深度剖析DLP2010LC數(shù)字微鏡器件：特性、應(yīng)用與設(shè)計要點

在當(dāng)今的電子科技領(lǐng)域，數(shù)字微鏡器件（DMD）憑借其獨特的優(yōu)勢，在眾多應(yīng)用場景中發(fā)揮著重要作用。本文將深入剖析DLP2010LC數(shù)字微鏡器件，探討其特性、應(yīng)用以及設(shè)計過程中的關(guān)鍵要點。

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一、DLP2010LC器件概述

DLP2010LC是一款數(shù)控微光機電系統(tǒng)（MOEMS）空間照明調(diào)制器（SLM），具有緊湊的物理尺寸和低功耗的特點，非常適合用于便攜式設(shè)備。它是由DLP2010LC DMD、DLPC3470控制器和DLPA200x/DLPA3000驅(qū)動器所組成的芯片組的一個組件，當(dāng)與適當(dāng)?shù)?a target="_blank">光學(xué)系統(tǒng)配合使用時，可顯示圖像、視頻和圖案。

（一）特性亮點

1. 微鏡陣列參數(shù)：采用0.2英寸（5.29mm）對角線微鏡陣列，在正交布局中顯示854 × 480像素陣列，微鏡間距為5.4微米，微鏡傾斜度為±17°（相對于平坦表面），側(cè)面照明設(shè)計實現(xiàn)了最優(yōu)的效率和光學(xué)引擎尺寸，且采用偏振無關(guān)型鋁微鏡表面。
2. 數(shù)據(jù)輸入接口：配備4位SubLVDS輸入數(shù)據(jù)總線，專用的DLPC3470顯示和光控制器以及DLPA200x/ DLPA3000 PMIC和LED驅(qū)動器確保了器件的可靠運行。

（二）封裝信息

器件型號為DLP2010LC，封裝為FQJ(40)，封裝尺寸標(biāo)稱值為15.9mmx5.3mm。如需了解所有可用封裝，可參閱數(shù)據(jù)表末尾的可訂購產(chǎn)品附錄。

二、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域

DLP2010LC的應(yīng)用范圍十分廣泛，涵蓋了集成顯示、3D深度捕捉、3D機器視覺、3D生物識別以及曝光等多個領(lǐng)域。

（一）集成顯示與3D深度捕捉

可應(yīng)用于智能手機、平板電腦、筆記本電腦、攝像機等設(shè)備，以及電池供電的移動式附件。在3D深度捕捉方面，可用于3D相機、3D重建、AR/VR、牙科掃描儀等。

（二）3D機器視覺與生物識別

在3D機器視覺領(lǐng)域，可用于機器人學(xué)、計量學(xué)、直列式檢測（AOI）等；在3D生物識別方面，可實現(xiàn)人臉和指紋識別。

（三）曝光應(yīng)用

可用于3D打印機、可編程空間和時間曝光等。

三、關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)

（一）絕對最大額定值

操作超出絕對最大額定值可能會導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞，在設(shè)計時必須嚴(yán)格遵循相關(guān)參數(shù)限制，如電壓、溫度等參數(shù)的最大和最小值。

（二）存儲條件

DMD作為組件或在系統(tǒng)中不工作時，存儲溫度范圍為 -40°C至85°C，平均露點溫度（非冷凝）不超過24°C，在28°C至36°C的升高露點溫度范圍內(nèi)的累積時間不超過6個月。

（三）ESD額定值

靜電放電（ESD）方面，人體模型（HBM）的額定值為±2000V，在操作過程中需注意靜電防護，避免器件受到損壞。

（四）推薦工作條件

包括電源電壓范圍、時鐘頻率、SubLVDS接口參數(shù)、環(huán)境溫度和光照等方面的要求。例如，VDD和VDDI的電源電壓范圍為1.65V至1.95V，時鐘頻率方面，低速接口LS_CLK為108MHz至120MHz，高速接口DCLK為300MHz至600MHz。同時，要注意光照功率在不同波長范圍內(nèi)的限制，如波長 <410nm時，光照功率不超過10mW/cm2。

（五）熱信息

DMD的熱阻為7.9°C/W，設(shè)計冷卻系統(tǒng)時必須確保能夠?qū)⒎庋b保持在推薦工作條件規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，以保證器件的可靠性。

（六）電氣特性

包括不同電源的電流和功率消耗等參數(shù)。例如，VDD在1.95V時，供應(yīng)電流最大為34.7mA；在1.8V時，典型值為27.5mA。

（七）定時要求

對LPSDR和SubLVDS接口的上升和下降斜率、周期時間、脈沖持續(xù)時間、建立時間和保持時間等都有明確的要求，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和處理。

（八）開關(guān)特性

輸出傳播時間、斜率和輸出占空比失真等參數(shù)也需要在設(shè)計中予以考慮，以保證器件的正常工作。

（九）系統(tǒng)安裝接口負(fù)載

系統(tǒng)安裝接口負(fù)載方面，連接器面積和最大系統(tǒng)安裝接口負(fù)載有相應(yīng)的限制，如最大系統(tǒng)安裝接口負(fù)載為100N。

（十）微鏡陣列物理和光學(xué)特性

微鏡陣列的物理特性包括活動列數(shù)、行數(shù)、間距、寬度、高度和活動邊界等參數(shù)；光學(xué)特性包括微鏡傾斜角度、傾斜角度公差、傾斜方向、交叉時間、切換時間以及圖像性能等方面的要求。例如，微鏡傾斜角度為17°，傾斜角度公差為 -1.4°至1.4°。

（十一）窗口特性

窗口材料為Corning Eagle XG，在特定波長范圍內(nèi)的透過率有一定要求，如在420至680nm波長范圍內(nèi)，單通透過率最小為97%。同時，要注意照明過填充的問題，照明光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計為限制入射到窗口孔徑外的光通量不超過有效區(qū)域平均通量水平的10%。

（十二）芯片組組件使用規(guī)范

DLP2010LC必須與適用的DLP芯片組的其他組件（如DLPC3470控制器和DLPA200x/DLPA3000 PMIC和LED驅(qū)動器）配合使用，以確?？煽康墓δ芎筒僮?。

（十三）軟件要求

該DMD有強制性的軟件要求，必須參考相關(guān)應(yīng)用報告使用指定的軟件，否則可能導(dǎo)致上電失敗。

四、詳細(xì)功能描述

（一）功能框圖

DLP2010LC的功能框圖展示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各部分之間的連接關(guān)系，雖然文檔中未詳細(xì)展示，但在設(shè)計過程中可以作為參考，了解信號的流向和處理過程。

（二）特性描述

1. 電源接口：電源管理組件DLPA200x/DLPA3000為DMD復(fù)位電路提供VBIAS、VRESET和VOFFSET三個穩(wěn)壓直流電源，同時為DLPC3470控制器提供兩個穩(wěn)壓直流電源。
2. 低速接口：低速接口負(fù)責(zé)處理配置DMD和控制復(fù)位操作的指令，LS_CLK為低速時鐘，LS_WDATA為低速數(shù)據(jù)輸入。
3. 高速接口：高速接口的目的是快速高效地傳輸像素數(shù)據(jù)，采用差分SubLVDS接收器輸入和專用時鐘，利用高速DDR傳輸和壓縮技術(shù)節(jié)省功率和時間。
4. 定時：數(shù)據(jù)手冊提供了器件引腳的定時測試結(jié)果，但在進行輸出定時分析時，需要考慮測試儀引腳電子設(shè)備及其傳輸線效應(yīng)。建議系統(tǒng)設(shè)計人員使用IBIS或其他仿真工具將定時參考負(fù)載與系統(tǒng)環(huán)境進行關(guān)聯(lián)。

（三）設(shè)備功能模式

DMD的功能模式由DLPC3470控制器控制，詳細(xì)信息可參考DLPC3470控制器數(shù)據(jù)手冊或聯(lián)系TI應(yīng)用工程師。

（四）光學(xué)接口和系統(tǒng)圖像質(zhì)量考慮

TI對超出之前描述的光學(xué)系統(tǒng)操作條件導(dǎo)致的圖像質(zhì)量問題或DMD故障不承擔(dān)責(zé)任。在設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)時，需要在眾多組件和系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)之間進行權(quán)衡，以實現(xiàn)所需的終端設(shè)備光學(xué)性能和圖像質(zhì)量。例如，要確保照明和投影光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑不超過標(biāo)稱的微鏡傾斜角度，避免出現(xiàn)對比度下降和圖像偽像等問題。

（五）微鏡陣列溫度計算

微鏡陣列溫度無法直接測量，需要通過測量封裝外部的參考點溫度、封裝熱阻、電功率和照明熱負(fù)載等參數(shù)進行解析計算。相關(guān)計算公式為：$T{ARRAY }=T{CERAMIIC }+left(Q{ARRAY } × R{ARRAY-TO-CERAMIC }right)$ ，$Q{ARRAY }=Q{ELECTRICAL }+Q{ILLUMINATION }$ ，其中$Q{ILLUMINATION }=（DMD平均熱吸收率 × Q_{INCIDENT}）$ ，DMD平均熱吸收率為0.4，標(biāo)稱電功率為0.07W。

（六）微鏡功率密度計算

通過測量總?cè)肷涔夤β省⒄彰鬟^填充百分比、有效陣列面積以及不同波長波段的光譜功率比等參數(shù)，可以計算出不同波長波段的照明光功率密度。計算公式為：$ILL {UV}=left[OP{UV-RATIO } × Q{INCIDENT }right] × 1000 ÷ A{ILL}$ ，$ILL {VIS}=left[OP{VIS-RATIO } × Q{INCIDENT }right] ÷ A{ILL}$ 等。

（七）微鏡著陸/離陸占空比

1. 定義：微鏡著陸/離陸占空比表示單個微鏡處于ON狀態(tài)的時間百分比與處于OFF狀態(tài)的時間百分比。例如，75/25表示微鏡在ON狀態(tài)的時間占75%，在OFF狀態(tài)的時間占25%。
2. 與DMD使用壽命的關(guān)系：長期使DMD的微鏡陣列處于不對稱的著陸占空比狀態(tài)會降低DMD的使用壽命，因此了解終端產(chǎn)品或應(yīng)用的長期平均著陸占空比非常重要。
3. 與DMD工作溫度的關(guān)系：工作溫度和著陸占空比相互作用影響DMD的使用壽命，可以通過調(diào)整這兩個因素來減少不對稱著陸占空比對DMD使用壽命的影響。
4. 估算方法：可以根據(jù)圖像內(nèi)容、顏色強度、顏色周期時間以及圖像處理器算法等因素來估算微鏡的著陸占空比。例如，在簡單情況下，顯示純白色時像素接近100/0的著陸占空比，顯示純黑色時接近0/100的著陸占空比；對于全彩色像素，需要考慮紅、綠、藍顏色周期時間和顏色強度等因素。

五、應(yīng)用與實現(xiàn)案例

（一）應(yīng)用信息

DMD作為空間光調(diào)制器，其應(yīng)用主要取決于系統(tǒng)的光學(xué)架構(gòu)和輸入到DLPC3470控制器的數(shù)據(jù)格式。新的側(cè)照式高傾斜像素提高了亮度性能，適用于對厚度有嚴(yán)格要求的應(yīng)用。DMD的上電和斷電順序由DLPA200x/DLPA3000嚴(yán)格控制，只有與DLPC3470控制器和DLPA200x/DLPA3000 PMIC/LED驅(qū)動器配合使用時，DLP2010LC DMD的可靠性才能得到保證。

（二）典型應(yīng)用 - 圖案投影儀

1. 設(shè)計要求：除了芯片組中的三個DLP設(shè)備外，還需要一個閃存設(shè)備來存儲控制DLPC3470的軟件和固件。通常使用紅、綠、藍LED提供照明光，這些LED可以采用單獨封裝或多色LED芯片封裝在同一封裝中以減小體積。DLPC3470通過并行接口接收圖像，同時使用$I^{2}C$接口接收主機處理器的命令。對于DLPA200x，投影儀外部僅需要電池（SYSPWR）和一個穩(wěn)壓1.8V電源；DLPA3000則可以自行提供1.8V電源，無需外部調(diào)節(jié)器。
2. 詳細(xì)設(shè)計步驟：連接DLPC3470、DLPA200x/DLPA3000和DMD時，可參考參考設(shè)計原理圖。光學(xué)引擎通常由專門設(shè)計DLP投影儀光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)OEM提供，還可以選擇添加微型步進電機實現(xiàn)電動聚焦，由DLPA200x/DLPA3000直接控制和驅(qū)動電機，并通過$I^{2}C$向DLPC3470發(fā)送軟件命令來控制電機位置。
3. 應(yīng)用曲線：該設(shè)備通過時間順序驅(qū)動LED電流，隨著紅、綠、藍LED電流的增加，投影儀的亮度也會增加，但這種增加是非線性的，典型白色屏幕流明與LED電流的關(guān)系曲線如圖8 - 1所示。

六、電源供應(yīng)建議

（一）所需電源

操作DMD需要VSS、VBIAS、VDD、VDDI、VOFFSET和VRESET等電源，且DLPAxxxx設(shè)備嚴(yán)格控制DMD的上電和斷電順序。

（二）上電過程

在電源上電序列中，VDD和VDDI必須先啟動并穩(wěn)定，然后再向DMD施加VOFFSET、VBIAS和VRESET電壓。同時，要確保VBIAS和VOFFSET之間的電壓差在推薦工作條件規(guī)定的范圍內(nèi)。在電源上電序列中，LPSDR輸入引腳在VDD/VDDI達到推薦工作條件規(guī)定的工作電壓并穩(wěn)定之前不得驅(qū)動為高電平。

（三）斷電過程

斷電序列與上電序列相反，VDD和VDDI必須在VBIAS、VRESET和VOFFSET放電至距地4V以內(nèi)后才能停止供電。同樣，要保證VBIAS和VOFFSET之間的電壓差在規(guī)定范圍內(nèi)。在斷電序列中，LPSDR輸入引腳的電壓必須低于推薦工作條件規(guī)定的VDD/VDDI電壓。

（四）電源供應(yīng)順序要求

VBIAS、VDD、VDDI、VOFFSET和VRESET電源在上電和斷電操作期間必須協(xié)調(diào)一致，任何不符合要求的情況都會顯著降低DMD的可靠性和使用壽命。同時，要注意VBIAS和VRESET之間的電壓差也必須在推薦工作條件規(guī)定的范圍內(nèi)。

七、布局設(shè)計要點

（一）布局指南

在大多數(shù)情況下，DMD通過板對板連接器連接到柔性電纜，柔性電纜提供DLPC3470控制器和DLP2010LC DMD之間的數(shù)據(jù)和控制信號接口。布局時需要遵循以下指南：匹配LS_WDATA和LS_CLK信號的長度；盡量減少高速總線信號的過孔、層變化和轉(zhuǎn)彎；在VBIAS、VRST、VOFS、VDDI和VDD引腳附近分別放置適當(dāng)容量的去耦電容，以滿足DMD的紋波要求。

（二）布局示例

文檔中提供了高速總線連接和電源供應(yīng)連接的布局示例圖，可作為實際設(shè)計的參考。

八、設(shè)備和文檔支持

（一）設(shè)備支持

包括第三方產(chǎn)品免責(zé)聲明、設(shè)備命名規(guī)則和設(shè)備標(biāo)記等信息。TI對第三方產(chǎn)品或服務(wù)的信息不承擔(dān)認(rèn)可責(zé)任，設(shè)備標(biāo)記包含批次追蹤代碼和編碼的設(shè)備部件號。

（二）相關(guān)鏈接

提供了技術(shù)文檔、支持和社區(qū)資源、工具和軟件以及樣品購買等方面的快速訪問鏈接，方便用戶獲取相關(guān)信息。

（三）接收文檔更新通知

用戶可以導(dǎo)航至ti.com上的器件產(chǎn)品文件夾，點擊訂閱更新進行注冊，每周接收產(chǎn)品信息更改摘要，并查看修訂歷史記錄了解詳細(xì)更改信息。

（四）支持資源

TI E2E?支持論壇是工程師獲取快速、經(jīng)過驗證的解答和設(shè)計幫助的重要參考資料。

（五）商標(biāo)信息

Pico?、IntelliBright?和TI E2E?是德州儀器的商標(biāo)，DLP?是德州儀器的注冊商標(biāo)。

（六）靜電放電警告

靜電放電（ESD）可能會損壞集成電路，在處理和安裝過程中必須采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，避免器件受到損壞。

（七）術(shù)語表

TI術(shù)語表列出并解釋了相關(guān)術(shù)語、首字母縮略詞和定義，方便用戶理解文檔中的專業(yè)術(shù)語。

九、機械、包裝和可訂購信息

文檔提供了DLP2010LC的機械、包裝和可訂購信息，包括不同包裝選項的詳細(xì)參數(shù)，如封裝類型、引腳數(shù)、每包數(shù)量、載體類型、RoHS合規(guī)性、工作溫度范圍、部件標(biāo)記等。同時，還提供了包裝材料的相關(guān)信息，如托盤尺寸和引腳方向等。

綜上所述，DLP2010LC數(shù)字微鏡器件具有諸多優(yōu)異特性和廣泛的應(yīng)用前景，但在設(shè)計和使用過程中需要嚴(yán)格遵循其規(guī)格參數(shù)和相關(guān)要求，特別是在電源供應(yīng)、布局設(shè)計和熱管理等方面，以確保器件的可靠性和性能。希望本文能夠為電子工程師在使用DLP2010LC進行設(shè)計時提供有價值的參考。大家在實際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。