使用霍爾效應傳感器進(jìn)行設計的三個(gè)常見(jiàn)設計缺陷以及解決方案

設計電路時(shí)，電路的性能并不一定完全符合預期。本文將幫助解決在工業(yè)和汽車(chē)應用中與霍爾效應傳感器相關(guān)的三個(gè)常見(jiàn)挑戰：旋轉編碼、穩健的信號傳遞和平面磁感應。

挑戰1– 在旋轉編碼應用中無(wú)法獲得正確的正交簽名

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

使用兩個(gè)霍爾效應鎖存器時(shí)，可以通過(guò)機械方法，即將霍爾效應傳感器與每個(gè)磁極相隔半個(gè)寬度加上任意整數個(gè)寬度來(lái)實(shí)現適當的兩位正交輸出。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。對于雙霍爾效應鎖存器，可以使用一個(gè)器件將兩個(gè)傳感器精確地隔開(kāi)磁極的一半寬度。當然，這樣做局限性很大，因為必須將間距與環(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(wèn)題，而圖1b和1c顯示了如何分別使用兩個(gè)單獨的傳感器或一個(gè)單芯片解決方案來(lái)解決此類(lèi)問(wèn)題?；魻栃娏鱾鞲衅鳎ɡ鏣MAG5110或TMAG5111）可用來(lái)確保在多種環(huán)形磁鐵尺寸和磁極數量下實(shí)現正確的簽名。此外，它們在實(shí)現上的簡(jiǎn)單性消除了在機械放置過(guò)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。

圖1 雙傳感器旋轉編碼：圖1a是使用兩個(gè)鎖存器的錯誤傳感器布置；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

旋轉編碼應用常用于許多汽車(chē)和工業(yè)應用。以下是一些示例：

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

●   工業(yè) – 車(chē)庫門(mén)和開(kāi)門(mén)器、恒溫器撥盤(pán)、家用電器旋鈕、車(chē)輪旋轉感應以及電動(dòng)窗簾或百葉窗。

挑戰2 – 非板載傳感器通信不夠穩健

如果電路設計出現此問(wèn)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(xiàn)可能很短，但如果沒(méi)有考慮大量的電磁干擾 (EMI)，那么模擬信號傳遞過(guò)程可能會(huì )將這種干擾直接耦合到測量過(guò)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(kāi)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(kāi)，而MCU將無(wú)法檢測到這種差異。

EMI很難消除，而屏蔽、重新布線(xiàn)和采取其他緩解方法會(huì )增加設計成本，建議解決方案應側重于傳感器本身。雙線(xiàn)電流輸出器件本身對電噪聲不那么敏感，因此適用于使用中等長(cháng)度電纜的遙感應用。盡管通過(guò)極長(cháng)的導線(xiàn)發(fā)送信號會(huì )造成電壓損失，但是對于大多數工業(yè)和汽車(chē)應用而言，采用雙線(xiàn)電流輸出傳感器還是可以接受的。

圖2顯示了具有雙線(xiàn)電流輸出的霍爾效應開(kāi)關(guān)，例如 TMAG5124 可以使用接地連接在較長(cháng)距離內傳輸信號。在這個(gè)例子中，“雙線(xiàn)”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）相結合，這樣就可實(shí)現可靠的設計。

圖2 雙線(xiàn)電流輸出傳感器的實(shí)施

使用電流輸出傳感器的汽車(chē)應用包括：

●   安全帶插扣。

●   座椅位置/占用檢測。

●   門(mén)鎖存器。

●   駐車(chē)制動(dòng)。

●   天窗/后備箱閉合。

●   制動(dòng)踏板。

挑戰 3 – 霍爾效應傳感器僅對正交磁場(chǎng)敏感

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

圖3說(shuō)明了實(shí)現水平磁場(chǎng)感應的各種方法。盡管可以使用傳統霍爾效應傳感器實(shí)現水平磁場(chǎng)感應，但存在一些明顯的缺點(diǎn)。將標準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 )增加組裝成本和復雜性（圖 3a）。晶體管輪廓 (TO-92) 封裝與標準表面貼裝封裝的裝配過(guò)程不同，但這也會(huì )增加總體設計成本（圖3b）。

如果遇到類(lèi)似情況，則可以選擇TMAG5123-Q1這樣的平面霍爾效應開(kāi)關(guān)，它可以檢測表面貼裝封裝側面的磁場(chǎng)。由于它采用SOT-23封裝，也許可以占據更小的空間，因此在機械設計中具有更大的自由度和靈活性（圖 3c）。

圖3 水平磁場(chǎng)感應：圖3a是采用SOT-23封裝的傳統傳感器；圖3b是采用TO-92封裝的傳統傳感器；圖3c是采用SOT-23封裝的平面傳感器

設計挑戰不可避免，但通?？山柚恍┓椒ê推骷?lái)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傳感器進(jìn)行設計時(shí)遇到的一些常見(jiàn)應用挑戰。