使用霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)的三個(gè)常見設(shè)計(jì)缺陷以及解決方案

設(shè)計(jì)電路時(shí)，電路的性能并不一定完全符合預(yù)期。本文將幫助解決在工業(yè)和汽車應(yīng)用中與霍爾效應(yīng)傳感器相關(guān)的三個(gè)常見挑戰(zhàn)：旋轉(zhuǎn)編碼、穩(wěn)健的信號(hào)傳遞和平面磁感應(yīng)。

挑戰(zhàn)1– 在旋轉(zhuǎn)編碼應(yīng)用中無(wú)法獲得正確的正交簽名

在旋轉(zhuǎn)編碼應(yīng)用中，當(dāng)試圖監(jiān)控速度和方向（順時(shí)針或逆時(shí)針）時(shí)，通常使用兩個(gè)霍爾效應(yīng)鎖存器或雙鎖存器。造成正交簽名錯(cuò)誤的原因有多種，但其中最為常見的原因之一是器件與環(huán)形磁極之間的布置不當(dāng)和對(duì)齊不準(zhǔn)。

使用兩個(gè)霍爾效應(yīng)鎖存器時(shí)，可以通過機(jī)械方法，即將霍爾效應(yīng)傳感器與每個(gè)磁極相隔半個(gè)寬度加上任意整數(shù)個(gè)寬度來實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)膬晌徽惠敵?。如圖1b所示，其中傳感器2位于N極/S極接口，而傳感器1與傳感器2的距離為一個(gè)全極點(diǎn)的寬度加上N極的半寬度。對(duì)于雙霍爾效應(yīng)鎖存器，可以使用一個(gè)器件將兩個(gè)傳感器精確地隔開磁極的一半寬度。當(dāng)然，這樣做局限性很大，因?yàn)楸仨殞㈤g距與環(huán)形磁極匹配。

圖1a顯示了使用雙傳感器解決方案時(shí)的潛在放置問題，而圖1b和1c顯示了如何分別使用兩個(gè)單獨(dú)的傳感器或一個(gè)單芯片解決方案來解決此類問題。霍爾效應(yīng)電流傳感器（例如TMAG5110或TMAG5111）可用來確保在多種環(huán)形磁鐵尺寸和磁極數(shù)量下實(shí)現(xiàn)正確的簽名。此外，它們?cè)趯?shí)現(xiàn)上的簡(jiǎn)單性消除了在機(jī)械放置過程中可能引入的任何誤差。該精度還為良好的正交簽名提供始終如一的精確讀數(shù)。

圖1 雙傳感器旋轉(zhuǎn)編碼：圖1a是使用兩個(gè)鎖存器的錯(cuò)誤傳感器布置；圖1b是使用兩個(gè)鎖存器的正確傳感器布置；圖1c是使用2D傳感器的多位置傳感器布置

旋轉(zhuǎn)編碼應(yīng)用常用于許多汽車和工業(yè)應(yīng)用。以下是一些示例：

●   汽車 – 電動(dòng)窗戶、天窗、升降門、推拉門和電動(dòng)座椅。

●   工業(yè) – 車庫(kù)門和開門器、恒溫器撥盤、家用電器旋鈕、車輪旋轉(zhuǎn)感應(yīng)以及電動(dòng)窗簾或百葉窗。

挑戰(zhàn)2 – 非板載傳感器通信不夠穩(wěn)健

如果電路設(shè)計(jì)出現(xiàn)此問題，則很有可能是使用的傳感器的電壓輸出受到磁耦合干擾。盡管布線可能很短，但如果沒有考慮大量的電磁干擾 (EMI)，那么模擬信號(hào)傳遞過程可能會(huì)將這種干擾直接耦合到測(cè)量過程中。在傳感器與微控制器 (MCU) 之間建立一條可靠的鏈路，可使MCU感知到傳感器的連接或斷開狀態(tài)。使用電壓輸出器件時(shí)，輸出可能被拉至低電壓或完全斷開，而MCU將無(wú)法檢測(cè)到這種差異。

EMI很難消除，而屏蔽、重新布線和采取其他緩解方法會(huì)增加設(shè)計(jì)成本，建議解決方案應(yīng)側(cè)重于傳感器本身。雙線電流輸出器件本身對(duì)電噪聲不那么敏感，因此適用于使用中等長(zhǎng)度電纜的遙感應(yīng)用。盡管通過極長(zhǎng)的導(dǎo)線發(fā)送信號(hào)會(huì)造成電壓損失，但是對(duì)于大多數(shù)工業(yè)和汽車應(yīng)用而言，采用雙線電流輸出傳感器還是可以接受的。

圖2顯示了具有雙線電流輸出的霍爾效應(yīng)開關(guān)，例如 TMAG5124 可以使用接地連接在較長(zhǎng)距離內(nèi)傳輸信號(hào)。在這個(gè)例子中，“雙線”表示必須將 VCC 和GND從傳感器連接到MCU的通用輸入/輸出。將電流輸出特性與更高的精度（磁場(chǎng)工作點(diǎn)和釋放點(diǎn)的 2mT 差值）相結(jié)合，這樣就可實(shí)現(xiàn)可靠的設(shè)計(jì)。

圖2 雙線電流輸出傳感器的實(shí)施

使用電流輸出傳感器的汽車應(yīng)用包括：

●   安全帶插扣。

●   座椅位置/占用檢測(cè)。

●   門鎖存器。

●   駐車制動(dòng)。

●   天窗/后備箱閉合。

●   制動(dòng)踏板。

挑戰(zhàn) 3 – 霍爾效應(yīng)傳感器僅對(duì)正交磁場(chǎng)敏感

如今，大多數(shù)單軸霍爾效應(yīng)傳感器都可以檢測(cè)與封裝表面垂直的磁場(chǎng)。如果需要可以監(jiān)測(cè)平行于封裝側(cè)面的磁場(chǎng)的傳感器，則選擇范圍有限。

圖3說明了實(shí)現(xiàn)水平磁場(chǎng)感應(yīng)的各種方法。盡管可以使用傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)傳感器實(shí)現(xiàn)水平磁場(chǎng)感應(yīng)，但存在一些明顯的缺點(diǎn)。將標(biāo)準(zhǔn)3引腳小型晶體管 (SOT-23) 封裝安裝到另一個(gè)較小的印刷電路板上，會(huì)增加組裝成本和復(fù)雜性（圖 3a）。晶體管輪廓 (TO-92) 封裝與標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝封裝的裝配過程不同，但這也會(huì)增加總體設(shè)計(jì)成本（圖3b）。

如果遇到類似情況，則可以選擇TMAG5123-Q1這樣的平面霍爾效應(yīng)開關(guān)，它可以檢測(cè)表面貼裝封裝側(cè)面的磁場(chǎng)。由于它采用SOT-23封裝，也許可以占據(jù)更小的空間，因此在機(jī)械設(shè)計(jì)中具有更大的自由度和靈活性（圖 3c）。

圖3 水平磁場(chǎng)感應(yīng)：圖3a是采用SOT-23封裝的傳統(tǒng)傳感器；圖3b是采用TO-92封裝的傳統(tǒng)傳感器；圖3c是采用SOT-23封裝的平面?zhèn)鞲衅?/em>

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)不可避免，但通常可借助一些方法和器件來加以解決。希望以上提供的幾種方法可以解決在使用霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)遇到的一些常見應(yīng)用挑戰(zhàn)。