許多便攜式電子設備結合了環境光傳感器（ALS）和接近檢測器，以改善用戶體驗并最大限度地降低功耗。直到最近，這些組合傳感器的接近傳感器的范圍被限制在幾毫米，從而限制了它們在智能手機上的應用。

然而，許多物聯網應用包括恒溫器，家用電器，辦公設備，照明控制其他人也可以從具有更長檢測范圍的集成設備的電路板空間和功率節省中受益。這是Vishay Intertechnology新推出的VCNL4100CT設計背后的推動力。

本文將探討ALS和接近感應在移動和物聯網設備方面的應用。然后介紹VCNL4100CT，描述它的工作原理，并展示如何充分利用它進行下一次設計。

ALS和接近傳感器節省電量

便攜式設備，ALS用于確定在不同光照條件下所需的屏幕顯示強度。這有助于屏幕可讀性和整體用戶體驗，同時有條件地降低顯示器消耗的功率。某些設備（如智能手機）也使用光學接近檢測器。傳感器輸出可用于禁用觸摸屏功能并關閉顯示屏。這樣可以減少用戶的耳朵或臉頰掛斷電話，使揚聲器靜音或使用其他不需要的功能的幾率。

靠近臉部時關閉顯示器也可延長電池壽命。如果用戶將設備帶離他們的耳朵以執行另一個任務（例如接聽另一個呼叫），則接近傳感器將檢測到該動作，并且可以重新啟用屏幕和觸摸功能，準備輸入。

將接近和環境光傳感器組合到單個封裝中已經成為手持設備市場的常見做法已有多年。該集成利用了光電探測器用于兩種功能的事實。對于環境光檢測，處理和過濾光電二極管輸出以模仿人眼的響應。然后使用該信息適當地調暗屏幕。對于接近檢測，紅外發光二極管（IRED）發出脈沖能量，并且調諧到IRED波長的光電檢測器尋找反射能量。通過使用與外界共享電源和通信的單個封裝，這種組合節省了寶貴的電路板空間。

共同封裝的另一個優點是避免了兩個功能之間的干擾。接近傳感器使用脈沖紅外（IR）能量來確定距離。 IRED將IR信號發送到環境中，并且類似調諧的IR接收器在物體移動到空間中時尋找從物體返回的反射能量。在此期間，ALS傳感器可能會被IR信號飽和，除非它具有良好的IR波段抑制或在IR脈沖存在時施加傳感器消隱時間。

物聯網應用

對于接近傳感器，這些組合傳感器的范圍限制在幾毫米，但許多物聯網應用也可以從具有更大感應距離的集成設備的電路板空間和功率節省中受益。這些應用包括恒溫器，家用電器，辦公設備和照明控制。

Vishay的新型VCNL4100CT通過引入高功率紅外發射器擴展了應用范圍，該發射器可實現高達一米的接近檢測（圖1）。

圖1：Vishay的VCNL4100接近和環境光傳感器包括一個匹配的紅外發射器和光電探測器，可測量高達1米的距離（來源：Vishay Intertechnology）

VCNL4100結合了匹配的940 nm紅外發射器和光電二極管，用于接近度測量和環境光傳感器。這兩種功能都通過板載信號處理提供可編程測量，允許針對不同環境定制操作。微控制器（MCU）通信通過標準I 2 C，主機可以設置測量參數和請求結果。如果需要，可編程閾值允許VCNL4100在超過閾值時中斷主機，從而最大限度地減少器件輪詢。

信號處理電路使用內置溫度傳感器，在-40°C至+ 85°C的溫度范圍內提供穩定的輸出。設備的接近傳感器部分中的智能消除消除了可能干擾測量的背景光問題。 ALS采用Filtron?技術將環境光譜靈敏度與人眼響應相匹配，并且不受熒光燈閃爍的影響。最大檢測范圍可選（655/1311/2621/5243 lux），最高靈敏度為0.01 lux/step。該器件采用微型8.0 x 3.0 x 1.8 mm表面貼裝封裝，帶有集成透鏡（圖2）。

圖2：VCNL4100采用8.0 x 3.0 x 1.8 mm表面貼裝塑料封裝，帶有集成透鏡，便于機械集成到最終應用中。 （來源：Vishay Intertechnology）

現在我們對設備有了一些了解，讓我們深入了解電氣，機械和參數調整的細節，以便將傳感器定制到應用中。

應用電路

典型應用的元件級原理圖如圖3所示。

圖3：典型VCNL4100的應用電路。 Vdd和Vbb使用單獨的電源，外部P溝道MOSFET用于保持脈沖IR發射極電流不會干擾內部測量電路。 （使用Digi-Key Scheme繪制的圖表 - 它）

VCNL4100輸入電壓（Vdd）為2.5至3.6 V，與當今許多微控制器兼容。單獨的Vbb電源用于通過一個小的外部P溝道MOSFET Q1為IR發射器脈沖提供源。這會將IRED驅動器的功耗從芯片上移開，并將高電流驅動脈沖與偏置到Vdd的敏感內部電路隔離開來。 Q1的柵極驅動來自引腳2，需要一個上拉電阻以確保關斷至Vbb（3.5至5 V）。

如果使用單獨的電源，Vdd可以用小的0.1去耦μF電容靠近引腳3放置，但需要一個更大的2.2μF電容連接到Q1的電源，為IR發射極提供開啟能量。最大紅外發射極電流為800 mA，由2.7Ω電阻設置。

MCU通信引腳為漏極開路，因此它們需要上拉電阻來連接MCU電壓。在這種情況下，對于400 kHz I 2 C信號使用2.2kΩ上拉電阻，但INT引腳上的8.2kΩ上拉電阻就足夠了。

圖4是圖3中描述的VCNL4100原理圖的建議布局。

圖4：使用兩個電路板層的VCNL4100模塊的建議布局。寬走線用于通過IR發射器的電流路徑。 （來源：Vishay Intertechnology）

機械設計

由于該設備集成了紅外發射器和探測器，它們之間的距離是固定的，因此簡化了機械設計的細節。發射器的半強度角約為+ 15°，光電二極管的靈敏度約為+ 30°（圖5）。

圖5：VCNL4100發射器和探測器半角決定了良好探測所需的機械布局。 （來源：Vishay Intertechnology）

檢測區域的大小由傳感器頂部到蓋玻片外表面的距離和玻璃中透明孔的大小決定。如果蓋玻片放在傳感器頂部，則需要發射器孔直徑> 1.7 mm，探測器孔> 2 mm。如果玻璃位于傳感器上方，則每個簡單的幾何計算必須增加窗口直徑。隨著玻璃距離的增加，Vishay提供了所需直徑的表格。

圖5所示的玻璃和傳感器之間的灰色條是一道光柵。必須在IR發射器和探測器之間安裝，以避免串擾干擾。

調整接近傳感器

PS參數需要根據應用要求進行調整。檢測距離是一個關鍵參數。恒溫器可能需要高達一米的檢測范圍，而廚房用具可能只需要一半的范圍。肥皂分配器通常僅需要10厘米。在諸如工業安全應用的其他應用中，響應時間可能很重要。在所有情況下，都需要在檢測范圍，速度和功耗之間進行權衡。

發射器脈沖長度，占空比，高和低閾值電平以及高于/低于閾值的連續測量次數可以設置為提供所需的檢測。發射極脈沖長度可以在80μs至1.1 ms之間的離散步長中設置，占空比在5％至0.02％之間。隨著脈沖長度增加，脈沖重復率保持恒定以保持設定的占空比。因此，最快的脈沖序列將是每1.5 ms（80μsx20）一個，最長的脈沖序列將是~5.6秒（1.1 ms x 5120）。

更長的脈沖會增加暗物體的檢測范圍，但是導致探測器在較近的距離處對較輕的物體飽和。每個應用程序的正確設置需要通過使用已知檢測對象或標準參考（例如柯達灰卡）的評估測試來確定。最簡單的方法是購買Vishay的VCNL4000傳感器入門套件，然后從[email protected]索取VCNL4100傳感器板。這將允許您在進行測量時通過易于使用的GUI快速評估參數更改。

PS的輸出是一個8位值，可由MCU通過I 2 C接口。此外，VCNL4100可以設置高閾值和低閾值，以及值超過閾值的連續次數以產生中斷。后者降低了MCU上的通信和處理負載。

調整ALS

調整顯示屏背光或根據環境光照條件啟用/禁用功能可以節省電量并提高顯示可讀性。為了有效，必須將ALS調諧到可見光譜并拒絕其他光源。 VCNL4100接近傳感器和環境光傳感器的歸一化光譜響應如圖6所示。

圖6：VCNL4100環境光傳感器和接近傳感器的歸一化光譜響應。環境光傳感器模仿人眼的光譜響應，并且接近檢測器被調諧到紅外光譜。 （來源：Vishay Intertechnology）

人眼對400 nm至700 nm的波長敏感，峰值靈敏度為560 nm。 VCNL4100 ALS傳感器與此靈敏度范圍緊密匹配，具有出色的帶外抑制性能。

在可見光范圍內，照度測量單位是勒克斯。具有相同勒克斯測量值的光源看起來同樣明亮。傳感器讀取的lux值可通過I 2 C以16位值的形式提供給主機MCU。字中編碼的勒克斯值取決于所選的積分時間（樣本累積時間）。有四種可能的積分時間：80,160,320和640 ms。增加積分時間會導致更高的勒克斯靈敏度和更小的最大檢測范圍，如圖7所示。為了確定實際的勒克斯值，MCU將16位值乘以所選的勒克斯/步。可能需要應用偏移來考慮蓋玻片和窗口尺寸。

ALS分辨率和最大檢測范圍ALS_IT靈敏度（lx/步）最大檢測范圍（lx）ALS_IT（7：6）積分時間（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

圖7：VCNL4100環境光傳感器分辨率和最大檢測范圍。更長的積分（樣品）時間導致更高的分辨率，但更小的最大檢測范圍。 （來源：Vishay Intertechnology）

VCNL4100還具有高閾值和低閾值設置，并且連續超過閾值的次數可用于自動執行ALS檢測過程。如果測量值超過或低于設定次數的閾值，則中斷線將被置位。

電流和功率考慮因素

在許多應用中，總供電電流很重要，尤其是那些由電池供電的。 VCNL4100的典型電源電流為195μA，不包括驅動IR發射器所需的電流。如果MCU將用于定期喚醒器件進行測量，則可以使用僅為0.2μA的低電流關斷模式。省電的替代方案是關閉主機MCU，啟用ALS和/或接近傳感器，并在超過閾值時對其中一個或兩個進行編程以喚醒MCU。

額外的功率考慮是脈沖的紅外發射極電流。最大值必須低于800 mA，但IR發射器的平均功耗是占空比的函數。使用最大脈沖電流和5％占空比，平均電流消耗為40 mA。 0.02％的占空比使其降至0.16 mA。由于通過發射器的平均功耗，具有快速占空比的長脈沖時間將導致管芯加熱。在這些情況下，可能需要降低最大發射極電流，以防止遇到封裝熱限制。 Vishay提供了在Tamb <50?C的各種工作周期下正向電流與脈沖持續時間的關系圖，以幫助確定。

易于使用

包裝紅外發射器和探測器VCNL4100與集成鏡頭一起大大減少了機械設計任務。此外，在設備中結合信號處理和I 2 C通信，以及易于使用的配置工具，大大減少了應用程序調優和軟件驅動程序開發任務。

結論

對于家庭，辦公室或工廠車間的下一代物聯網設備和系統的設計人員，VCNL4100可以輕松嵌入環境光感應和遠程接近傳感器，以最大限度地降低功耗和大大改善了用戶體驗。