電池供電電子產(chǎn)品中的位置編碼

集成式霍爾傳感器可節省空間和節約成本，但工作期間所需的功率相對較高。這里的解決方法是讓霍爾傳感器短時(shí)啟動(dòng)?？焖傥恢脺y量(像電機控制所需的位置測量)需要霍爾傳感器快速評估和發(fā)送脈沖，而計量應用程序所需要的采樣率較低。因此，節能工作需要采取特殊的解決方案。

如果實(shí)現微安?

霍爾傳感器生成的信號電壓與磁通密度和霍爾元件中的電流成比例。當使用CMOS技術(shù)實(shí)現時(shí)，傳感器的性能由工藝確定。因此，只能通過(guò)減少霍爾元件的測量周期，降低電源電壓以及使用超低功耗電路設計技術(shù)(ULP)來(lái)降低電流消耗。

測量頻率僅設置在位置測量所需的那樣高。只有在確實(shí)需要時(shí)，ULP電路設計才會(huì )啟動(dòng)個(gè)別功能模塊。可編程的掉電和喚醒電路可確保避免不必要的啟動(dòng)，從而將平均電流消耗降至最低。將I/O端口的供電電壓減少至3.3V或1.8V，可進(jìn)一步減少電流消耗，簡(jiǎn)化電池的選擇。

為減少外部磁場(chǎng)的干擾，一對霍爾傳感器可用于一體化的霍爾編碼器集成電路，適用于不同的磁場(chǎng)組件。磁場(chǎng)由在芯片上方旋轉的磁鐵生成。使用三相抽樣法時(shí)僅需要3個(gè)霍爾傳感器，而非慣用的4個(gè)傳感器，這樣可以減少約25%的電流消耗。

始終開(kāi)啟

為實(shí)現持久的電池供電工作，集成單芯片ULP設計必須能夠完全自動(dòng)開(kāi)關(guān)。圖1顯示了基于iC-Haus公司iC-TW11的這種ULP架構。這一器件是專(zhuān)門(mén)為電池供電的、需要高集成度節能和精確位置測量應用而開(kāi)發(fā)的。它通過(guò)SPI接口與中央微控制器(ULP設計更好)相連。只有在真的需要時(shí)，霍爾傳感器才會(huì )進(jìn)行位置測量和采樣。

Hall Sensors霍爾傳感器

From other Encoder來(lái)自其他編碼器

Timing and Power Control時(shí)序和電源控制

SAMPLE采樣

Angle Calculation角度計算

Configuration Memory配置存儲器

SPI Communication SPI通信

Micro-controller微控制器

它沒(méi)有不必要的測量周期，因為這樣可能會(huì )浪費電池的電能。在完成測量和轉換后，所有不需要的電路元件將會(huì )關(guān)閉。同時(shí)，霍爾傳感器、帶控制和自動(dòng)校準的下行放大器電路以及角度測量插值的采樣必須同時(shí)做到快速和節能。這樣，在10Hz采樣率和10位分辨率的情況下實(shí)現了低于3μA的平均電流。

在位置測量之間自動(dòng)啟動(dòng)待機模式中，完整單芯片霍爾編碼器的最大電流消耗僅為100nA。供電電流與所選采樣頻率的函數關(guān)系如圖2所示。連接到外部的接口工作在3.3V或1.8V電壓下。因此，與使用較低供電電壓的ULP微控制器接口時(shí)，不需要電平轉換電路。

iC-TW11 Average Current Consumption iC-TW11平均電流消耗

Normal Power Mode正常功耗模式

Low Power Mode低功耗模式

Sampling Rate采樣率

對于位置測量，希望實(shí)現短時(shí)測量，這意味著(zhù)在測量開(kāi)始和結束之間的延時(shí)較短。為了使ULP微控制器在一次位置測量之后能切換到待機模式，該器件設置了喚醒微控制器的中斷輸出。如果需要多個(gè)位置值，如可移動(dòng)的多軸機器人，設計時(shí)可通過(guò)一個(gè)SPI鏈路和多個(gè)中斷線(xiàn)路將多個(gè)iC-TW11級聯(lián)起來(lái)。由于并不總是需要有最高精度，集成濾波器功能可以關(guān)閉，以節能更多的電能。

在正常工作中，iC-TW11采樣率達到4kHz，且濾波器和自動(dòng)放大器校準功能開(kāi)啟，以實(shí)現10位分辨率的最大精度。如果關(guān)閉濾波器，延時(shí)可降低到50μs，采樣率最高可達20kHz。在采樣率相同的情況下，關(guān)閉濾波器通?？蓽p少近乎90%的電流消耗?？捎晌⒖刂破骰蛲ㄟ^(guò)單獨的觸發(fā)輸入(即外部事件)啟動(dòng)測量周期。如果有新的位置值，微控制器通過(guò)中斷從待機模式切換至工作狀態(tài)。絕對位置數據通過(guò)時(shí)鐘速率高達16MHz的4線(xiàn)SPI接口讀取。由于iC-TW11和微控制器的工作時(shí)間減少，高時(shí)鐘速率也將影響到電流消耗的減少。對于測試目的或磁氣隙測量的需求，內部原始霍爾傳感器值(10位)、正弦值和余弦值(12位)以及放大系數(18步)可選。

如果峰值電流由電容器提供，可使用能量采集解決方案(如帶無(wú)線(xiàn)傳感器的方案)替代電池。對于數字控制按鈕，也可以用超級電容器緩沖來(lái)應對電源故障。

切換電源線(xiàn)路

在某些應用中，即便在外部電源不可用的情況下，也需要進(jìn)行高能效位置測量。對于機器人來(lái)說(shuō)，在出現電源故障后，其由于慣性仍可繼續移動(dòng)，如果未能識別到位置變化，且在錯誤數據下重啟，將會(huì )發(fā)生危險。因此，這些執行器的所有連續移動(dòng)必須通過(guò)多匝編碼器安全地檢測出。其要么有機械齒輪，要么有帶電源故障保護(如配備電池)的電子記錄功能。對于消耗量測量設備，如工業(yè)水/氣表，即便在沒(méi)有外部供電電壓的情況下，也必須能夠實(shí)現采集。因此，必須能夠在電池供電和外部供電之間實(shí)現自動(dòng)切換。

圖3顯示了使用iC-PV對葉輪進(jìn)行磁掃描的氣表或水表的方框圖。這一ULP單片霍爾編碼器可在節能電池工作和正常電網(wǎng)工作之間自動(dòng)切換。

Preset預置

Meter表計

Readout讀數

如果供電電壓VDD降低至低于限定電平，iC-PV將自動(dòng)切換至電池供電VBAT。在電源恢復后，iC-PV通過(guò)串行接口為讀數器件提供計數值，用于消耗量計算。測量結果通過(guò)8位CRC核對，誤差通過(guò)低電平有效NERR輸出以及串行數據傳輸中的誤差位來(lái)反映。

4個(gè)霍爾傳感器以可調1至3位分辨率檢測位置變化。旋轉數在長(cháng)度高達40位的多匝計數器中計數。iC-PV也具有3位八進(jìn)制分辨率的并行輸出。外部EEPROM在校準期間通過(guò)單獨的I2C接口進(jìn)行編程，iC-PV在上電時(shí)加載CRC所保證的配置數據。

在工作模式和待機模式下，iC-PV的ULP設計采用類(lèi)似于此前描述的iC-TW11的方法來(lái)減少電流消耗。然而，iC-PV有自己獨立的周期和時(shí)序控制，以在無(wú)需使用外部微控制器的情況下，周期性地啟動(dòng)規定的測量周期。根據設定的采樣率，旋轉可在12000rpm至100000rpm的速度范圍內進(jìn)行計數。平均電流消耗范圍從僅2μA至30μA，從而使電池緩沖的工作可維持數年。

總結

如兩個(gè)案例所示，使用ULP單芯片霍爾編碼器進(jìn)行的位置測量，可在直接電池工作或甚至是在出現電源故障的情況下有效進(jìn)行。在第一個(gè)案例下，測量周期通過(guò)微控制器進(jìn)行外部控制和處理。在發(fā)生電源故障的案例中，單芯片霍爾編碼器iC-PV通過(guò)備份電池供電。變化能夠被檢測并保留，以至于在外部電源恢復時(shí)能夠用于發(fā)送。由于通過(guò)ULP設計技術(shù)可實(shí)現極低電流消耗(小于10μA)的解決方案，在單芯片編碼器中對霍爾傳感器和模擬和數字評估電路進(jìn)行集成非常有利。