環(huán)境光電傳感器在汽車中的應(yīng)用
“人類社會(huì)的發(fā)展也離不開汽車,汽車的安全性也離不開環(huán)境光電傳感器”汽車作為現(xiàn)代人類社會(huì)的交通工具,汽車在人類社會(huì)的政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)生活各個(gè)領(lǐng)域已占據(jù)相當(dāng)重要的地位,為人類經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步做出了巨大的貢獻(xiàn),汽車已成為人類文明與進(jìn)步的象征和標(biāo)志之一。而汽車的安全、環(huán)保與節(jié)能現(xiàn)已成為人們最為關(guān)心的問題,汽車上的各種傳感器為此做出了重大的貢獻(xiàn)。傳感器位于動(dòng)力總成系統(tǒng)的前端。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)用傳感器用來(lái)測(cè)量物理參數(shù),如水溫、空氣壓力以及發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。這些數(shù)據(jù)非常關(guān)鍵,它們?yōu)殚]環(huán)控制系統(tǒng)提供了關(guān)鍵信息。除了溫度傳感、壓力傳感和霍爾傳感器以外,微機(jī)械技術(shù)還帶來(lái)了嶄新的加速和偏向角速度傳感器,同時(shí)還允許利用標(biāo)準(zhǔn)晶圓制造工藝集成信號(hào)處理電路和數(shù)字化電路。這樣就能更有效保證汽車的安全性。下面超毅電子為大家講述一下環(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。
下圖是找了一款即將上市著名的汽車“沃爾沃”XC60T6做例子
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,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,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)說明。
封裝大?。簩?duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說,封裝都是越小越好?,F(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,下面我們將拿Intersil公司的ISL29003和ISL29004討來(lái)做討論,如下圖所示。
圖中可以清晰地看到通過采用一個(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(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)。 在上圖電路中,LED由白光LED驅(qū)動(dòng)器(EL7630)所傳送的恒定電流來(lái)驅(qū)動(dòng)。隨著環(huán)境光的增加,EL7900光傳感器將更多的電流注入到白光LED驅(qū)動(dòng)器的反饋端;在明亮的環(huán)境里,光傳感器注入更多電流到反饋端,因此,它減少了白光LED的輸出電流和輸出光密度。環(huán)境光密度和白光LED輸出電流的關(guān)系圖如下所示: 光傳感器的輸出電流由Iout = E (6uA/10Lux)來(lái)表示
在選擇適當(dāng)?shù)?a href="http://m.zmxyf.cn/Products/APS-12D-1-02.html">光傳感器時(shí)的另一個(gè)考慮因素是選擇一個(gè)帶有理想光譜響應(yīng)的傳感器。普通PIN光電二極管(無(wú)源或者有源)本身具有非常寬的光譜響應(yīng)范圍,包括IR射線乃至UV射線。
從理論上來(lái)說,用戶需要選擇一個(gè)僅能感應(yīng)可見光(380nm至770nm)并削弱無(wú)用的IR信號(hào)的光傳感器,如下圖深青色線所表示的(ISL29003光譜響應(yīng))
這些要求如何在一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)呢?讓我們看一看環(huán)境光傳感器是如何在一個(gè)自動(dòng)的白光LED背光控制電路中工作的,在汽車背光應(yīng)用中通??梢钥吹竭@種控制電路。
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