OPT4001DNPRQ1

OPT4001-Q1 ZHCSOP9A – MAY 2023 – REVISED JULY 2023 OPT4001-Q1 汽车级高速高精度数字环境光传感器 1 特性 2 应用 • 符合面向汽车应用的 AEC-Q100 标准： – 温度等级 2：–40°C 至 105°C，TA • 功能安全型 – 有助于进行功能安全系统设计的文档 • 通过高速 I2C 接口实现高精度、高速光/数转换 • 精密光学滤波，可与人眼紧密匹配，具有出色的近 红外 (IR) 抑制能力 • 半对数输出： – 9 个二进制对数满量程照度范围 – 每个范围内都有高度线性响应 • 内置自动满量程照度范围选择逻辑，可根据输入光 条件切换测量范围，从而始终具有出色的分辨率 • 28 位有效动态范围： – 400μlux 至 107klux • 12 个可配置转换时间： – 600μs 至 800ms，适用于高速和高精度应用 • 针对硬件同步触发和中断的外部引脚中断 • 纠错码特性可提高汽车用例的可靠性 • 带 I2C 突发读出的输出寄存器的内部 FIFO • 低工作电流：30μA • 超低待机功耗：2μA • 工作温度范围：-40°C 至 +105°C • 宽电源范围：1.6V 至 3.6V • 可耐受 5.5V 电压的 I/O 引脚 • 可选择的 I2C 地址 • 小巧的外形：2 mm × 2 mm × 0.65 mm • • • • • • 车内和车外照明 信息娱乐系统与仪表组 电致变色和智能后视镜 雨刮器模块 平视显示系统 汽车摄像头系统 3 说明 OPT4001-Q1 是一款用于测量可见光强度的光/数传感 器（单芯片照度计）。为了测量准确的光强度，器件上 专门设计的滤波器可与人眼的明视响应紧密匹配，并抑 制常见光源中的近红外成分。OPT4001-Q1 具有半对 数输出，有 9 个二进制对数满量程照度范围，每个范 围内都有高度线性响应，可测量范围为 400μlux 至 107klux。此功能允许光传感器具有 28 位有效动态范 围。内置的自动范围选择逻辑可根据照度级别动态调整 器件增益设置，无需用户输入即可在各种条件下提供出 色的分辨率。 封装信息 封装(1) 器件型号 DNP（USON， 6） OPT4001-Q1 (1) (2) 封装尺寸(2) 2 mm × 2 mm × 0.65 mm 如需了解所有可用封装，请参阅数据表末尾的封装选项附录。 封装尺寸（长 × 宽）为标称值，并包括引脚（如适用）。 1 OPT4001-Q1 Human Eye 0.9 Normalized Response 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 Dark Glass OPT4001-Q1 Accurate light intensity (lux) I2C OPT4001-Q1 典型应用图 0.1 0 300 400 500 600 700 800 Wavelength (nm) 900 1000 光谱响应： OPT4001-Q1 和人眼 本文档旨在为方便起见，提供有关 TI 产品中文版本的信息，以确认产品的概要。有关适用的官方英文版本的最新信息，请访问 www.ti.com，其内容始终优先。TI 不保证翻译的准确性和有效性。在实际设计之前，请务必参考最新版本的英文版本。 English Data Sheet: SBOSA93 OPT4001-Q1 www.ti.com.cn ZHCSOP9A – MAY 2023 – REVISED JULY 2023 内容 1 特性................................................................................... 1 2 应用................................................................................... 1 3 说明................................................................................... 1 4 修订历史记录..................................................................... 2 5 说明（续）.........................................................................3 6 引脚配置和功能................................................................. 4 7 规格................................................................................... 5 7.1 绝对最大额定值...........................................................5 7.2 ESD 等级.................................................................... 5 7.3 建议运行条件.............................................................. 5 7.4 热性能信息.................................................................. 5 7.5 电气特性......................................................................6 7.6 典型特性......................................................................8 8 详细说明.......................................................................... 10 8.1 概述...........................................................................10 8.2 功能方框图................................................................ 10 8.3 特性说明....................................................................11 8.4 器件功能模式............................................................ 13 8.5 编程...........................................................................19 8.6 寄存器映射................................................................ 24 9 应用和实施.......................................................................34 9.1 应用信息....................................................................34 9.2 典型应用....................................................................34 9.3 优秀设计实践............................................................ 36 9.4 电源相关建议............................................................ 36 9.5 布局...........................................................................36 10 器件和文档支持............................................................. 38 10.1 文档支持..................................................................38 10.2 接收文档更新通知................................................... 38 10.3 支持资源..................................................................38 10.4 商标.........................................................................38 10.5 静电放电警告.......................................................... 38 10.6 术语表..................................................................... 38 11 机械、封装和可订购信息............................................... 38 4 修订历史记录 注：以前版本的页码可能与当前版本的页码不同 Changes from Revision * (May 2023) to Revision A (July 2023) Page • 将文档状态从 预告信息 更改为量产数据 ............................................................................................................ 1 2 Submit Document Feedback Copyright © 2023 Texas Instruments Incorporated Product Folder Links: OPT4001-Q1 English Data Sheet: SBOSA93 OPT4001-Q1 www.ti.com.cn ZHCSOP9A – MAY 2023 – REVISED JULY 2023 5 说明（续） OPT4001-Q1 上设计的光学滤波器提供了强大的近红外抑制功能。当为了美观而将传感器置于深色玻璃下时，该 滤波器有助于保持高精度。 OPT4001-Q1 设计用于需要照度级别检测以增强用户体验的系统，该器件通常使用不起眼的人眼匹配和近红外抑 制功能来取代低精度光电二极管、光敏电阻器和其他环境光传感器。 OPT4001-Q1 可通过 12 个步骤配置为以 600μs 到 800ms 的光转换时间运行，从而能够根据应用需要提供系统 灵活性。转换时间包括光采集时间和 ADC 转换时间。测量分辨率由光强度和采集时间的组合决定，能够有效地测 量低至 400μlux 的光强度变化。 数字操作可灵活用于系统集成。测量可以是连续的，也可以通过寄存器写入或硬件引脚单次触发。此器件提供了 阈值检测逻辑，这允许处理器进入睡眠状态，直到传感器检测到适当的唤醒事件并通过中断引脚进行报告。 该传感器通过兼容 I2C 和 SMBus 的双线制串行接口报告表示照度级别的数字输出。输出寄存器上的内部先入先出 (FIFO) 可用于以较慢的速度从传感器读取测量值，同时仍保留器件捕获的所有数据。OPT4001-Q1 还支持 I2C 突 发模式，从而以更小的 I2C 开销帮助主机从 FIFO 读取数据。 OPT4001-Q1 兼具低功耗和低电源电压功能，可延长电池供电系统的电池寿命。 Submit Document Feedback Copyright © 2023 Texas Instruments Incorporated 3 Product Folder Links: OPT4001-Q1 English Data Sheet: SBOSA93 OPT4001-Q1 www.ti.com.cn ZHCSOP9A – MAY 2023 – REVISED JULY 2023 6 引脚配置和功能 VDD 1 ADDR 2 GND 3 Thermal Pad 6 SDA 5 INT 4 SCL Not to scale 图 6-1. DNP 封装、 6 引脚 USON （顶视图） 表 6-1. 引脚功能 引脚 4 说明 编号 名称 类型 1 VDD I 器件电源。连接至 1.6V 至 3.6V 电源。 2 ADDR I 地址引脚。该引脚设置 I2C 地址的 LSB。 3 GND Power 4 SCL I 5 INT I/O 中断输入/输出开漏。使用 10kΩ 电阻器连接至 1.6V 至 5.5V 电源。 6 SDA I/O I2C 数据。使用 10kΩ 电阻器连接至 1.6V 至 5.5V 电源。 接地 I2C 时钟。使用 10kΩ 电阻器连接至 1.6V 至 5.5V 电源。 Submit Document Feedback Copyright © 2023 Texas Instruments Incorporated Product Folder Links: OPT4001-Q1 English Data Sheet: SBOSA93 OPT4001-Q1 www.ti.com.cn ZHCSOP9A – MAY 2023 – REVISED JULY 2023 7 规格 7.1 绝对最大额定值 在自然通风条件下的工作温度范围内测得（除非另有说明）(1) 最小值 最大值 VDD 至 GND 电压 –0.5 6 V SDA 和 SCL 至 GND 电压 –0.5 6 V 任何引脚的输入电流 TJ 结温 Tstg (1) (2) –65 贮存温度 单位 10 mA 150 °C 150(2) °C 超出绝对最大额定值运行可能会对器件造成损坏。绝对最大额定值并不表示器件在这些条件下或在建议运行条件以外的任何其他条件下 能够正常运行。如果超出建议工作条件但在绝对最大额定值范围内使用，器件可能不会完全正常运行，这可能影响器件的可靠性、功能 和性能，并缩短器件寿命。 长时间暴露在高于 105°C 的温度下会导致封装变色、频谱失真和测量不准确。 7.2 ESD 等级 值 V(ESD) (1) (2) 静电放电 单位 人体放电模型 (HBM)，符合 ANSI/ESDA/JEDEC JS-001，所有引脚(1) ±2000 充电器件模型 (CDM)，符合 ANSI/ESDA/JEDEC JS-002 标准，所有引脚(2) ±500 V JEDEC 文档 JEP155 指出：500V HBM 时能够在标准 ESD 控制流程下安全生产。 JEDEC 文档 JEP157 指出：250V CDM 时能够在标准 ESD 控制流程下安全生产。 7.3 建议运行条件 在自然通风条件下的工作温度范围内测得（除非另有说明） 最小值 标称值 最大值 单位 VDD 电源电压 1.6 3.6 V TJ 结温 -40 105 ℃ 7.4 热性能信息 OPT4001-Q1 热指标(1) DNP (USON) 单位 6 引脚 RθJA 结至环境热阻 71.2 °C/W RθJC(top) 结至外壳（顶部）热阻 45.7 °C/W RθJB 结至电路板热阻 42.2 °C/W ΨJT 结至顶部特征参数 2.4 °C/W ΨJB 结至电路板特征参数 42.8 °C/W (1) 有关新旧热指标的更多信息，请参阅半导体和 IC 封装热指标应用报告。 Submit Document Feedback Copyright © 2023 Texas Instruments Incorporated 5 Product Folder Links: OPT4001-Q1 English Data Sheet: SBOSA93 OPT4001-Q1 www.ti.com.cn ZHCSOP9A – MAY 2023 – REVISED JULY 2023 7.5 电气特性 除非另有说明，否则所有规格的适用条件为：TA = 25°C，VDD = 3.3V，800ms 转换时间 (CONVERSION_TIME = 0xB)，自 动满量程，白色 LED 和光的法向入射角 参数 测试条件 最小值 典型值 最大值 单位 光学 550 峰值辐照度光谱响应度 有效 MANTISSA 位（寄存器 R_MSB 和 R_LSB） 取决于所选的转换时间（寄存器 CT） 指数位（寄存器 E） 表示满量程 tconv 光转换时间(4) EvLSB 分辨率 EvFS 满量程照度 Ev 测量输出结果 增益范围之间的相对精度 EvIR 9 20 4 位 600 µs 最大可选值 (CONVERSION_TIME = 0xB) 800 ms 最低自动增益范围，800ms 转换时间 400 µlux 3.2 mlux 107374 2000lux 输入(1) 1800 (2) 2000 2200 勒克斯 % 0.2 % 裸器件，无盖玻片 4 % 输入照度 > 328lux，100ms 转换时间 CT=8 2 输入照度 < 328lux，100ms 转换时间 CT=8 5 850nm 近红外光 光源变化（白炽灯、卤素灯、荧光灯） % 0.01 可见光，输入照度 = 2000lux 0 暗场测量 角度响应 (FWHM) 电源抑制比(3) 勒克斯 0.4 红外响应 整个温度范围内的漂移 位 最小可选值 (CONVERSION_TIME = 0x0) 最低自动增益范围，100ms 转换时间 线性度 PSRR nm VDD 为 3.6V 和 1.6V %/°C 10 mlux 120 ° 0.1 %/V 电源 VDD 电源 VI2C I2C 上拉电阻的电源 IQACTIVE 有效电流 IQ 静态电流 POR 上电复位阈值 I2C 上拉电阻，VDD ≤ VI2C 1.6 3.6 V 1.6 5.5 V 暗 22 满量程照度 30 暗 1.6 µA µA 2 满量程照度 0.8 V 数字 CIO I/O 引脚电容 3 pF 0.5 ms tss 触发以开始采样 VIL 低电平输入电压（SDA、SCL 和 ADDR） 0 0.3 × VDD V VIH 高电平输入电压（SDA、SCL 和 ADDR） 0.7 × VDD 5.5 V IIL 低电平输入电流（SDA、SCL 和 ADDR） 0.25(5) µA VOL 低电平输出电压（SDA 和 INT） IOL = 3mA 0.32 V IZH 输出逻辑高电平，高阻态漏电流（SDA、 INT） 在引脚电压为 VDD 时测量 0.25(5) µA 低功耗关断模式 0.01 0.01 温度 6 Submit Document Feedback Copyright © 2023 Texas Instruments Incorporated Product Folder Links: OPT4001-Q1 English Data Sheet: SBOSA93 OPT4001-Q1 www.ti.com.cn ZHCSOP9A – MAY 2023 – REVISED JULY 2023 7.5 电气特性 (continued) 除非另有说明，否则所有规格的适用条件为：TA = 25°C，VDD = 3.3V，800ms 转换时间 (CONVERSION_TIME = 0xB)，自 动满量程，白色 LED 和光的法向入射角 参数 测试条件 典型值 -40 额定温度范围 (1) (2) (3) (4) (5) 最小值 最大值 105 单位 °C 使用校准至 2000lux 的白色 LED 进行测试。 其特点是在较高的相邻满量程设置上测量固定的近满量程照度级别。 PSRR 是测量的照度输出相对于电流值的变化百分比除以电源电压的变化，如 3.6V 和 1.6V 电源的结果所示。 从转换开始到准备好读取数据为止的转换时间是采集时间与模数转换时间之和。 规定的漏电流受生产测试设备限制的影响。典型值要小得多。 Submit Document Feedback Copyright © 2023 Texas Instruments Incorporated 7 Product Folder Links: OPT4001-Q1 English Data Sheet: SBOSA93 OPT4001-Q1 www.ti.com.cn ZHCSOP9A – MAY 2023 – REVISED JULY 2023 7.6 典型特性 除非另有说明，否则适用条件为：TA = 25°C，VDD = 3.3V，800ms 转换时间 (CONVERSION_TIME = 0xB)，自动满量程 (RANGE = 0xC)，白色 LED 和光的法向入射角 1 1 OPT4001-Q1 Human Eye 0.9 0.9 0.8 Normalized Response Normalized Response 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 300 400 500 600 700 800 Wavelength (nm) 900 0 -100 1000 -80 -60 -40 -20 0 20 40 Illuminance Angle (°) 60 80 100 标准化为 0° 图 7-1. 光谱响应与波长间的关系 图 7-2. 器件响应与照明角度间的关系 1.25 1.5 1.4 Normalized Supply Current Normalized Supply Current 1.45 1.35 1.3 1.25 1.2 1.15 1.1 1.05 1.2 1.15 1.1 1.05 1 1 0.95 0.9 0.001 0.01 0.1 0.95 0.001 1 10 100 1000 10000 100000 Input Illuminance (Lux) 标准化为黑暗条件 1.1 1.05 1.08 1.04 1.06 1.03 Normalized Supply Current Normalized Supply Current 1 10 100 1000 10000 100000 Input Illuminance (Lux) 图 7-4. 待机电流与输入照度级别间的关系 1.04 1.02 1 0.98 0.96 0.94 0.92 1.02 1.01 1 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 Power Supply (V) 3 标准化为 3.3V 3.2 3.4 3.6 0.94 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 Supply Voltage (V) 3 3.2 3.4 3.6 标准化为 3.3V 图 7-5. 有功电流与电源间的关系 8 0.1 标准化为黑暗条件 图 7-3. 有功电流与输入照度级别间的关系 0.9 1.6 0.01 图 7-6. 待机电流与电源间的关系 Submit Document Feedback Copyright © 2023 Texas Instruments Incorporated Product Folder Links: OPT4001-Q1 English Data Sheet: SBOSA93 OPT4001-Q1 www.ti.com.cn ZHCSOP9A – MAY 2023 – REVISED JULY 2023 7.6 典型特性 (continued) 除非另有说明，否则适用条件为：TA = 25°C，VDD = 3.3V，800ms 转换时间 (CONVERSION_TIME = 0xB)，自动满量程 (RANGE = 0xC)，白色 LED 和光的法向入射角 2 1.005 E=0 E=1 E=2 E=3 E=4 E=5 E=6 E=7 E=8 Normalized Conversion Time 1.004 Normalized Response 1.003 1.002 1.001 1 0.999 0.998 0.997 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.996 0.995 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 Supply Voltage (V) 3 3.2 3.4 0.8 20 30 50 100 200 3.6 标准化为 3.3V 500 1000 10000 Input Illuminance (Lux) 100000 寄存器 E（指数）表示满量程范围 标准化为 600μs 图 7-7. 器件响应与电源间的关系 图 7-8. 600μs 时的转换时间与输入照度级别间的关系 1.1 E=0 E=1 E=2 E=3 E=4 E=5 E=6 E=7 E=8 1.03 1.025 1.02 1.015 1.08 1.06 Normalized Current Normalized Conversion Time 1.035 1.04 1.02 1 0.98 0.96 0.94 1.01 0.92 1.005 20 30 50 100 200 500 1000 10000 Input Illuminance (Lux) 100000 寄存器 E（指数）表示满量程范围 0.9 -40 -20 0 20 40 60 Temperature (°C) 80 100 标准化为 25°C 标准化为 25ms 图 7-10. 有效电流与温度间的关系 图 7-9. 25ms 时的转换时间与输入照度级别间的关系 2 1.9 Normalized Current 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1 0.9 -40 -20 0 20 40 60 Temperature (°C) 80 100 标准化为 25°C 图 7-11. 待机电流与温度间的关系 Submit Document Feedback Copyright © 2023 Texas Instruments Incorporated 9 Product Folder Links: OPT4001-Q1 English Data Sheet: SBOSA93 OPT4001-Q1 www.ti.com.cn ZHCSOP9A – MAY 2023 – REVISED JULY 2023 8 详细说明 8.1 概述 OPT4001-Q1 测量照亮器件的环境光。该器件在光线测量方面的光谱响应与人眼高度匹配，并具有强大的近红外 抑制能力。 环境光传感器用于测量环境光并帮助打造人性化的照明体验，因此观感器的光谱响应与人眼的光谱响应相匹配非 常重要。另外，人眼无法看见红外线，因此对红外线的良好阻隔效果也是此匹配的关键部分。这种匹配使得 OPT4001-Q1 尤其适合在看起来很黑但会透射红外线的窗口下方运行。 OPT4001-Q1 是一款完全自包含器件，能够测量环境光并通过 I2C 总线以数字形式报告与照度成正比的 ADC 代 码结果。该结果还可用于通过 INT 引脚向系统发出警报和使处理器中断。该结果还可通过可编程阈值比较进行总 结并通过 INT 引脚进行传输。 OPT4001-Q1 默认配置为在自动满量程检测模式下运行，从而始终根据给定的照明条件选择合适的满量程设置。 有九种满量程设置，其中一种也可以手动选择。将器件设置为在自动满量程检测模式下运行，用户无需对其软件 进行编程，即可实现潜在的测量迭代循环并对满量程进行重新调整，直到找到任意测量的优化设置。由于器件在 整个 28 位动态测量范围内表现了出色的线性度，因此无需在系统级进行额外的线性度校准。 OPT4001-Q1 可配置为在连续或单次触发测量模式下运行。该器件提供 12 个转换时间，从 600μs 至 800ms 不 等。该器件会在启动后进入低功耗关断状态，因此 OPT4001-Q1 只会在器件设置为活动状态后才会消耗活动运行 功率。 OPT4001-Q1 光学滤波系统对光学表面上的细小颗粒和微影不是很敏感。灵敏度降低的原因是，器件相对而言不 那么依赖传感器区域的均匀光照，即可抑制红外线。在所有光学器件上，为了获取最佳结果，一直建议光学表面 具有适当的洁净度。 8.2 功能方框图 Short or Open Ambient Light 0.1uF VDD:1.6V to 3.6V VDD OPT4001-Q1 SDA SCL INT ADDR VIO: 1.6V to 5V 10k 10k 10k VIO SDA SCL GPIO/TimerPin GND Controller Micro Controller or Processor GND 图 8-1. OPT4001-Q1 的功能方框图 10 Submit Document Feedback Copyright © 2023 Texas Instruments Incorporated Product Folder Links: OPT4001-Q1 English Data Sheet: SBOSA93 OPT4001-Q1 www.ti.com.cn ZHCSOP9A – MAY 2023 – REVISED JULY 2023 8.3 特性说明 8.3.1 与人眼的光谱匹配 OPT4001-Q1 的光谱响应与人眼的光谱响应非常接近。如果使用环境光传感器测量来帮助打造良好的人类体验， 或创造对人类有利的光学条件，则该传感器测量的光谱必须与人眼看到的光谱相同。 OPT4001-Q1 还具有出色的红外光 (IR) 抑制能力。这种 IR 抑制能力尤其重要，因为许多现实世界的光源包含大 量人眼不可见的红外成分。如果传感器测量的是人眼不可见的红外光，则无法准确表示真实的人类体验。 如果应用需要将 OPT4001-Q1 隐藏在暗窗下方（这样一来，最终产品用户就无法看到传感器），则 OPT4001-Q1 的红外抑制能力就变得明显更加重要，因为许多暗窗会使可见光衰减，但会透射红外光。这种可见光衰减而红外 光衰减不足的情况会增大红外光与照亮传感器的可见光的比率。由于 OPT4001-Q1 具有较高的红外抑制能力，因 此在这种情况下，结果仍可很好地与人眼相匹配。 8.3.2 自动满量程设置 OPT4001-Q1 具有自动满量程设置特性，无需预测和设置器件的合适范围。在该模式下，每次测量时，器件都会 针对不同的照明条件自动选择合适的满量程。该器件的满量程设置之间可实现结果高度匹配。当选择不同的满量 程时，这种匹配可消除结果不同的问题，也无需特定于量程且用户校准的增益系数。 8.3.3 纠错码 (ECC) 特性 OPT4001-Q1 在输出寄存器中采用了附加纠错码 (ECC) 位，有助于提高应用中光测量的可靠性。 8.3.3.1 输出采样计数器 OPT4001-Q1 包含一个 COUNTER 寄存器作为输出寄存器的一部分，每次成功测量时，COUNTER 寄存器都会 递增。该寄存器可作为输出寄存器的一部分进行读取，这有助于应用跟踪测量结果。4 位计数器在上电时从 0 开 始计数，最多计数到 15，之后计数器复位回 0 并继续计数，这在以下情况下尤其有用： • 主机或控制器需要连续测量。使用 COUNTER 寄存器，控制器可以比较样片，并确保样片按预期顺序排列， 而不会丢失中间计数器值。 • 作为照度级别不变时的一项安全特性，控制器可通过比较两次测量的 COUNTER 寄存器值来确保 OPT4001Q1 的测量值不会卡住不变。如果 COUNTER 值继续随着样片而变化，则器件会使用最新的照度级别测量值来 更新输出寄存器。 8.3.3.2 输出 CRC CRC 寄存器由循环冗余校验器位组成，是 OPT4001-Q1 内计算的输出寄存器的一部分，每次测量时都会更新。 该特性有助于在从器件读出输出期间检测与通信相关的位错误。寄存器 1 列出了 CRC 位的计算方法，可在控制器 或主机固件和软件中独立验证，以验证控制器和器件之间的通信是否成功，而未在传输期间出现位错误。 Submit Document Feedback Copyright © 2023 Texas Instruments Incorporated 11 Product Folder Links: OPT4001-Q1 English Data Sheet: SBOSA93 OPT4001-Q1 www.ti.com.cn ZHCSOP9A – MAY 2023 – REVISED JULY 2023 8.3.4 输出寄存器 FIFO 输出寄存器始终包含最新的光测量值。除了输出寄存器之外，还有另外三个影子寄存器，它们包含前三次测量的 数据。每次进行新的测量时，三个影子寄存器上的数据都会更新以包含最新的测量值，而丢弃最旧的测量值，这 与 FIFO 方案类似。这些影子寄存器与输出寄存器一起充当深度为 4 的 FIFO。使用 INT_CFG 寄存器，INT 引脚 可配置（如图 8-2 所示）为每次测量都生成一次中断，也可配置为每四次测量生成一次中断。通过这种方式，从 OPT4001-Q1 读取数据的控制器可以将中断次数减少 4 倍，同时仍可在两次中断之间访问所有四个测量值。通过 使用突发读取模式，可以用极少的 I2C 时钟读出输出和 FIFO 寄存器。 Continuous Mode Output registers Measurement(n-1) Measurement(n) FIFO 0 registers Measurement(n-2) Measurement(n-1) Measurement(n) FIFO 1 registers Measurement(n-3) Measurement(n-2) Measurement(n-1) FIFO 2 registers Measurement(n-4) Measurement(n-3) Measurement(n+1) Measurement(n-2) Measurement(n+2) Measurement(n+1) Measurement(n) Measurement(n-1) INT (output) Interrupt(n-1) Interrupt(n) Interrupt(n+1) Conversion Time 图 8-2. FIFO 寄存器数据移动 8.3.5 阈值检测 OPT4001-Q1 具有阈值检测逻辑，可对该逻辑进行编程，以在测得的照度级别超过用户设置的阈值时指示并更新 寄存器标志。存在独立的低阈值和高阈值目标寄存器，并且具有独立的标志寄存器来指示所测照度级别的状态。 所测照度级别低于低阈值和高于高阈值称为故障 。用户可对故障计数寄存器进行编程，该寄存器在设置标志寄存 器之前对连续故障数量进行计数。当控制器可以单独读取标志寄存器以获得所测照度级别的指示而无需执行照度 计算时，该特性尤其有用。阈值检测计算 部分提供了用于设置阈值的计算方法。 12 Submit Document Feedback Copyright © 2023 Texas Instruments Incorporated Product Folder Links: OPT4001-Q1 English Data Sheet: SBOSA93 OPT4001-Q1 www.ti.com.cn ZHCSOP9A – MAY 2023 – REVISED JULY 2023 8.4 器件功能模式 8.4.1 运行模式 OPT4001-Q1 具有以下运行模式： • 断电模式：该模式是让器件进入低功耗状态的断电或待机模式。在该模式下没有激活的光感应或转换。器件仍 响应 I2C 事务，这些事务可用于使器件退出该模式。OPERATING_MODE 寄存器设置为 0。 • 连续地址模式: 在这种模式下，OPT4001-Q1 会根据转换时间连续测量和更新输出寄存器，并在每次成功转换 时在 INT 引脚上生成硬件中断。使用 INT_DIR 寄存器在输出模式下配置 INT 引脚。器件有源电路持续保持有 源状态，以尽可能缩短两次测量的时间间隔。OPERATING_MODE 寄存器设置为 3。 • 单次触发模式： OPT4001-Q1 可通过多种方式用于单次触发运行模式，其中一个共同主题是 OPT4001-Q1 保 持待机模式，并通过向配置寄存器写入寄存器或通过 INT 引脚上的硬件中断来触发转换。 有两种类型的单次触发模式。 – 强制自动范围单次触发模式： 每个单次触发都会强制自动范围控制逻辑完全复位，并且会忽略之前的测量 结果而启动全新的自动范围检测。在照明条件预计会频繁变化且单次触发频率条件预计不会频繁变化的情况 下，该模式特别有用。从复位状态恢复的自动范围逻辑会对转换时间造成少许影响。自动范围控制逻辑上的 完整复位周期约为 500μs，使用该模式时，必须在两次测量之间考虑到这一点。OPERATING_MODE 寄 存器设置为 1。 – 常规自动范围单次触发模式： 自动范围选择逻辑使用来自先前测量的信息来确定当前触发的范围。仅当器 件需要在控制器频繁触发的情况下进行时间同步测量时，才使用该模式。换句话说，该模式可用作连续模式 的替代方案。这些模式之间的关键区别在于两次测量的时间间隔由单次触发决定。OPERATING_MODE 寄 存器设置为 2。 可通过以下方式触发单次触发模式： – 硬件触发：INT 引脚可配置为用于触发测量的输入（将 INT_DIR 寄存器设置为 0）。当 INT 引脚用作输入 时，没有硬件中断来指示测量完成。控制器必须记录从触发机制开始的时间并读出输出寄存器。 – 寄存器触发： 对 OPERATING_MODE 寄存器的 I2C 写入会触发测量（值 1 或 2）。寄存器值在下一次成 功测量后复位。通过将 INT_DIR 寄存器设置为 1，可将 INT 引脚配置为指示测量完成，以读出输出寄存 器。 设置后续触发之间的间隔时必须考虑到触发机制中涉及的所有方面，例如 I2C 事务时间、器件唤醒时间、自动 范围时间（如果使用）和器件转换时间。如果在当前测量完成之前接收到转换触发，则器件会忽略新请求，直 到上一次转换完成。 器件在每个单次触发后进入待机模式；因此，单次触发机制中的测量间隔必须考虑额外的时间（规格 部分中指 定的用于让电路从待机状态恢复的 tss 时间）。然而，设置快速唤醒寄存器 QWAKE 就无需考虑这个额外的 tss，但代价是不会切断有源电路的电源，并且器件不会在两次触发之间进入待机模式。 图 8-3 展示了各种运行模式下的时序图。 Submit Document Feedback Copyright © 2023 Texas Instruments Incorporated 13 Product Folder Links: OPT4001-Q1 English Data Sheet: SBOSA93 OPT4001-Q1 www.ti.com.cn ZHCSOP9A – MAY 2023 – REVISED JULY 2023 Continuous Mode Output registers Measurement(n-1) Measurement(n+2) Measurement(n+1) Measurement(n) INT (output) Interrupt(n+1) Interrupt(n) Interrupt(n-1) Conversion Time Device Power Active Power Active Power Active Power Active Power One-shot Mode (Pin Trigger) Output registers Measurement(n) Measurement(n-1) Measurement(n+1) INT (input) Trigger(n+1) Trigger(n) Device Power Standby Conversion Time Conversion Time Active Power Standby Active Power Standby One-shot Mode (Register Trigger) Output registers Measurement(n-1) Measurement(n) Measurement(n+1) Trigger bits set by Controller Config register Trigger bits reset by Device Trigger bits reset by Device Trigger(n) Trigger(n+1) Conversion Time Conversion Time INT (output) Device Power Standby Active Power Interrupt(n) Standby Active Power Interrupt(n+1) Standby 图 8-3. 不同运行模式下的时序图 8.4.2 运行中断模式 该器件有一个中断报告系统，可使连接到 I2C 总线的处理器进入睡眠状态，或忽略器件结果，直到发生需要采取 可能行动的用户定义事件。或者，对于可以利用单个数字信号（用于指示照度是高于还是低于目标级别）的任何 系统，也可以使用这种相同的机制。 INT 引脚具有开漏输出，需要使用上拉电阻。该开漏输出允许将多个具有开漏 INT 引脚的器件连接到同一条线 路，从而在这些器件之间创建逻辑 NOR 或 AND 函数。INT 引脚的极性可由 INT_POL 寄存器控制。 主要有两种中断报告机制模式：锁存窗口比较模式和透明迟滞比较模式。LATCH 配置寄存器控制使用这两种模式 中的哪一种。表 8-1 和图 8-4 汇总了这两种模式的功能。此外，INT 引脚可用于指示其中一种模式出现故障 (INT_CFG = 0) 或指示转换完成 (INT_CFG > 0)。表 8-2 详述了该功能。 14 Submit Document Feedback Copyright © 2023 Texas Instruments Incorporated Product Folder Links: OPT4001-Q1 English Data Sheet: SBOSA93 OPT4001-Q1 www.ti.com.cn ZHCSOP9A – MAY 2023 – REVISED JULY 2023 图 8-4. 中断引脚状态（INT_CFG = 0 设置）和寄存器标志行为 表 8-1. 中断引脚状态（INT_CFG = 0 设置）和寄存器标志行为 INT 引脚状态（当 INT_CFG=0 时） LATCH 设置 FLAG_H 值 FLAG_L 值 锁存行为 0：透明迟滞模式 INT 引脚指示测量值是高于 （INT 有效）还是低于 0：如果测量值低于下限 （INT 无效）阈值。如果测 1：如果测量值高于上限 量值介于高阈值和低阈值 如果测量值介于上限和下 之间，则保持之前的 INT 限之间，则保持之前的 值。该模式可防止在测量 值。 值接近阈值时 INT 引脚重 复切换。 0：如果测量值高于上限 1：如果测量值低于下限 如果测量值介于上限和下 限之间，则保持之前的 值。 不锁存：每次转换后都会 更新值 1：锁存窗口模式 如果测量值超出窗口（高 于高阈值或低于低阈 值），则 INT 引脚变为有 效状态。在读取 0xC 寄存 器之前，INT 引脚不会复位 并返回无效状态。 1：如果测量值低于下限 锁存：在读取 0x0C 寄存器 之前，INT 引脚、FLAG_H 和 FLAG_L 值不会复位。 1：如果测量值高于上限 THRESHOLD_H、THRESHOLD_L、LATCH 和 FAULT_COUNT 寄存器控制中断行为。如表 8-1 所示，可通过 LATCH 字段设置在锁存窗口模式和透明迟滞模式之间进行选择。可以在 INT 引脚、FLAG_H 和 FLAG_L 寄存器 上观察中断报告。 将当前传感器测量值与 THRESHOLD_H 和 THRESHOLD_L 寄存器进行比较得出的结果称为故障事件。有关用于 设置这些寄存器的计算，请参阅阈值检测计算 部分。FAULT_COUNT 寄存器决定了触发中断事件并随后更改中断 报告机制状态所需的连续故障事件 的数量。例如，FAULT_COUNT 值 2 对应于四个故障计数，在这种情况下，除 非连续进行四次满足故障条件的测量，否则不会实现表 8-1 中所示的 INT 引脚、FLAG_H 和 FLAG_L 状态。 表 8-1 中列出的 INT 引脚功能仅在 INT_CFG = 0 时有效。如表 8-2 所述，可以更改 INT 引脚功能，以指示转换 结束或 FIFO 已满状态。即使在 INT_CFG > 0 的情况下，FLAG_H 和 FLAG_L 寄存器也继续按表 8-1 中所列的方 式运行。INT 引脚的极性由 INT_POL 寄存器控制。 表 8-2. INT_CFG 设置和产生的 INT 引脚行为 INT_CFG 设置 INT 引脚功能 0 如表 8-1 所示 1 每次转换后，INT 引脚均以 1µs 脉冲持续时间置位 Submit Document Feedback Copyright © 2023 Texas Instruments Incorporated 15 Product Folder Links: OPT4001-Q1 English Data Sheet: SBOSA93 OPT4001-Q1 www.ti.com.cn ZHCSOP9A – MAY 2023 – REVISED JULY 2023 表 8-2. INT_CFG 设置和产生的 INT 引脚行为 (continued) INT_CFG 设置 INT 引脚功能 3 每进行四次转换，INT 引脚就会以 1µs 脉冲持续时间置位，以指示 FIFO 已满 8.4.3 照度范围选择 OPT4001-Q1 具有自动满量程设置模式，无需预测和设置器件的合适范围。将 RANGE 寄存器设置为 0xC 可进入 该模式。该器件根据当前光照条件和先前测量值的组合来确定进行测量的合适满量程。 如果测量值接近满量程的下限，则下一次测量的满量程范围会减少一级或两级设置。如果测量值接近满量程的上 限，则下一次测量的满量程范围会增加一级设置。 如果由于光学瞬态事件快速增加而导致测量值超出满量程，则中止当前测量。不报告该无效测量值。如果量程未 达到最大值，则器件会将量程增加一级，并使用该量程重新进行测量。因此，在这种模式下快速增加的光学瞬态 期间，完成和报告测量所需的时间可能比 CONVERSION_TIME 配置寄存器指示的时间更长。 强烈建议使用该特性，因为器件会根据照明条件选择合适的范围设置。但是，可以选择手动设置范围。手动设置 范围会关闭自动满量程选择逻辑，并且器件会在特定的范围设置下运行。表 8-3 列出了范围选择设置。 表 8-3. 范围选择表 RANGE 寄存器设置 16 典型满量程照度级别 0 419lux 1 839lux 2 1678lux 3 3355lux 4 6711lux 5 13422lux 6 26844lux 7 53687lux 8 107374lux 12 由自动满量程逻辑确定 Submit Document Feedback Copyright © 2023 Texas Instruments Incorporated Product Folder Links: OPT4001-Q1 English Data Sheet: SBOSA93 OPT4001-Q1 www.ti.com.cn ZHCSOP9A – MAY 2023 – REVISED JULY 2023 8.4.4 选择转换时间 如表 8-4 所示，OPT4001-Q1 提供多个可选转换时间。转换时间定义为一次测量从启动到完成所花费的时间，包 括更新输出寄存器中的结果所花费的时间。测量启动由运行模式决定，如运行模式 部分中指定。 表 8-4. 转换时间选择 CONVERSION_TIME 寄存器 典型转换时间 0 0.6ms 1 1ms 2 1.8ms 3 3.4ms 4 6.5ms 5 12.7ms 6 25ms 7 50ms 8 100ms 9 200ms 10 400ms 11 800ms 8.4.5 照度测量（以 lux 为单位） OPT4001-Q1 测量照度并使用比例 ADC 代码更新输出寄存器。器件的输出由两部分表示：4 个 EXPONENT 寄存 器位和 20 个 MANTISSA 位。这种二进制对数满量程的排列方式在一定范围内具有线性表示，有助于覆盖较大的 动态测量范围。MANTISSA 表示在给定满量程内与测量的照度成正比的线性 ADC 代码，而 EXPONENT 表示当 前所选的满量程。所选范围可以通过自动范围选择逻辑自动确定，也可以根据 表 8-3 手动选择。 可以使用以下公式来确定照度级别。首先，使用方程式 1 或方程式 2 计算 MANTISSA。接下来，使用方程式 3 或 方程式 4 计算 ADC_CODES。最后，使用方程式 5 计算照度。 MANTISSA = (RESULT_MSB