霍尔位置传感器应用概述

[音乐播放] 你好。 我的名字是Manny Soltero。 今天，我将向大家介绍 来自德州仪器公司的 创新霍尔效应位置传感器解决方案。 本演讲的目的是提供 霍尔传感的基础知识，展示示例， 并以您可以通过ti.com获得的解决方案作为结尾。 高级的霍尔传感器让我们 可以把这些分成几个类别。 第一个是绝对位置测量 在线性和角运动，使用我们的线性霍尔传感器。 第二种方法是使用 霍尔效应开关，根据预先设定的磁铁操作 和释放阈值 检测磁场。 最后，但同样重要的是， 旋转传感，其中包括 旋转编码和电机换向 使用我们的霍尔门闩。 正如我们已经讨论过的，霍尔传感器 可以检测磁场的存在， 并可用于各种应用。 霍尔效应是导体 与导体中的电流和垂直于电流的 外加磁场之间的 电压差的产生。 1879年，埃德温·霍尔发现了这种效应， 并以他的名字命名。 当磁场增加时，这可以 通过使磁铁靠近霍尔元件来实现， 霍尔电压也会增加。 德州仪器公司开发的霍尔传感器 内置霍尔元件和额外的信号调理电路， 以确保设备输出的电压正常-- 通常介于1.65和5.5伏特之间。 霍尔效应开关是提供的最简单的产品， 因为它们只响应磁场密度， 而不是一个确定的磁阈值。 单极开关对南磁极有响应， 而全极性解决方案对南北都有响应。 对南北都有响应。 锁存器是类似的，除了它们保持以前的状态， 直到检测到相反极性的磁拉力。 这个函数在需要测量的旋转应用程序中 非常有用。 注意开关和锁存器都有一个固有的滞后， 这意味着输出状态不会 在相同的磁阈值下开关， 因为磁场随传感器而变化。 这种滞后现象定义为 磁场作业点--B OP-- 与磁场释放点B RP-- 之间的差。 线性器件输出 与磁通密度成正比的信号，由传感器测量。 模拟和数字解决方案可从TI获得。 德州仪器公司为近距离探测、 旋转传感和绝对位置应用 提供了很好的产品选择。 左边显示了第一代 DRV5013、DRV5023和DRV5033锁存器和开关 以及DRV5053线性解决方案， 它们能够在38伏的电压下工作， 具有高达3万赫兹的高带宽规格。 第二代设备有各种选择 可供选择范围从低功耗，高带宽， 低压操作，以及，非常重要的是，成本低， 如底部右测所示。 DRV5055、DRV5056和DRV5057线性解 取决于所选的解决方案， 将同时响应磁极或仅响应南极， 并具有模拟电压输出或数字PWM输出。 DRV5055和DRV5056提供比值电压输出， 允许与ADC无缝连接。 数字PWM对于远距离传输数据 很有用。 霍尔效应器件主要分为 分立元件和集成电路两大类。 从左边的离散元素开始， 这些必须有一定的电流偏置。 等效电路基本上是一个电阻， 当磁场存在时，在另外两个端子上 形成一个差动电压。 离散元件的主要优点是成本低， 但也需要外部信号调理。 它们的特性随温度变化 也很大，元件容易损坏。 另一方面，集成电路有一个霍尔元件， 与数千个晶体管集成， 处理所有模拟信号调理。 这些设备非常坚固和可靠。 例如，如前所述， TI公司的霍尔传感器IC 支持2.5伏特到38伏特的电压范围， 而且它们还能承受负22伏的电压， 这是汽车的反向电池保护。 而且，在不同温度下的性能是非常一致的。 在集成电路中，有许多不同种类的设备， 包括模拟输出和数字输出的设备、 串行接口的设备-- 如I²C-- 和低功耗模式的设备。 典型的霍尔元件用例是在电机驱动应用中， 其中信号调理可能已经嵌入到 电机驱动电路中，如图中所示。 在这种情况下，信号不需要 长途传输， 性能要求也不高。 对于这种特殊的应用，霍尔元件可能是合适的。 然而，也有一些情况下，电机驱动器没有额外的 放大器用于信号调理， 并且从电机到电机驱动器电路的 距离较长。 对于这种应用，霍尔传感器是完美的。 霍尔传感器通常以 行业标准的SOT-23和TO-92封装形式提供。 大多数霍尔传感器 对垂直于封装表面的磁场很敏感。 一旦焊接到PCB上，这两个封装 提供两个不同的传感方向。 为了进一步说明这一点，我展示了一个 带有正确磁铁方法的表面安装包， 用于传感器检测磁场。 还显示了不正确的方法。 注意，在正确的实例化中， 磁场总是垂直于包装。 首先，在霍尔效应的应用中， 磁铁附着在移动的物体上， 而移动是根据 霍尔电压感知的。 每个磁铁都有两个磁极 -- 北方和南方 -- 创建一个磁场，如图所示。 最常见的三种永磁体 是由铁、镍和钴制成的 铁磁性元素。市场上最常见的永磁材料 是钕铁硼、铁氧体、 铝镍钴、钐钴。 钕因其最高的磁通密度 和抗退磁能力而闻名。 铁氧体以低成本著称， 但它们的磁性较弱。 铝镍钴合金具有广泛的用途 和良好的温度一致性。 钐钴是最类似于钕， 但它有更好的温度一致性 并支持更高的温度。 随着温度的升高，所有这些材料的 磁通密度都会降低。 给出了每一种材料的近似位移。 如果温度过高，所有磁铁 都会在某一时刻退磁。 到目前为止，最受欢迎的类型是钕磁铁。 TI在它的许多产品中 都包含了这种特殊磁铁的温度补偿， 以提供更精确的温度测量。 另一项相当普遍的竞争技术 是Reed开关。 如图所示，Reed开关是 响应平行磁场的简单器件。 由于没有磁场存在， Reed开关的 一端与另一端之间没有连接。 一旦磁铁靠近Reed开关， 内部触点就会接触 并连接设备的两侧。 在决定使用 Reed开关还是霍尔传感器时，有许多因素需要考虑， 在做出最终决定之前，必须权衡这些因素。 其中，必须考虑磁铁的方向、磁滞、 响应时间、冲击敏感性、 装配过程，当然， 还有价格。 该表显示了一个粗略的样本比较 在这些相互竞争的技术之间。 准确的性能必须通过 查看制造商的规格来验证。 Reed开关的一个典型应用是用于 安全市场的门窗传感器。 低功耗运行、磁灵敏度、 相对于传感器的磁定向 和系统总成本是关键问题。 一个系统的解决方案可以通过 霍尔传感器的实施来实现。 霍尔传感器有很多用例。 在这里以及后面的幻灯片中，我将展示各种示例。 在左边，我展示了一个用于建筑自动化的 门窗传感器。 如前所述，Reed开关被广泛使用。 但是一个好的低功率霍尔传感开关， 比如DRV5032，是一个很好的替代方案 在这个最终产品中，一个开关 可以用来检测嵌入在门或窗中的磁铁， 而第二个窗口传感器可以用来 检测篡改，以防潜在的小偷 试图通过使用外部磁铁使系统失效 而非法进入你家。 另一个例子是用于住宅门铃 或商业烟雾探测器的底盘检测。 如果有人试图将盖子从底座上取下， 一个开关，比如DRV5032，是一个很好的检测方法。 注意，TIDA零件编号是TI参考设计， 在各自的应用程序中显示这些产品。 更多信息请访问ti.com。 带有无线功能的门锁 可以通知用户门实际上已经锁上， 可以通过霍尔感应锁如DRV5013来实现。 低功耗是必不可少的电池供电的应用程序。 如右图所示，烟雾探测器 利用霍尔开关，以避免 爬上梯子和按下自检按钮。 相反，一个磁铁放置在延长线末端， 可以用来绊倒一个磁性开关， 并迅速将其设置为此模式。 E-meter使用霍尔传感器 已经有一段时间了，原因有几个。 第一个是检测该案件是否已被移除。 TIDA参考设计有多个霍尔效应开关， 以获得更强大的解决方案。 应用霍尔传感器的另一个原因 是防止窃电。 巨大的外部磁铁会使电能表失效， 使它无法测量 流过电能表的电流。 有了线性霍尔传感器，如DRV5056， 如果一个大的磁场使该设备饱和， MCU将被警告可能有恶意操作。 在左边是一个BLDC电机 与传统的三锁存器实施。 在这个应用程序中 使用了三个锁存器来检测 电机旋转时线圈产生的磁场。 在电机中有三个锁存器， 就产生了六个独特的位置，电机控制器 可以根据这些信息非常精确地 确定速度、位置和方向。 有多种TI参考设计使用这种技术。 对于旋转编码的目的，如果只需要 转速和电机的位置，那么两个锁存器 就足以推导出这点。 为了获得更高的分辨率， 可以使用两个线性霍尔传感器。 这里，我将展示霍尔效应开关的 其他常见应用， 从工业市场上的家用电器到流量计， 再到汽车上的刹车踏板和凸轮轴。 希望你们现在能看到 霍尔传感器的可怕的用途。 我打赌你能想到更多。 接下来，让我们看看我们可能有用于 霍尔传感器和TI参考设计展示这些产品的工具。 EVMs，或评估模块， 允许用户测试我们霍尔传感器的 性能。 DRV5055有一个用于高精度角度测量的 角度EVM，还有一个 显示其测量磁场的 输出电压代表。 为了显示DRV5032的低功耗运行， TI公司开发了一种利用小型太阳能电池板 作为电源的EVM。 EVM有一个内置的LED， 当磁场穿过操作点到达阈值时， LED就会闪烁。 其他EVMs也可用，下面还显示了另外两个EVMs。 我们经常被问到如何确定 传感器的距离 与磁通密度的关系。 换句话说，传感器要到多远 才能探测到磁场的存在？ 可以使用多种方法， 包括查看磁体数据表、 使用仿真工具，如FEMM， 甚至使用昂贵的设备。 为了让这更简单， TI开发了一个在线磁场计算器。 可以修改多个输入字段， 如磁铁的类型和大小， 从而为各种霍尔传感器 提供最佳距离。 在ti.com的相应设备的工具文件夹中 查找此工具。 这将需要太长时间通过详细的 TI参考设计使用我们的霍尔传感器。 但这里有一个 DRV5013的快照。 正如我之前所说，DRV5013 是一种用于无刷直流电动机等 应用场合的霍尔锁存器。 更多信息请访问ti.com/product/d rv5013/toolssoftward 或 ti.com/product/drv5013 q1/toolssoftward。 这些TI参考设计在各种应用中 使用了DRV5023和DRV5033。 更多信息，请访问 ti.com/product/d rv5023/toolssoftware 或 drv5023-q1 和 DRV5033。 更多的TI参考了DRV5053 在各种应用中的设计。 更多信息，请访问 ti.com/product/d rv5053/toolssoftward 或者DRV5053-q1。 最后，本TI参考设计 利用DRV5055进行旋钮测量。 更多信息，请访问 ti.com/product/drv5055 q1/toolssoftward。 希望大家喜欢TI 关于霍尔传感器的演讲。 请浏览我们的网页 ti.com/halleffect。