通过使用ALS和接近传感器降低物联网的功耗

许多便携式电子设备结合了环境光传感器（ALS）和接近检测器，以改善用户体验并最大限度地降低功耗。直到最近，这些组合传感器的接近传感器的范围被限制在几毫米，从而限制了它们在智能手机上的应用。

然而，许多物联网应用包括恒温器，家用电器，办公设备，照明控制其他人也可以从具有更长检测范围的集成设备的电路板空间和功率节省中受益。这是Vishay Intertechnology新推出的VCNL4100CT设计背后的推动力。

本文将探讨ALS和接近感应在移动和物联网设备方面的应用。然后介绍VCNL4100CT，描述它的工作原理，并展示如何充分利用它进行下一次设计。

ALS和接近传感器节省电量

便携式设备，ALS用于确定在不同光照条件下所需的屏幕显示强度。这有助于屏幕可读性和整体用户体验，同时有条件地降低显示器消耗的功率。某些设备（如智能手机）也使用光学接近检测器。传感器输出可用于禁用触摸屏功能并关闭显示屏。这样可以减少用户的耳朵或脸颊挂断电话，使扬声器静音或使用其他不需要的功能的几率。

靠近脸部时关闭显示器也可延长电池寿命。如果用户将设备带离他们的耳朵以执行另一个任务（例如接听另一个呼叫），则接近传感器将检测到该动作，并且可以重新启用屏幕和触摸功能，准备输入。

将接近和环境光传感器组合到单个封装中已经成为手持设备市场的常见做法已有多年。该集成利用了光电探测器用于两种功能的事实。对于环境光检测，处理和过滤光电二极管输出以模仿人眼的响应。然后使用该信息适当地调暗屏幕。对于接近检测，红外发光二极管（IRED）发出脉冲能量，并且调谐到IRED波长的光电检测器寻找反射能量。通过使用与外界共享电源和通信的单个封装，这种组合节省了宝贵的电路板空间。

共同封装的另一个优点是避免了两个功能之间的干扰。接近传感器使用脉冲红外（IR）能量来确定距离。 IRED将IR信号发送到环境中，并且类似调谐的IR接收器在物体移动到空间中时寻找从物体返回的反射能量。在此期间，ALS传感器可能会被IR信号饱和，除非它具有良好的IR波段抑制或在IR脉冲存在时施加传感器消隐时间。

物联网应用

对于接近传感器，这些组合传感器的范围限制在几毫米，但许多物联网应用也可以从具有更大感应距离的集成设备的电路板空间和功率节省中受益。这些应用包括恒温器，家用电器，办公设备和照明控制。

Vishay的新型VCNL4100CT通过引入高功率红外发射器扩展了应用范围，该发射器可实现高达一米的接近检测（图1）。

图1：Vishay的VCNL4100接近和环境光传感器包括一个匹配的红外发射器和光电探测器，可测量高达1米的距离（来源：Vishay Intertechnology）

VCNL4100结合了匹配的940 nm红外发射器和光电二极管，用于接近度测量和环境光传感器。这两种功能都通过板载信号处理提供可编程测量，允许针对不同环境定制操作。微控制器（MCU）通信通过标准I 2 C，主机可以设置测量参数和请求结果。如果需要，可编程阈值允许VCNL4100在超过阈值时中断主机，从而最大限度地减少器件轮询。

信号处理电路使用内置温度传感器，在-40°C至+ 85°C的温度范围内提供稳定的输出。设备的接近传感器部分中的智能消除消除了可能干扰测量的背景光问题。 ALS采用Filtron™技术将环境光谱灵敏度与人眼响应相匹配，并且不受荧光灯闪烁的影响。最大检测范围可选（655/1311/2621/5243 lux），最高灵敏度为0.01 lux/step。该器件采用微型8.0 x 3.0 x 1.8 mm表面贴装封装，带有集成透镜（图2）。

图2：VCNL4100采用8.0 x 3.0 x 1.8 mm表面贴装塑料封装，带有集成透镜，便于机械集成到最终应用中。 （来源：Vishay Intertechnology）

现在我们对设备有了一些了解，让我们深入了解电气，机械和参数调整的细节，以便将传感器定制到应用中。

应用电路

典型应用的元件级原理图如图3所示。

图3：典型VCNL4100的应用电路。 Vdd和Vbb使用单独的电源，外部P沟道MOSFET用于保持脉冲IR发射极电流不会干扰内部测量电路。 （使用Digi-Key Scheme绘制的图表 - 它）

VCNL4100输入电压（Vdd）为2.5至3.6 V，与当今许多微控制器兼容。单独的Vbb电源用于通过一个小的外部P沟道MOSFET Q1为IR发射器脉冲提供源。这会将IRED驱动器的功耗从芯片上移开，并将高电流驱动脉冲与偏置到Vdd的敏感内部电路隔离开来。 Q1的栅极驱动来自引脚2，需要一个上拉电阻以确保关断至Vbb（3.5至5 V）。

如果使用单独的电源，Vdd可以用小的0.1去耦μF电容靠近引脚3放置，但需要一个更大的2.2μF电容连接到Q1的电源，为IR发射极提供开启能量。最大红外发射极电流为800 mA，由2.7Ω电阻设置。

MCU通信引脚为漏极开路，因此它们需要上拉电阻来连接MCU电压。在这种情况下，对于400 kHz I 2 C信号使用2.2kΩ上拉电阻，但INT引脚上的8.2kΩ上拉电阻就足够了。

图4是图3中描述的VCNL4100原理图的建议布局。

图4：使用两个电路板层的VCNL4100模块的建议布局。宽走线用于通过IR发射器的电流路径。 （来源：Vishay Intertechnology）

机械设计

由于该设备集成了红外发射器和探测器，它们之间的距离是固定的，因此简化了机械设计的细节。发射器的半强度角约为+ 15°，光电二极管的灵敏度约为+ 30°（图5）。

图5：VCNL4100发射器和探测器半角决定了良好探测所需的机械布局。 （来源：Vishay Intertechnology）

检测区域的大小由传感器顶部到盖玻片外表面的距离和玻璃中透明孔的大小决定。如果盖玻片放在传感器顶部，则需要发射器孔直径> 1.7 mm，探测器孔> 2 mm。如果玻璃位于传感器上方，则每个简单的几何计算必须增加窗口直径。随着玻璃距离的增加，Vishay提供了所需直径的表格。

图5所示的玻璃和传感器之间的灰色条是一道光栅。必须在IR发射器和探测器之间安装，以避免串扰干扰。

调整接近传感器

PS参数需要根据应用要求进行调整。检测距离是一个关键参数。恒温器可能需要高达一米的检测范围，而厨房用具可能只需要一半的范围。肥皂分配器通常仅需要10厘米。在诸如工业安全应用的其他应用中，响应时间可能很重要。在所有情况下，都需要在检测范围，速度和功耗之间进行权衡。

发射器脉冲长度，占空比，高和低阈值电平以及高于/低于阈值的连续测量次数可以设置为提供所需的检测。发射极脉冲长度可以在80μs至1.1 ms之间的离散步长中设置，占空比在5％至0.02％之间。随着脉冲长度增加，脉冲重复率保持恒定以保持设定的占空比。因此，最快的脉冲序列将是每1.5 ms（80μsx20）一个，最长的脉冲序列将是~5.6秒（1.1 ms x 5120）。

更长的脉冲会增加暗物体的检测范围，但是导致探测器在较近的距离处对较轻的物体饱和。每个应用程序的正确设置需要通过使用已知检测对象或标准参考（例如柯达灰卡）的评估测试来确定。最简单的方法是购买Vishay的VCNL4000传感器入门套件，然后从[e-mail]索取VCNL4100传感器板。这将允许您在进行测量时通过易于使用的GUI快速评估参数更改。

PS的输出是一个8位值，可由MCU通过I 2 C接口。此外，VCNL4100可以设置高阈值和低阈值，以及值超过阈值的连续次数以产生中断。后者降低了MCU上的通信和处理负载。

调整ALS

调整显示屏背光或根据环境光照条件启用/禁用功能可以节省电量并提高显示可读性。为了有效，必须将ALS调谐到可见光谱并拒绝其他光源。 VCNL4100接近传感器和环境光传感器的归一化光谱响应如图6所示。

图6：VCNL4100环境光传感器和接近传感器的归一化光谱响应。环境光传感器模仿人眼的光谱响应，并且接近检测器被调谐到红外光谱。 （来源：Vishay Intertechnology）

人眼对400 nm至700 nm的波长敏感，峰值灵敏度为560 nm。 VCNL4100 ALS传感器与此灵敏度范围紧密匹配，具有出色的带外抑制性能。

在可见光范围内，照度测量单位是勒克斯。具有相同勒克斯测量值的光源看起来同样明亮。传感器读取的lux值可通过I 2 C以16位值的形式提供给主机MCU。字中编码的勒克斯值取决于所选的积分时间（样本累积时间）。有四种可能的积分时间：80,160,320和640 ms。增加积分时间会导致更高的勒克斯灵敏度和更小的最大检测范围，如图7所示。为了确定实际的勒克斯值，MCU将16位值乘以所选的勒克斯/步。可能需要应用偏移来考虑盖玻片和窗口尺寸。

ALS分辨率和最大检测范围ALS_IT灵敏度（lx/步）最大检测范围（lx）ALS_IT（7：6）积分时间（0,0） ）（0,1）（1,0）（1,1）80 ms 160 ms 320 ms 640 ms 0.08 0.04 0.02 0.01 5243 2621 1311 655

图7：VCNL4100环境光传感器分辨率和最大检测范围。更长的积分（样品）时间导致更高的分辨率，但更小的最大检测范围。 （来源：Vishay Intertechnology）

VCNL4100还具有高阈值和低阈值设置，并且连续超过阈值的次数可用于自动执行ALS检测过程。如果测量值超过或低于设定次数的阈值，则中断线将被置位。

电流和功率考虑因素

在许多应用中，总供电电流很重要，尤其是那些由电池供电的。 VCNL4100的典型电源电流为195μA，不包括驱动IR发射器所需的电流。如果MCU将用于定期唤醒器件进行测量，则可以使用仅为0.2μA的低电流关断模式。省电的替代方案是关闭主机MCU，启用ALS和/或接近传感器，并在超过阈值时对其中一个或两个进行编程以唤醒MCU。

额外的功率考虑是脉冲的红外发射极电流。最大值必须低于800 mA，但IR发射器的平均功耗是占空比的函数。使用最大脉冲电流和5％占空比，平均电流消耗为40 mA。 0.02％的占空比使其降至0.16 mA。由于通过发射器的平均功耗，具有快速占空比的长脉冲时间将导致管芯加热。在这些情况下，可能需要降低最大发射极电流，以防止遇到封装热限制。 Vishay提供了在Tamb <50˚C的各种工作周期下正向电流与脉冲持续时间的关系图，以帮助确定。

易于使用

包装红外发射器和探测器VCNL4100与集成镜头一起大大减少了机械设计任务。此外，在设备中结合信号处理和I 2 C通信，以及易于使用的配置工具，大大减少了应用程序调优和软件驱动程序开发任务。

结论

对于家庭，办公室或工厂车间的下一代物联网设备和系统的设计人员，VCNL4100可以轻松嵌入环境光感应和远程接近传感器，以最大限度地降低功耗和大大改善了用户体验。