CXHA31137 微型光学接近传感器
集成 940nm VCSEL | 总活动电流 <10μA@100ms | 16位ADC | 环境光自动消除

产品版本：Rev 1.0 | 更新日期：2026年5月 | 型号：CXHA31137 | 封装：微型光学模块

嘉泰姆电子（JTM-IC）推出的CXHA31137是一款先进的微型光学光数字转换器，单片集成了接近传感器和 940nm 红外 VCSEL（垂直腔面发射激光器），无需外部 LED 和驱动电路，显著减少占板面积。芯片内置光电二极管、时序控制器和 16 位 ADC，可直接输出数字接近值。其超低功耗特性（总活动电流 <10μA @ 100ms 检测周期，空闲/睡眠模式 0.7μA）使其成为电池供电的可穿戴设备的理想选择。支持可编程 VCSEL 脉冲宽度和脉冲计数，提供灵活的功耗与性能平衡。内置环境光自动消除和噪声抑制方案，即使在强环境光下也能稳定工作。宽工作温度范围（-30℃~85℃）并集成温度补偿电路。采用专为小型穿戴设备优化的微型封装，CXHA31137 是 TWS 耳机入耳检测、智能眼镜佩戴检测、智能手表接近感应的首选方案。

1. 产品概述与市场定位

TWS 耳机、智能手表、智能眼镜等穿戴设备对接近传感器的尺寸、功耗和检测可靠性有着极高要求。传统方案需要分立红外 LED、光电二极管和模拟前端，占用 PCB 空间大且功耗较高。CXHA31137 将 940nm VCSEL 发射器、光电二极管接收器、时序控制器、ADC 和数字逻辑全部集成于单一微型模块中，仅需极少数外围元件即可完成光路设计和信号处理。其独特的自动环境光消除和噪声抑制电路，可在阳光直射或室内照明下准确识别物体靠近/远离。用户可通过 I²C 接口配置 VCSEL 脉冲宽度/计数、ADC 分辨率（最高 16 位），并设置上下阈值实现中断驱动的事件上报。芯片内置上电复位和温度补偿电路，保证全温度范围的一致性。CXHA31137 为新一代穿戴设备提供高集成度、超低功耗的接近检测方案。

2. 主要特点与技术亮点

• 单片集成 940nm VCSEL：内置 VCSEL 驱动，无需外部 LED 和驱动电路。
• 超低功耗：总活动电流 <10μA @ 100ms 检测周期（包含 VCSEL 电流），空闲/睡眠模式电流仅 0.7μA。
• 16 位 ADC 可选分辨率：提供高动态范围，适应不同反射率物体。
• 可编程 VCSEL 驱动：支持灵活设置脉冲宽度和脉冲计数，优化功耗和检测距离。
• 环境光自动消除：通过内置背景光抵消电路，提高信噪比，抗环境光能力强。
• 噪声抑制方案：有效抑制非期望的周期性环境噪声（如 LED 灯光频闪）。
• 偏移补偿：提供宽范围偏移调整，补偿因传感器内部光反射导致的误差。
• 中断驱动事件：接近结果超过上/下阈值时触发中断，无需 MCU 轮询。
• 宽工作温度范围：-30℃ 至 85℃，集成温度补偿电路，保证全温区稳定性。
• 1.8V 电源供电：支持 1.8V I²C 总线，兼容低功耗平台。
• 内置上电复位电路：确保可靠启动。
• 封装：专为小型可穿戴设备优化的无铅微型封装，RoHS 合规。

3. 引脚封装与模块占位图

CXHA31137 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（1.8V 电源）、GND、I²C_SCL/SDA、INT（中断输出）。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

CXHA31137 采用 940nm 垂直腔面发射激光器（VCSEL）作为光源，相比传统红外 LED，VCSEL 具有更窄的光谱宽度、更快的开关速度和更高的光电转换效率。内置驱动器支持可编程脉冲宽度和脉冲计数，用户可权衡功耗与信噪比。光路设计上，模块内部已对发射和接收通道进行光学隔离，外部只需在 PCB 上对应位置开窗或贴导光柱即可。

6.2 环境光自动消除与噪声抑制

环境光（包括阳光、室内灯光）会干扰接近检测。芯片采用差分检测法：先在不发射 VCSEL 时采样环境光信号，再在 VCSEL 发射期间采样总信号，两者相减得到纯粹的反射信号。该技术可消除直流背景光以及低频环境光变化。此外，噪声抑制电路可滤除 50/100Hz 等周期性环境噪声（如 LED 照明频闪）。

6.3 可编程 ADC 与阈值中断

16 位 Σ-Δ ADC 提供高分辨率，可检测微弱的反射信号。用户可选择 12/14/16 位模式以平衡功耗和精度。芯片内部数字比较器将测量值与预设的上/下阈值比较，当结果超出阈值范围时，INT 引脚拉低产生中断。MCU 响应中断后读取接近值并执行相应动作（如播放/暂停音乐）。无需轮询，进一步降低系统功耗。

6.4 偏移补偿与温度补偿

由于模块内部可能存在杂散光反射，即使没有外部物体，传感器也会输出一个偏移值。用户可通过写入偏移寄存器（宽范围可调）进行数字补偿，将空闲时读数归零。内置温度补偿电路可自动调整 VCSEL 效率和光电二极管响应随温度的变化，保证全温区检测阈值稳定。

6.5 超低功耗时序

芯片支持周期检测模式：MCU 通过 I²C 配置检测周期（如 100ms），芯片内部定时器自动唤醒，完成一次 VCSEL 发射和 ADC 转换，然后自动进入睡眠。总活动电流包含 VCSEL 脉冲电流（平均后很小）、模拟前端及数字逻辑功耗，典型值 <10μA（@100ms 周期），远优于传统分立方案。

7. 基于 CXHA31137 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，中断上报，平均功耗 <10μA。

• 硬件连接：模块 VDD 接 1.8V LDO，SCL/SDA 上拉至 1.8V，INT 接 MCU GPIO（中断输入）。模块光窗对准耳机入耳方向，与皮肤距离约 2-5mm。
• 寄存器配置：通过 I²C 设置 VCSEL 脉冲宽度为 32μs，脉冲计数为 8 次；ADC 分辨率 16 位；检测周期 100ms（内置定时器）。
• 阈值设置：无佩戴时读取基线偏移值（约 100~200），设置下限阈值（如 300）和上限阈值（如 20000）。佩戴后接近值上升至数千，触发中断。
• 中断处理：MCU 检测到 INT 拉低后，读取接近值寄存器，判断状态变化，执行入耳/离耳逻辑。清除中断标志。
• 功耗验证：实测总电流 8.5μA @100ms 周期（含 VCSEL），睡眠模式 0.7μA，满足 TWS 耳机续航要求。
• 环境光测试：在阳光直射（100k Lux）下，接近值偏移小于 10%，仍可准确检测。
• 温度补偿：内置温度补偿自动生效，无需用户干预。

实测数据：检测距离（对皮肤）0.5-8cm 有效，入耳/离耳判断准确率 >99%，抗阳光干扰能力优秀。推荐用于旗舰级 TWS 耳机。

8. PCB 布局与光路设计建议

• 光路隔离：确保模块光窗上方无遮挡，且在 PCB 上对应位置开窗；发射和接收之间应使用黑色泡棉或挡墙隔离，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：耳机外壳应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

CXHA31137 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。