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            關于霍爾效應傳感器的11個誤區

            2022-03-16 12:59:43 來源:TI
            多年來,設計人員一直在工業和汽車系統中使用霍爾效應傳感器進行接近檢測、線性位移測量、旋轉編碼和許多其他應用。隨著時間的推移,更高的系統性能要求促使集成電路供應商提高靈敏度精度、集成更多功能、提供不同的傳感方向和更低的功耗,從而將霍爾效應傳感器的使用范圍擴大到未來幾十年。

            本文將探討有關霍爾效應傳感器的常見誤解,并在適當的時候將其與實際應用聯系起來。

            1. 霍爾效應傳感器僅提供簡單的開關信息

            許多機電設計需要使用傳感器檢測物體,該傳感器提供一個簡單的邏輯信號來指示其存在或不存在。一個例子是筆記本電腦蓋的關閉和打開,指示何時打開或關閉它。另一個例子是門窗傳感器中的入侵事件。這些應用通常使用一個簡單的霍爾效應開關,一旦超過內部磁閾值,該開關就會切換其輸出電壓。EETOP

            雖然這些霍爾效應開關非常有用,但它們并不是唯一可用的霍爾效應傳感器類型——鎖存器和線性器件也很常見。與開關相比,主要用于旋轉編碼的鎖存器只會在與之前經歷的磁極性相反的情況下切換其輸出。

            對于精確的位移測量,線性霍爾效應傳感器更可取,因為它們可以以高分辨率定義物體相對于傳感器的位置。換句話說,它們提供的不僅僅是開和關信息。圖 1說明了每種傳感器的傳遞函數,包括可用的變體。

             

            此圖顯示霍爾效應開關 (a) 和 (b)、鎖存器 (c) 和線性傳感器 (d) 和 (e) 輸出響應。

            2. 線性霍爾效應傳感器不精確?

            線性霍爾效應傳感器無疑是具有成本效益的解決方案,可提供可靠的磁信息。此類傳感器的用戶知道這一事實,但通常會考慮使用其他技術來滿足他們的高精度要求。EETOP

            例如,在工業機器人中,移動臂必須相對于目標物體精確定位。使用高精度線性 3D 霍爾效應傳感器,例如德州儀器 (TI)的TMAG5170,可提供此類應用所需的精度(圖 2)。此外,該器件的高精度和低靈敏度隨溫度漂移可能消除了對系統級校準的需要。

             

            TMAG5170 是一款線性 3D 傳感器,用于機械臂應用。

            3. 霍爾效應傳感器與霍爾元件相同

            霍爾元件與霍爾效應傳感器本質上是不一樣的?;魻栐枰秒娐泛筒罘址糯笃?,是產生可用電壓所需的最基本結構。與霍爾效應傳感器相比,霍爾元件沒有將所有支持電路集成到單個封裝中。

            圖 3顯示了這兩種傳感器的電路實現?;魻栐ǔS糜诰炔恢匾?、成本極其重要且附近有差分放大器以最大限度減少外部噪聲耦合的應用。此外,霍爾元件具有隨溫度變化的固有非線性變化,而霍爾效應傳感器具有內置補償功能,可確保在 -40 至 125°C 的寬溫度范圍內進行穩定測量。

             

            這是霍爾元件 (a) 與霍爾效應傳感器 (b) 的電路實現。

            4. 霍爾效應開關不是簧片開關的有用替代品

            如今,簧片開關在許多應用中仍然很普遍,例如門窗傳感器。在安全警報系統中使用簧片開關的主要缺點是無法檢測到篡改事件。通過使用線性 3D 霍爾效應傳感器,設計人員可以利用任何未用于有源測量的通道來檢測此事件。

            另一個例子是在冰箱門中控制打開或關閉內部燈的確切位置。鑒于其嚴格的閾值滯后規格,霍爾效應開關提供一致的開合距離檢測。

            使用簧片開關的第二個主要缺點是它們無法使用標準的印刷電路板 (PCB) 組裝程序。這些器件必須手工焊接到板上,從而使組裝過程復雜化并增加成本。表 1比較了這兩種技術。

             

            5. 霍爾效應傳感器無法實現低功耗解決方案

            雖然某些霍爾效應傳感器消耗的電流確實在個位數毫安范圍內,因此不適合電池供電的應用,但其他霍爾效應開關支持低采樣率(5 Hz 或更低)并且平均消耗的電流小于1微安。這些設備在高功率活動測量狀態和超低功率睡眠狀態之間循環,以實現低功耗。由于活動狀態 (t active ) 持續時間比睡眠間隔 (t s ) 短得多,因此總平均電流消耗非常低。

             

            這里的時序圖顯示了處于超低功耗睡眠狀態時的低功耗電流消耗。

            6. 霍爾效應傳感器需要三根線來進行車外感應

            市場上絕大多數霍爾效應傳感器只有三個引腳——V CC(電源)、輸出和 GND(地)——所以一般的想法是必須將三根線連接到傳感器,這并不準確。如圖 5所示,一個漏極開路、電壓輸出、三引腳霍爾效應開關僅用兩根導線遠程連接。

             

            圖5. 使用電壓輸出霍爾效應開關 (a) 和電流輸出 TMAG5124 (b) 的兩線制遙感。

            當感應到磁場時,器件會通過 GND 引腳產生電流輸出。如果未檢測到磁場,則器件的輸出將不會產生任何電流,進而不會通過 GND 引腳產生輸出電流。請注意,確定電阻器的邏輯狀態需要一個模數轉換器 (ADC),它可以集成到微控制器中,以及一個外部電阻器。這種配置的問題是它會在嘈雜的條件下產生無效的電壓電平。

            確??煽康臄祿鬏斝枰娏鬏敵鲈O備來減少或消除信號失真。例如,TMAG5124是一種雙引腳解決方案,僅需要電源電壓和接地即可運行。圖 5顯示了如何通過使用 GND 引腳傳輸低電平或高電平電流(均在毫安范圍內)來實現該器件。

            7. 使用霍爾效應傳感器時,磁鐵放置不靈活

            磁鐵相對于傳感器的位置取決于許多因素——一些是系統級因素,而另一些則是傳感器本身固有的。決定磁體放置的外部系統因素主要是磁體尺寸、磁體材料類型和工作溫度范圍。磁鐵越大,產生的磁場就越大。

            在最常用的磁體中,釹鐵硼 (NdFeB) 磁體產生最強的磁場。因此,它們的尺寸通常較小。

            在選擇磁鐵時考慮熱量也很重要,因為它通常會降低產生的磁場。

            影響傳感器特定磁體放置的主要因素包括靈敏度水平、傳感方向(平面內與平面外)、封裝產品、板載傳感器數量和可配置性。靈敏度更高的霍爾效應傳感器可以檢測到更遠的磁鐵。

            大多數霍爾效應開關和鎖存器檢測垂直于封裝表面的磁場,但有些可以檢測封裝的水平方向(或平面內)。TMAG5123就是一個很好的例子,當垂直位移不可能時,它可以在設計中提供更大的機械靈活性。另一個例子是使用能夠監控多個軸的 2D 雙通道鎖存器。您幾乎可以將它們放置在與磁鐵相關的任何位置。

            8. 霍爾效應傳感器不適用于測量角度

            霍爾效應傳感器在許多位移應用中很受歡迎,但它們也用于絕對角度測量。通過策略性地將兩個單軸線性霍爾效應傳感器圍繞旋轉偶極磁體放置,每個傳感器都可以拾取與另一個異相的磁場矢量。有了這些信息,使用反正切函數就可以很容易地計算出旋轉磁鐵的準確角度。

            圖 6顯示了在兩種不同封裝類型中使用線性傳感器的兩種實現方式。另一種更優雅的角度測量方法是使用單個線性 3D 霍爾效應傳感器(參見圖 6b了解各種配置)。要了解角度測量,請查看 TI 的“使用霍爾效應傳感器進行旋轉運動的絕對角度測量”和“使用多軸線性霍爾效應傳感器進行角度測量”。

            圖6. 使用兩個單軸線性霍爾效應傳感器 (a) 和一個線性 3D 霍爾效應傳感器 (b) 進行絕對角度測量。

            9. 霍爾效應傳感器的工作范圍非常有限

            還有一些人認為霍爾效應傳感器沒有很好的實際使用范圍,因為磁場隨距離呈指數衰減。然而,具有高靈敏度的霍爾效應傳感器可以從很遠的距離檢測到有用的磁場。

            以 TI 的DRV5032 為例。表 2顯示了使用小型低成本鐵氧體磁鐵 (12 × 12 × 6 mm) 提供的所有器件變體的正面感應距離。TI 的最低靈敏度 DRV5032ZE 可以檢測 4.0 至 7.5 mm 的磁鐵,而 DRV5032FA 版本的范圍在 18.7 至 44.6 mm 之間。如果使用更堅固、尺寸相同的 52 級 NdFeB 磁體,該檢測距離將增加到近 3 英寸。

             

            10. 只有 TMR 傳感器可以進行平面測量

            設計人員通常會考慮隧道磁阻 (TMR) 傳感器,因為它們具有高磁靈敏度、高線性度和低功耗。此外,TMR 傳感器可以感應與封裝水平(或平面內)的磁場。當今可用的大多數霍爾效應傳感器都對垂直場敏感,但少數(例如TMAG5123)具有平面內傳感能力。然而,使用霍爾效應傳感器的一個優勢是較低的總系統成本。圖 7顯示了平面內傳感器的靈敏度方向性。

             

            圖7. 平面傳感器的靈敏度方向性。

            11. 使用霍爾效應傳感器的系統很容易被篡改

            這條確實是真的--使用干簧管和基本霍爾效應開關的系統有可能被篡改。大的外部磁場可以欺騙系統,使其相信一切都在正常工作。

            解決這個問題的一個好方法是使用一個線性三維霍爾效應傳感器。一個軸監測預定磁鐵的存在,而另外兩個通道檢測外部磁場。通過使用每個通道都有可配置的磁性閾值的線性三維傳感器,你在設置適當的 "篡改檢測 "閾值方面有更大的靈活性。在圖8所示的例子中,一旦閾值被越過,MCU就會收到一個中斷信號。

             

            圖8. 顯示了使用線性 3D 霍爾效應傳感器檢測中斷信號

            結論

            霍爾效應傳感器的使用如此廣泛,以至于我幾乎每天都能聽到一種新穎有趣的新應用。我的期望是,這里給出的11個誤區將激發您對下一代設計的想法。

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