起初看起來(lái)很矛盾。如果您想節(jié)省電力和能源，請(qǐng)?zhí)砑痈嗫晌‰娏湍茉吹脑O(shè)備。但是，有些情況下這是您最好的設(shè)計(jì)策略。添加技術(shù)可以在不犧牲性能或功能的情況下實(shí)時(shí)和累積地減少持續(xù)消耗的能量。

我們將看到的一個(gè)很好的例子是添加環(huán)境光傳感器以減少背光在柔和的照明條件下的功耗。這不是一個(gè)新概念，不同類型的更多設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)施，測(cè)試和證明是值得的。然而，改變的是可用于超小型和小型化光檢測(cè)的技術(shù)，同時(shí)在無(wú)電流的情況下進(jìn)行繪制。

本文探討了環(huán)境光傳感技術(shù)和設(shè)計(jì)解決方案，可用于為使用背光的現(xiàn)代手持設(shè)備增加電池壽命和運(yùn)行時(shí)間。

傳統(tǒng)方法

硫化鎘光電探測(cè)器歷來(lái)被用于檢測(cè)光照水平但不是理想的緊湊型和手持設(shè)備的解決方案。它們的第一個(gè)缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間慢。雖然上升和下降時(shí)間可以在大約1/10秒內(nèi)傳輸，但是滿量程飽和和放電可能需要5到10秒。

另一個(gè)缺點(diǎn)是它們的尺寸很大。這些電池需要一定數(shù)量的探測(cè)器材料，較大的通孔封裝占用過(guò)多的PCB表面積，使其成為快速反應(yīng)的節(jié)能技術(shù)。

對(duì)于光學(xué)和環(huán)境光應(yīng)用，光電二極管和光電晶體管是光敏感的最簡(jiǎn)單和最小形式的傳感器。要考慮的關(guān)鍵參數(shù)將是約束驅(qū)動(dòng)。手持式應(yīng)用程序通常支持絕對(duì)最小的大小。關(guān)鍵是所選部件的光譜響應(yīng)。雖然大多數(shù)光電二極管和光電晶體管都處于紅外線范圍內(nèi)，但許多光電二極管和光電晶體管都支持可見(jiàn)光范圍并且還提供小型封裝。

以Vishay TEMD6200FX01 PIN光電二極管為例，它采用0805表面貼裝封裝（圖1）。它的高光敏性適合于人眼的反應(yīng)，因此其±60度的靈敏度應(yīng)該采集寬錐形環(huán)境光水平的樣品。它也主要通過(guò)可見(jiàn)光范圍，盡管它在850-1100 nm紅外波段也具有靈敏度。這可以針對(duì)環(huán)境光應(yīng)用進(jìn)行過(guò)濾，或保持敏感，允許相同的傳感器為夜間弱光條件提供IR輸入源。

圖1：采用0805表面貼裝尺寸封裝，該光電二極管以指數(shù)線性方式對(duì)可見(jiàn)光范圍敏感，以匹配響應(yīng)使用光電二極管，吸收入射光子會(huì)產(chǎn)生電子 - 空穴對(duì)，也稱為推動(dòng)電荷產(chǎn)生電流的載體。光電二極管的另一個(gè)特點(diǎn)是反向偏置PN結(jié)電流對(duì)指數(shù)光強(qiáng)度提供最線性的響應(yīng)，這就是為什么Vishay部件與人眼很好地匹配 - 它也會(huì)以指數(shù)方式響應(yīng)光強(qiáng)度（圖2）。/p>

圖2：線性反向偏置光電流響應(yīng)提供了一種簡(jiǎn)單的解決方案，可將光級(jí)數(shù)據(jù)合并到背光控制算法中。

憑借可靠的特性響應(yīng)曲線，幾乎任何微控制器上的簡(jiǎn)單A/D轉(zhuǎn)換器都可以獲得準(zhǔn)確的值，而無(wú)需大量處理或查找表。最簡(jiǎn)單的解決方案是由串聯(lián)電阻產(chǎn)生的固定反向偏置電壓發(fā)生器（圖3A）。讀入微觀的值可以直接用于與已知的球場(chǎng)閾值進(jìn)行比較。這種階躍響應(yīng)是低分辨率，但可能是使用簡(jiǎn)單步進(jìn)算法切換背光水平所需的全部。

稍微大一點(diǎn)的解決方案是在微型A/D級(jí)上使用差分輸入和偏置兩個(gè)電阻器之間的光電二極管（圖3B）。這不僅提供了完全線性的響應(yīng)，而且對(duì)共模噪聲也相對(duì)不敏感。

圖3：?jiǎn)味私拥貐⒖迹ˋ，左）或差分偏置（B，右）可以讓簡(jiǎn)單的光電二極管直接連接到大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器級(jí)。

跨阻抗運(yùn)算放大器方法

能夠最大化A/D轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍和分辨率的精密解決方案需要有源解決方案，可以衰減，偏移和放大信號(hào)，為主機(jī)微控制器提供最大的軌到軌電平?？缱杩惯\(yùn)算放大器是連接高阻抗傳感器的理想解決方案，光電二極管也不例外。在這里，我們正在有效地創(chuàng)建一個(gè)精密電流傳感器。

PIN光電二極管的設(shè)計(jì)階段需要DC穩(wěn)定性補(bǔ)償，閉環(huán)增益選擇和噪聲控制。將光電二極管放置在運(yùn)算放大器輸入端，可創(chuàng)建以地為參考的光伏解決方案，以最大限度地減少直流誤差（圖4）。

圖4：跨阻抗運(yùn)算放大器方法將增加所需的PCB表面積，但允許補(bǔ)償，DC偏移和降噪以及將有助于降低增益峰值以提供更均勻的響應(yīng)。

在圖4所示的示例中，D1可以是Vishay表面貼裝部件，或者是可以彎曲的OSRAM SFH 203 P等引線部件并且旨在提供側(cè)面或角度覆蓋。選用的運(yùn)算放大器采用SOT-23-5封裝的軌到軌Microchip MCP6001U，具有100μA的低電流電源，4.5 mV的低失調(diào)電壓和低至1.8 V的低電源電壓。

類似的器件，Microchip MCP6031T-E/OT受限于10 KHz增益帶寬范圍。這可能并不重要，因?yàn)橥ǔＴ贛CP6001支持的1 MHz速率下，亮度水平不會(huì)發(fā)生變化。 MCP6031的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以在現(xiàn)成的Microchip MCP6031DM-PTPLS光電二極管PICtail Plus演示和開(kāi)發(fā)板上使用。這說(shuō)明了偏置和DC穩(wěn)定，并實(shí)現(xiàn)了低通濾波器以降低噪聲。 Microchip還提供了使用光電二極管放大高阻抗傳感器技術(shù)的用戶指南，例如 1 。

自包含系統(tǒng)

增加偏置控制，自定時(shí)，溫度補(bǔ)償和數(shù)字接口允許單片片上系統(tǒng)在更高級(jí)別的功能下執(zhí)行，同時(shí)保持空間緊張。以Lite-On LTR-329ALS-01光學(xué)傳感器子系統(tǒng)芯片為例。

這款超小型（2 mm x 2 mm）芯片LED封裝包含紅外和可見(jiàn)光二極管，可生產(chǎn)歸一化光譜響應(yīng)輸出，溫度補(bǔ)償范圍為-30至+ 70°C。它還與人眼響應(yīng)相匹配，可以使用六種可選增益設(shè)置中的一種，適用于0.01 lux至64K lux的寬動(dòng)態(tài)范圍。一個(gè)簡(jiǎn)單的2線I 2 C接口允許主機(jī)微控制器設(shè)置和初始化所有內(nèi)部寄存器，并以有效的16位分辨率讀取光電平。

另一個(gè)高度集成的解決方案的例子來(lái)自AMS-TAOS及其TSL27721FN光數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片。此外，該器件采用2 mm x 2 mm封裝，具有中斷功能，僅在需要時(shí)喚醒低功耗休眠處理器。還包括接近檢測(cè)器LED電流驅(qū)動(dòng)器，用于檢測(cè)傳感器可以檢測(cè)到的反射信號(hào)的存在。極限電平可通過(guò)2線I 2 C端口設(shè)置和編程（圖5）。

圖5 ：?jiǎn)蝹€(gè)2 mm x 2 mm芯片不僅可以傳輸校準(zhǔn)的環(huán)境光水平，還可以兼作具有中斷喚醒功能的接近檢測(cè)器。請(qǐng)注意兩個(gè)通道的上限和下限設(shè)置。

總之

在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，延長(zhǎng)手持設(shè)備的電池運(yùn)行時(shí)間仍將是一個(gè)主要問(wèn)題。工程師揮舞著最鋒利的鉛筆 - 那些能夠在不犧牲性能的情況下保存能量的工程師 - 將會(huì)產(chǎn)生成功的設(shè)計(jì)。環(huán)境光檢測(cè)是增加電路可以產(chǎn)生影響的不尋常技術(shù)之一。正如我們所示，有一系列可用的解決方案，其中一些必須符合您的預(yù)算和其他設(shè)計(jì)約束。