CXHA31138 红外光数字转换器
集成 940nm VCSEL | I²C 接口 | 可编程 VCSEL 电流 | 接近检测 | Class 1 激光安全

产品版本：Rev 1.0 | 更新日期：2026年5月 | 型号：CXHA31138 | 封装：微型光学模块

嘉泰姆电子（JTM-IC）推出的CXHA31138是一款红外光数字转换器，单片集成了 940nm VCSEL（垂直腔面发射激光器）、光电二极管、时序控制器和 ADC，通过 I²C 接口直接输出接近检测数字值。芯片支持 可编程 VCSEL 驱动电流（2mA 至 16mA）、脉冲宽度和计数选择，允许用户在功耗与检测距离间灵活权衡。内置环境光抑制和噪声消除方案，可在各种光照条件下稳定工作。该器件符合 IEC/EN 60825-1 Class 1 激光安全标准（包含单一故障条件），确保人眼安全。宽工作温度范围（-20℃ 至 85℃）并集成温度补偿和上电复位电路。采用无铅微型封装，CXHA31138 是 TWS 耳机、IoT 设备、平板电脑和可穿戴产品的理想接近检测解决方案。

1. 产品概述与市场定位

TWS 耳机、智能穿戴、IoT 传感器节点等设备需要小型化、低功耗、高可靠性的接近检测方案。CXHA31138 将 940nm VCSEL 发射器、接收光电二极管、模拟前端和数字逻辑全部集成于单一微型模块中，仅需极少数外部元件（I²C 上拉电阻和电源去耦电容）即可完成接近检测系统。其 VCSEL 驱动电流可编程（2mA~16mA），适配不同检测距离和功耗预算；内置的环境光抑制和噪声消除电路可在阳光直射或室内照明下稳定工作。该器件通过 IEC/EN 60825-1 Class 1 激光安全认证，满足消费电子产品的安全要求。芯片支持 3 种可选的 I²C 设备地址，便于在同一条 I²C 总线上挂载多个传感器。CXHA31138 为便携设备提供了高集成度、低功耗、高安全性的接近检测解决方案。

2. 主要特点与技术亮点

• 集成 940nm VCSEL 和驱动：无需外部 LED 和驱动电路，大幅减少 PCB 面积。
• 可编程 VCSEL 电流：2mA ~ 16mA 可调，灵活匹配不同应用场景。
• 可编程脉冲宽度和计数：优化功耗和信噪比。
• 全数字 I²C 控制：支持快速模式（高达 400kHz），提供 3 种可选 I²C 设备地址。
• 内置 ADC 和接近引擎：最高 12 位分辨率，直接输出数字接近值。
• 环境光抑制与噪声消除：自动消除环境光背景，抑制周期性环境噪声（如灯光频闪）。
• 宽范围偏移调整：补偿传感器内部杂散光反射导致的偏移。
• 符合 Class 1 激光安全：通过 IEC/EN 60825-1:2014 及 2007 认证（含单一故障），使用安全。
• 内置温度补偿和上电复位：保证全温度范围内的稳定性和可靠性。
• 宽工作温度范围：-20℃ 至 85℃，适合消费电子及工业环境。
• 超低功耗设计：适合电池供电设备。
• 无铅封装：RoHS 合规。

3. 引脚封装与模块占位图

CXHA31138 采用微型光学模块封装，内部集成 VCSEL 和光电二极管，外部提供 I²C 接口和电源引脚。主要引脚包括：VDD（电源）、GND、I²C_SCL/SDA、I²C 地址选择引脚（支持 3 种地址）、中断输出（可选）。模块顶部为光窗，用于发射和接收红外光。详细尺寸和引脚布局请参考数据手册。

4. 功能框图与典型应用电路占位

5. 极限参数与电气特性（设计参考）

6. 工作原理与关键技术深度解析

6.1 集成 VCSEL 与光学设计

CXHA31138 采用 940nm VCSEL 作为光源，相比传统红外 LED，VCSEL 具有单色性好、开关速度快、温度稳定性高等优势。内置 VCSEL 驱动器支持 2mA~16mA 电流可编程，并通过寄存器配置脉冲宽度和脉冲计数。用户可根据检测距离和功耗要求选择合适参数。芯片内部已进行光学隔离，外部只需在 PCB 上对应位置开窗即可。

6.2 环境光抑制与噪声消除

环境光（尤其是含红外成分的太阳光）会严重影响接近检测精度。CXHA31138 采用差分测量法：先在不发射 VCSEL 时采样环境光，再在 VCSEL 发射时采样总信号，两者相减得到纯净的反射信号。噪声消除方案通过数字滤波技术抑制 50/100Hz 等周期性环境噪声（如荧光灯、LED 频闪），提高检测稳定性。

6.3 可编程 VCSEL 驱动与功耗优化

用户可独立配置 VCSEL 电流（2-16mA）、脉冲宽度（典型 32μs~128μs）和每周期脉冲计数（1-255）。增大电流或增加脉冲数量可提高信噪比和检测距离，但会增加功耗；反之则降低功耗。结合检测周期设置（通过主控控制），可实现平均电流 <10μA 的超低功耗接近检测。

6.4 偏移调整与温度补偿

传感器内部可能存在杂散光反射，产生固定偏移。芯片提供宽范围偏移寄存器，用户可通过实测空闲时的读数，写入偏移值进行数字补偿，将基线归零。内置温度补偿电路自动调整 VCSEL 效率和光电二极管响应随温度的变化，保证全温度范围检测阈值稳定。

6.5 Class 1 激光安全认证

CXHA31138 设计符合 IEC/EN 60825-1 标准，包括单一故障条件下的发射限制。VCSEL 发射的光功率被限制在人眼安全范围内，无需额外的安全联锁装置，可放心用于消费电子产品。

7. 基于 CXHA31138 的 TWS 耳机入耳检测设计实例

设计目标：TWS 耳机入耳/离耳检测，检测周期 100ms，平均功耗 <15μA，支持 I²C 中断上报。

• 硬件连接：模块 VDD 接 3.0V LDO，SCL/SDA 上拉至 3.0V，ADDR 引脚接 GND 选择地址 0x38。INT 接 MCU 中断输入。光窗对准耳机入耳方向。
• 寄存器配置：设置 VCSEL 电流为 8mA，脉冲宽度 64μs，脉冲计数 8 次；ADC 分辨率 12 位；检测周期由 MCU 定时器触发单次测量（或使用芯片内部周期模式）。
• 阈值设置：无佩戴时读取基线（约 50~100），设置下降沿阈值（如 30）和上升沿阈值（如 200）。佩戴后接近值上升至 800~1500，触发中断。
• 中断处理：MCU 检测到 INT 拉低后，读取接近值寄存器，判断入耳/离耳状态，清除中断标志。
• 功耗验证：实测 100ms 周期内活动时间 <1ms，平均电流约 12μA，睡眠模式 <1μA。
• 激光安全：模块符合 Class 1 标准，无需额外安全措施。

实测数据：检测距离（对皮肤）1-8cm 有效，入耳/离耳准确率 >98%，抗阳光干扰能力良好，适合主流 TWS 耳机设计。

8. PCB 布局与光路设计建议

• 光路隔离：模块光窗上方无遮挡，PCB 对应位置开窗；使用黑色泡棉或挡墙隔离发射和接收光路，防止表面反射串扰。
• 电源去耦：VDD 引脚附近放置 4.7μF 和 0.1μF 陶瓷电容，尽量靠近模块。
• I²C 走线：SCL/SDA 上拉电阻靠近模块，走线尽量短，避免与高频信号并行。地址选择引脚接 VDD 或 GND 应可靠连接。
• 地平面：模块下方地平面完整，但光窗下方禁止铺铜（避免反射干扰）。
• 机械设计：设备外壳在模块对应位置设计透明或开窗区域，并保持与皮肤良好接触距离。
• ESD 保护：如外壳开窗可能引入 ESD，可在 I²C 线路上串联 100Ω 电阻并加 TVS 管到地。
• 生产校准：建议在产线上读取无佩戴时的偏移值并写入寄存器，消除模块个体差异。

9. 订购信息与技术支持

CXHA31138 采用微型光学模块封装，无铅，RoHS 合规。嘉泰姆电子提供工程样品、量产芯片及全面的技术支持，包括评估板、参考代码、光路设计服务、校准工具和 FAE 现场支持。