霍尔效应磁传感器基础(下)

市场上主要有两种类别的霍尔效应器件 分立元件或 IC 分立元件必须使用一定量的电流偏置 等效电路基本上就是一个电阻 当存在磁场时 在另外两个端子上会形成差分电压 分立元件的主要优点是 它们成本低 但它们需要外部信号来调节 它们的温度特性也比较差 且分立器件很容易损坏 实际上在实验室中测试电机时 它们通常是第一个意外损坏的器件 而在另一方面 IC 它除了集成霍尔元件外 还集成了数千个晶体管 来处理和调节所有的模拟信号 这些器件具有令人难以置信的鲁棒性和可靠性 以 TI 的霍尔传感器 IC 来 为例 它支持 2.5V-38V 的 Vcc 电源电压工作范围 而且能够耐受达到-22V 这可以应对车辆中的反向电池保护要求 此外 IC 的温度一致性非常好 IC 也提供许多不同类型的器件供选择 包括具有模拟与数字输出的器件 具有串行接口的器件比如 I^2C 和具有低功耗工作模式的器件 霍尔效应数字开关是简单的三引脚器件 它们通长提供表面贴片和插脚封装 因为内部的霍尔元件感应垂直于封装的磁场 当它们被焊接到 PCB 时 插脚封装与表面贴片封装 具有不同的感应方向 此图显示了典型的数字化传感器电路 它由一个直流电源 旁路电容 和用于开漏极输出的上拉电阻所组成的 当磁体远离时 输出处于高阻态状态 当磁体不断接近 直到传感器处的磁通密度 超过 BOP 阈值时 输出低电平 霍尔传感器器件总是指定 BOP 切换阈值的范围 因为每个器件都有因半导体工艺 以及随温度和 Vcc 电压的一些变化 重要的是要考虑最小和最大可能的 BOP 最小表示最早可能的切换点 对于高可靠性的设计 重要的是超过最大的 BOP 以确保传感器总是能被触发 此图显示了霍尔效应开关的传递函数 一旦施加的磁通量密度超过 BOP 阈值 器件输出低电平 内置的迟滞 防止在阈值点上不必要的切换 霍尔效应开关型器件的 BRP 大于零 这意味着一旦磁体一开 传感器将返回到其关闭状态 并使输出变为高阻抗 霍尔效应锁存性器件具有负的 BRP 并且切换器件需要交换磁场的极性 这意味着需要交替的北极和南极 来切换锁存装置 开关型器件通常用于位置测量 限位开关和脉冲编码器 而锁存型器件则主要用于 无刷电流电机的传感器 和增量旋转编码器 对于大多数的工业设备 当南极接近器件的 顶部时的磁场被定义为正 从硅片的角度来看这意味着磁场线 是从底部穿过顶部 你必须留意到这一点 特别是如果你把器件 安装在 PCB 的相反的那一面 它必须要上下颠倒 单极性开关器件 只对磁场的某个方向作出反应 例如 如果使用 DRV5023 并将北极保持在器件的顶部 那么器件将忽略它 并始终使输出保持高阻抗 还有另一种器件全项开关 对两个方向的磁通做出反应 它的主要优点是简化了 磁体的装配过程 因为不需要识别南极或者北极 现在我将展示 TI 的一些参考设计实例 其中使用了霍尔效应开关型 或锁存型器件 这是一个完整的 3D 打印机控制器 三个 DRV5033 被用做移动组件的限位开关 接下来的是一个无刷直流电机设计 使用三个 DRV5013 霍尔锁存型器件来感测转子的方向 所有的设计文件都在 ti.com 在线发布 在这个设计中 控制电路板被安装在电机内部 你只需要在端子上施加一个电压 电机就会旋转 最后 这是增量式旋转编码器 它检测相对旋转运动 在旋钮上安装有一个磁体 它有南极和北极 在其附近有两个霍尔效应 所存型传感器 当磁体转动时 传感器仅通过简单的切换高和低 就能为处理器提供速度和方向信息 对于传感器的每个二位状态 在顺时针或逆时针旋转中 都只存在唯一的相邻二位状态 增量旋转编码也可以通过光学 或机械的方式来实现 使用磁性元件的主要优点是 其鲁棒性和高可靠性 传感器可以嵌入外壳内 并且与环境所隔离 因为磁场可以穿过大多数的材料 如果您想了解更多的相关信息 可以访问本幻灯片底部 所显示的链接上的博客 标准数字霍尔传感器具有高工作电压范围 至少10或 20kHz 的高感应带宽 以及几毫安的典型电流消耗 另一类不同 类型的器件支持低工作电压范围 具有低采样率 但仅消耗几个微安的电流 这些低功率传感器工作时 会定期进入休眠模式 然后重新唤醒来获取新的采样 每秒20个采样的样本 对于许多位置感应应用都足够了 而降低功耗对于 电池供电系统是至关重要的 明年年初 TI 将开始提供其 超低功耗数字霍尔传感器的样品 它们将是世界上最低功耗的产品 其中一个版本的产品 仅消耗小于一微安的电流 如果您要使用低功耗霍尔来测量转速 则需要确保采样速率足够快 捕获每个磁极 例如 当使用二级磁体时 每秒采样20次 意味着转速必须小于每秒十次 以捕获每个磁极 即 600RPM 如果使用4级磁体 则传感器必须每转至少采样四次 因此最大速度为每秒五转 其它低功耗霍尔传感器 可以具有 1kHz 的采样率 这个速度足够快 最高可以支持 30kRPM 具体取决于磁体的配置 现在我们来聊聊线性霍尔传感器 这些器件提供与存在的 磁通密度成比例的输出 市场上的大多数器件都有模拟输出 有些器件具有 PWM 输出 有些甚至配备内置 ADC 以及 I^2C 接口来访问传感器的数据 当不存在磁场时 具有模拟输出的典型线性霍尔传感器 将输出被称为静态电压或 VQ 的中点电压 随着施加的南极的强度增大 模拟电压将朝零的方向减小 而增大的北极的强度将使模拟电压增高 这条线的斜率称为灵敏度 单位为毫伏每毫特 器件通常具有 5-100毫伏每毫特之间的灵敏度 虽然电压摆幅是轨到轨的 但仍应该指定一个最小和最大的可用范围 这是最线性的范围 具有较低灵敏度的器件 可以在饱和之前 感测更大的磁通密度动态范围 因为在器件之间 灵敏度存在因为制造 机械安装工差等造成的差异 常见的做法是会在最终组件中 进行校准 最好采用两个标准测量 一个是在没有磁场的时候 一个是在有一个磁场的时候 不同的系统中可以用许多不同的方式 使磁体在霍尔传感器附近移动 例如可以使用直接的方式 把磁体带到器件上 或者让磁体在器件附近旋转 虽然霍尔元件仅对 磁场的垂直矢量分量敏感 但是磁体产生的磁场 是在所有三维中扩展的 市场上还有其它类型的霍尔传感器 有些提供可编程性 有些器件调制其电源电流 而不是通过输出引脚 以节省电线 有些有一个独立的电流路径 并通过磁来感应这上面的电流 有些霍尔器件就有两个独立的锁存器 用于旋转编码 还有一些器件检测二维或三维信息 最后 有些器件被设计成用磁体做反向偏置 以便感测在它们前面旋转齿轮 最后这张幻灯片 显示了主要的磁传感技术 及其感应的范围 霍尔效应往往是最具成本效益的 因为它能很容易地 被提升到标准的半导体工艺流程中 它的感应范围从毫特斯拉到特斯拉 这允许它忽略较弱的磁场 比如地球的磁场 使其非常适合鲁棒的位置测量 感谢您收看本视频 如果您有任何意见和问题 都欢迎您通过我们的在线社区进行反馈 也欢迎您收看 TI 在线培训的其它视频