光传感器的原理及在汽车中的应用

光传感器的原理及在汽车中的应用 摘要： 由于汽车应用已变得日益复杂，而且越来越多地采用电子驱动，因此，将更多创新技术及专用技术应用在这个领域也就不足为奇了。在汽车环境中我们能够越来越多看到的一种独特解决便是遍及整个汽车内部环境的环境光传感器的普及应用。本文将讨论环境光感应的原理以及在汽车环境中采用这种器件的优势。 关键字：光传感器；汽车；亮度 1  光传感器原理 1.1环境光传感的原理 光传感器主要由光敏元件组成。目前光敏元件发展迅速、品种繁多、应用广泛。市场出售的有光敏电阻器、光电二极管、光电三极管、光电耦合器和光电池等。环境光传感器可以感知周围光线情况，并告知处理芯片自动调节显示器背光亮度，降低产品的功耗。例如，在手机、笔记本等移动应用中，显示器消耗的电量高达电池总电量的 30%，采用环境光传感器可以最大限度地延长电池的工作时间。另一方面，环境光传感器有助于显示器提供柔和的画面。当环境亮度较高时，使用环境光传感器的液晶显示器会自动调成高亮度。当外界环境较暗时，显示器就会调成低亮度。 环境光传感器需要在在芯片上贴一个红外截止膜，甚至直接在硅片上镀制图形化的红外截止膜。 1.2光传感器的电气特性 暗电流小，低照度响应，灵敏度高，电流随光照度增强呈线性变化；内置双敏感元，自动衰减近红外，光谱响应接近人眼函数曲线；内置微信号CMOS放大器、高精度电压源和修正电路，输出电流大，工作电压范围宽，温度稳定性好；可选光学纳米材料封装，可见光透过，紫外线截止、近红外相对衰减，增强了光学滤波效果；符合欧盟RoHS指令，无铅、无镉。 2 选择光传感器的考虑因素 通常有几种方法能够对光进行检测，例如通过使用光电晶体管、光敏电阻或光电二极管来实现，但对于当今应用的总的光感要求而言，基于IC的单片光电二极管是最好的选择之一。光电二极管是用于探测光并生成电流的半导体，它基于单晶硅片构造而成，与用于生产集成电路的晶体硅片类似。一个典型的传感器应用框架图包括一个光电二极管、一个电流放大器和一个无源低通滤波器，以检测并处理光输入引起的输出电压信号。能够将所有这些器件集成并采用小型封装对于终端用户而言是非常有益的，而且这恰恰就是当前的市场需求。 为应用选择适当光传感器时的另一个重要方面，是要理解对于应用而言，哪项重要规格是最为关键的，最需要关注哪一项。一般来说，在选择一个光传感器时，需要着重考虑的因素如下： （1）光谱响应/IR抑制：环境光传感器应该仅对400nm至700nm的范围有感应。 （2）Lux的最大范围：直射阳光可以多达130,000Lux，但是大多数应用要求最大范围为仅为10,000Lux。 （3）低Lux光敏度：根据光传感器位于顶端的镜片的类别，光衰减可以为25-50%。如果低光敏度非常关键(<5Lux)，必须注意选择可以在这个范围内工作的光传感器。 集成的信号调节(即放大器和ADC)：一些传感器可能提供非常小的封装，但是却需要一个外部放大器或无源元件来获取所需的输出信号。具有更高集成性的光传感器省去了对于外部元件(ADC、放大器、电阻器、电容器等)的需求。 （4）功耗：对于要承受高Lux级(>10,000Lux)的光传感器来说，最好采用一个非线性光到模拟输出光传感器，或一个光到数字输出的光传感器。接下来还将对此进行详细说明。 （5） 封装大小：对于大多数应用来说，封装都是越小越好。现在可提供的封装为2.0×2.1mm光学DFN，而1.3×1.5mm 4-lead封装则是下一代封装。一旦确定了上述重要规格，需要考虑的下一个问题就是哪类输出信号最有助于目标应用。对于大多数光传感器，最常见的输出为线性输出电流。虽然这适用于一些应用，但现在有更多的可选项，其中包括线性电压输出、数字输出(通过I2C接口)或者非线性电流或电压输出。每种都具有它们的优势，如下所列。 （6）线性模拟输出—电流或电压输出：更常见的感应器输出，快速响应时间(数字输出受限于积分时间)，在控制器中集成ADC转换器，电压输出省去了对于外加电阻(将电流转换为电压)的需要并提供一个低阻抗输出。电流输出需要在输出添加无源元件来将电流转换为电压、设置传感器的增益范围并根据需要增加低通或高通滤波器。 （7）非线性模拟输出——电流或电压输出：允许极弱光敏感度和最大动态范围(高达100 ,000Lux)，感测光与人类察觉光的方式更加类似(非线性与线性)，电压或电流非线性输出的选择，电压输出为低阻抗而电流输出为高阻抗。 （8）数字输出：输出可以直接与控制器相连接(无需ADC)，数字输出本身比模拟输出更具有噪声免疫性，允许传感器具有更多的数字功能(即更加智能的光传感器)，更易于在通用I2C总线上的网络工作，更易于允许将多个光传感器置于同一个I2C总线上(地址选择引脚)，恒定功耗(模拟输出电路损耗与入射光密度成正比)。 3 光传感器在汽车中的应用及材料选择 3.1围绕汽车的工作环境，光传感器的主要应用如下： 信息娱乐/导航/DVD系统的背光控制，一边在各种环境光条件下显示理想的亮度；后座娱乐显示屏的背光控制；仪盘组合仪表的背光（速度计，转速光等）；自动后视镜调光（通常需要两个传感器，一个朝前，一个朝后）；自动头灯和雨量检测（特定应用，根据需求而变）；后视摄像机控制（特定应用，根据用户需求而定）。 由于汽车需要在各种环境光条件下均具有完美的背光照明，因此凭借类似人眼的感测功能，光传感器已经成为实现更舒适显示质量的最有效解决方案之一，能够满足汽车的安全性和舒适性。 例如在白天，用户需要将亮度加到最大，达到最好的可视效果。但是这种亮度在晚间就显得太亮了，因此一个具有有效的光谱响应(良好的红外减弱)、动态范围和整体输出信号调理的光传感器很容易适应这种应用。用户可以设定几个阈值，如低、中或亮光，或是让传感器动态地改变背光的亮度。在汽车后视镜调光中也采用了同样的控制方法。当周围环境变暗或在后视镜中出现亮光时，采用智能调光管理是再合适不过了。 3.2电路图 为更好地理解采用一个光-数字光传感器的益处和性能，下面将讨论Intersil公司的ISL29003和ISL29004，如图1所示。   图中可以清晰地看到通过采用一个更为复杂的数字输出光传感器可帮助实现的功能。首先，这个器件(ISL29003)仍适用于非常紧凑的2×2.1mm光学DFN封装(ISL29004，带有两个用于地址选择的附加引脚，适用3×3mm 8-LD光学DFN封装)。除了具有集成了一个16位ADC和采有一个数字I2C输出的优势外，ISL29003也支持增益选择(通过I2C软件)和积分时间控制。增益选择功能非常实用，例如，如果需要极高的光敏度，那么可以很简单的通过I2C发送一个命令来将增益设置到增益1，从而提供前所未有的每Lux 65次计数(每Lux 65次或每0.1Lux 6.5次)。如果动态范围更加重要，则可以将增益选项变更为4，那么传感器的动态范围就可以达到6?,000Lux。这个特点以及中断引脚(报警引脚)就是环境光传感器的主要优点，能够为终端用户提供很大的优势。 光敏件的选择完全取决于终端客户，但是数字光传感器的方法正不断获得好评，这是因为其具有性能和灵活性的优势(特别是对于汽车应用而言)，它们需要采用I2C数字输出信号(更低的噪声，可以在相同的总线上网络覆盖数个传感器，对于敏感特性进行更好的控制，并实现更好的总体传感性能)。 在选择适当的光传感器时的另一个考虑因素是选择一个带有理想光谱响应的传感器。普通PIN光电二极管(无源或者有源)本身具有非常宽的光谱响应范围，包括IR射线乃至UV射线。 从理论上来说，用户需要选择一个仅能感应可见光(380~770nm)并削弱无用的IR信号的光传感器，如下图深青色线所表示的(ISL29003光谱响应) 这些要求如何在一个实际的应用中实现呢？让我们看一看环境光传感器是如何在一个自动的白光LED背光控制电路中工作的，在汽车背光应用中通常可以看到这种控制电路。如图2。 在该电路中(图2)，LED由白光LED驱动器(EL7630)所传送的恒定电流来驱动。随着环境光的增加，EL7900光传感器将更多的电流注入到白光LED驱动器的反馈端；在明亮的环境里，光传感器注入更多电流到反馈端，因此，它减少了白光LED的输出电流和输出光密度。环境光密度和白光LED输出电流的关系图如下所示：   光传感器的输出电流由Iout=E(6uA/10Lux)来表示。 小结： 半导体相似传感器和封装开发的最新进展使得终端用户在光传感器上具有了更广泛的选择。小封装、低功耗、高集成和简单易用性是设计者更多地采用光传感器的原因，其应用范围涉及消费类电子、工业应用以及汽车领域。 参考文献： [1]李良寿。汽车传感器的技术分析[J]。仪表技术传感器。2006（4）：61-62 [2]胡兴军，子萌。汽车传感器发展踪迹。[J] [3]单成祥，牛彦文，张春。传感器原理及其应用。第一版。北京：国防工业出版社。2006 [4]2009最值得关注的汽车数字技术[J]。数字家庭。2009（1）：162-165 [5]宋福昌。汽车传感器识别与检测图解[M]。北京：电子工业出版社。2006:1-13 继续阅读