环境光传感器之ALS背光控制的工作理念

引言

环境光传感器(ALS)集成电路正越来越多地用于各种显示器和照明设备，以节省电能，改善用户体验。借助ALS解决方案，系统设计师可根据环境光强度，自动调节显示屏的亮度。因为背光照明的耗电量在系统的总耗电量中占据很大的比例，实行动态的背光亮度控制，可节省大量的电能。此外，它还能够改善用户体验，让显示屏亮度根据环境光条件自行调整到最佳状态。

系统实现需要三大部分：监测环境光强的光传感器、数据处理装置(通常是微控制器)、控制背光输入电流的执行器。

背光控制：环境光传感器

图1是实施背光控制的系统示范框图。在这套组合中，光传感器是关键的组成部分，因为它要向系统的其他模块提供环境光强信息。光传感器必须具备将光信号转换成电信号的信号转换器(譬如光电二极管或CdS光敏电阻)和信号放大和/或调节装置以及模/数转换器(ADC)。

图1. 实施背光控制的系统框图

图2所示为分立光电二极管电路，从图中可以看出，该电路需要一个或多个运算放大器：一个用于电流到电压的转换，可能还需要一级放大，提供附加增益。它还包括一些分支电路，用于供电，确保高度可靠的信号链。而在空间极其宝贵的应用中，所需元件的数量过多可能导致空间受限问题。

图2. 光电二极管电路分立设计

这里还存在一个更细微的问题。具体而言，理想情况下，应确保环境光的测量模拟了人眼对光线的响应机制。这通常借助CIE提供的视觉亮度曲线(图3)。然而，光电二极管很少能够完全模拟这种响应机制，因为它们通常具有很高的红外(IR)灵敏度。在IR强度较大的光照条件(譬如白炽灯或日光)下，这种红外灵敏度会造成错误地判断光线强度。

解决上述问题的方法之一是使用两个光电二极管：一个采用对可见光和红外光都很敏感的元件，另一个采用只对红外光敏感的元件。最终用前者的响应值减去后者的响应值，将红外干扰降至最小，获得准确的可见光响应。

这种解决方案虽然有效，却增加了分立电路的占用空间。通常还很难、甚至不可能让两个分立的光电二极管配合得足够紧密，以实现消除红外干扰的目的。如果不配备精密放大器(譬如对数放大器)，动态范围可能很小。换句话说，很难利用这种组合获得可重复的结果。

图3. CIE曲线和典型的光电二极管

高集成度解决方案不仅能够获得比人眼光学系统更真实的光强数据，还能够节省大量空间MAX44009等环境光传感器，可将所有信号调节和模/数转换器集成在一个小封装(2mm x 2mm UTDFN封装)内，从而在空间受限应用中有效节省电路板面积。

图4提供了MAX44009的功能框图，采用I?C通信协议，使其与微控制器的连接方式更简单，数据传输速度更快。除此之外，该解决方案的高集成特性使其能够置于柔性电缆，安装在离主电路板距离合适的位置。

图4. MAX44009功能框图