接的布局示例图，可作为实际设计的参考。

八、设备和文档支持

（一）设备支持

包括第三方产品免责声明、设备命名规则和设备标记等信息。TI对第三方产品或服务的信息不承担认可责任，设备标记包含批次追踪代码和编码的设备部件号。

（二）相关链接

提供了技术文档、支持和社区资源、工具和软件以及样品购买等方面的快速访问链接，方便用户获取相关信息。

（三）接收文档更新通知

用户可以导航至ti.com上的器件产品文件夹，点击订阅更新进行注册，每周接收产品信息更改摘要，并查看修订历史记录了解详细更改信息。

（四）支持资源

TI E2E™支持论坛是工程师获取快速、经过验证的解答和设计帮助的重要参考资料。

（五）商标信息

Pico™、IntelliBright™和TI E2E™是德州仪器的商标，DLP®是德州仪器的注册商标。

（六）静电放电警告

静电放电（ESD）可能会损坏集成电路，在处理和安装过程中必须采取适当的预防措施，避免器件受到损坏。

（七）术语表

TI术语表列出并解释了相关术语、首字母缩略词和定义，方便用户理解文档中的专业术语。

九、机械、包装和可订购信息

文档提供了DLP2010LC的机械、包装和可订购信息，包括不同包装选项的详细参数，如封装类型、引脚数、每包数量、载体类型、RoHS合规性、工作温度范围、部件标记等。同时，还提供了包装材料的相关信息，如托盘尺寸和引脚方向等。

综上所述，DLP2010LC数字微镜器件具有诸多优异特性和广泛的应用前景，但在设计和使用过程中需要严格遵循其规格参数和相关要求，特别是在电源供应、布局设计和热管理等方面，以确保器件的可靠性和性能。希望本文能够为电子工程师在使用DLP2010LC进行设计时提供有价值的参考。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。