梓凯工控技术网

摘要:介绍了一种能实现人眼仿真的集成化可见光亮度传感器LX1970,给出了LX1970芯片的性能特点､工作原理及典型应用电路｡LX1970适用于平板显示器的亮度监控系统,可用在笔记本电脑､平板电视及新型手机中｡ 关键词:亮度;人眼仿真;传感器;背光源;测量;LX1970 1、主要特点 目前,笔记本电脑､个人数字助理（Personal Digi-tal Assistant,简称PDA）､平板电视和手机均采用液晶显示器（LCD）｡但LCD本身并不发光,它只反射或透射外界光线｡为便于在光线较暗的环境中或夜间观察屏幕,就必须给LCD加背光源以增强对比度｡利用可见光亮度传感器就可根据环境亮度来自动调节背光源（一般为白色发光二极管）的亮度,这样不仅能获得最佳显示效果,还能降低背光源的功耗｡ 美国微型半导体（Microsemi）公司推出了一种能实现人眼仿真的集成化可见光亮度传感器LX1970,利用该器件可构成平板显示器的亮度监控系统｡此外,它还可用做户外照明灯（例如路灯）,以使照明灯能在黄昏时自动开启,清晨时自动关闭｡ LX1970型可见光亮度传感器的性能特点如下: ●内含PIN型光电二极管､高增益放大器和两个互补式电流输出端该光电二极管阵列的光谱特性及灵敏度都与人眼十分相似,因而能代替人眼去感受环境亮度的明暗程度,并将接收到的可见光转换成电流信号,进而对背光源的亮度进行控制｡ ●峰值发光波长为520nm,电流灵敏度为0.38μA/lx,暗电流为10nA｡ ●非线性误差小,重复性好｡两个互补输出端的电流不对称度仅为±0.5%,可任选一端作为输出｡ ●外围电路简单,价格低廉,使用方便｡无须使用滤光片即可有效衰减紫外光及红外光｡ ●微功耗,低压供电｡采用2～5.5V电源,电源电流可低至85μA（典型值）｡工作温度范围为-40℃～+85℃｡其外形尺寸仅为2.95mm×3mm×1mm｡ 2、LX1970的工作原理 LX1970采用MSOP-8表贴塑料封装,其引脚排列和内部框图如图1所示｡ LX1970芯片正面有一个面积为0.369mm2的受光区｡UDD和USS分别接电源的正､负极｡SNK为电流接收器的引出端,SRC为输出电流源的引出端｡其余NC均为空脚｡芯片工作时由光电二极管产生的光电流经过高增益放大器送至两个电流输出端,其中一个是电流吸收器的引脚SNK,另一个是输出电流源的引脚SRC,二者的电流分别为ISNK 和ISRC｡其中ISNK为灌入芯片中的电流,简称灌电流｡这两种电流信号通过R1､R2可分别转换成电压信号USNK､USRC｡改变R1（或R2）的电阻值可调整电压增益,电阻值允许范围是10kΩ～50kΩ｡C1和C2为滤波电容,可用来决定传感器的响应时间｡输出USNK与环境亮度成反比,USRC与环境亮度成正比,二者呈互补输出特性,可任选一路信号作为输出电压UO｡ LX1970的相对灵敏度与波长的响应曲线如图2中的粗线所示,细线是人眼的响应曲线（峰值波长为550nm）｡由图可见,LX1970接收光的波段与人眼非常相近,并且也象人眼一样灵敏｡其峰值波长λP为520nm,波段大约为350nm～800nm,能覆盖整个可见光波段（400nm～700nm）,而紫外光波段（<400nm和红外光波段（>700nm）都很窄,这表明它对可见光的接收灵敏度最高｡LX1970在峰值波长为520nm时的灵敏度K为0.38μA/lx,即照度每变化1lx（勒克斯）,输出电流变化0.38μA｡将照度转换成亮度L（其单位是cd/m2）时,可假定光线照射在一个能满足全反射条件的理想平面上,然后根据1lx=0.314 cd/m2进行转换即可得到亮度值｡通常,可用实验的方法来测定亮度与照度的比例系数｡ 3、LX1970的典型应用 3.1 白光亮度测量电路 测量白光亮度的电路如图3所示｡该电路在工作时先由RCC､电流源和白光LED组成的光源发射出可见光,再由LX1970接收该可见光并转换成电流信号｡接下来在SNK端､SRC端各串联一块微安表以分别测量光电流ISNK和ISRC,这样微安表的读数值就反映了亮度的高低｡ 3.2 LCD背光源亮度自动控制电路 当环境亮度明显变暗时,LX1970能自动开启LCD的背光源以使白色LED发光｡其亮度自动控制电路如图4所示｡图中电阻R1和R2用于设定控制亮度的最小值与最大值｡改变电容器C的容值可调整响应时间并能滤除50Hz电网干扰｡LX1970采用+3.3V～+5V电源｡若只使用SRC端,则SNK端应悬空｡假定需用0.25V～1.25V的输出电压来驱动白光LED,0.25V代表LED的亮度最小值,1.25V代表亮度最大值那么,可由下式确定R1与R2的比例关系 R1=[（3/0.25）-1]R2=11R2 可根据LX1970在给定亮度下的输出电流最大值（ISRCmax）来计算R2值｡实际上在ISRCmax为50μA时R2为25kΩ,这样代入上式即可得到275kΩ的R1值｡ 3.3 LX1970评估板的设计 利用LX1970评估板（Evaluation Board）不仅能检查出LX1970的质量好坏,还可对LCD背光源亮度控制电路进行各种实验,以便为开发新产品提供依据｡此外,评估板上的元器件布局以及印制电路的设计也具有参考价值｡LX1970的评估板电路如图5所示｡它具有以下特点: 第一,可利用一个转盘（上面开着7个不同孔径的小孔）来改变LX1970入射光窗口的大小,转盘与传感器一同装在机壳内; 第二,通过电位器RP1～RP3调整放大器的增益,再经过LX1970驱动两只白色发光二极管（LED1､LED2）发光,以实现亮度调节,从而适应不同的环境亮度条件; 第三,分别改变跳线器J1～J4的接线方式,以对不同电路进行隔离或偏置; 第四,该电路有4个可选择的控制端口,包括SRC的分压二极管引出端口（A）､SRC的电压调整端口（B）､SRC的固定电压端口（C）和SNK的电压调整端口（D）｡此外,还有两个输出端（SRC､SNK）其中,端口A为下拉端（经外部电位器接地,可代替LX1970手动调整亮度）｡端口B､C､D均为上拉端（经外部电路接正电源或正电压）｡端口B和端口C用于设置最低输出电压（将RP1调至最小）或调节SRC端的输出｡端口D用来设置最高输出电压（将RP2调至最大）或调节SNK端的输出｡ 跳线器J1用来选择电源,当J1连到“LX1970”位置时,系统只给LX1970供电;J1连至“LED驱动”位置时,则可同时给LX1990供电,LX1990为LED的驱动｡J2置于“SRC开路”位置时,将断开SRC引脚的外围电路;J2置于“分压”位置时,则将接通SRC引脚的外围电路｡J3置于“VD2输入”位置,可将隔离二极管VD2短路;而J3置于“VD2输出”位置时,VD2则不被短路｡J4置于“驱动”位置时将SNK端的输出接到LX1990的输入端ISET;J4置于“SNK上拉”位置时, SNK端的输出将经过端口D接高电平｡ 需要说明的是:第一,使用端口B时允许将外部PWM信号加至由（RP1+R1）和（RP2+R3）构成的分压器的高端,然后通过调节RP1和RP2的值来控制分压比;第二,使用端口C时可用直流电压来控制亮度;第三,利用C1和C3可降低LX1970的响应速度,以避免传感器受外部50Hz光源频率的影响｡