關(guān)于霍爾效應傳感器的11個(gè)誤區

多年來(lái)，設計人員一直在工業(yè)和汽車(chē)系統中使用霍爾效應傳感器進(jìn)行接近檢測、線(xiàn)性位移測量、旋轉編碼和許多其他應用。隨著(zhù)時(shí)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(lái)幾十年。

本文將探討有關(guān)霍爾效應傳感器的常見(jiàn)誤解，并在適當的時(shí)候將其與實(shí)際應用聯(lián)系起來(lái)。

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(gè)簡(jiǎn)單的邏輯信號來(lái)指示其存在或不存在。一個(gè)例子是筆記本電腦蓋的關(guān)閉和打開(kāi)，指示何時(shí)打開(kāi)或關(guān)閉它。另一個(gè)例子是門(mén)窗傳感器中的入侵事件。這些應用通常使用一個(gè)簡(jiǎn)單的霍爾效應開(kāi)關(guān)，一旦超過(guò)內部磁閾值，該開(kāi)關(guān)就會(huì )切換其輸出電壓。EETOP

雖然這些霍爾效應開(kāi)關(guān)非常有用，但它們并不是唯一可用的霍爾效應傳感器類(lèi)型——鎖存器和線(xiàn)性器件也很常見(jiàn)。與開(kāi)關(guān)相比，主要用于旋轉編碼的鎖存器只會(huì )在與之前經(jīng)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(xiàn)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(huà)說(shuō)，它們提供的不僅僅是開(kāi)和關(guān)信息。圖 1說(shuō)明了每種傳感器的傳遞函數，包括可用的變體。

線(xiàn)性霍爾效應傳感器無(wú)疑是具有成本效益的解決方案，可提供可靠的磁信息。此類(lèi)傳感器的用戶(hù)知道這一事實(shí)，但通常會(huì )考慮使用其他技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足他們的高精度要求。EETOP

例如，在工業(yè)機器人中，移動(dòng)臂必須相對于目標物體精確定位。使用高精度線(xiàn)性 3D 霍爾效應傳感器，例如德州儀器 (TI)的TMAG5170，可提供此類(lèi)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。

霍爾元件與霍爾效應傳感器本質(zhì)上是不一樣的?；魻栐枰秒娐泛筒罘址糯笃?，是產(chǎn)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(méi)有將所有支持電路集成到單個(gè)封裝中。

圖 3顯示了這兩種傳感器的電路實(shí)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(xiàn)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(jìn)行穩定測量。

4. 霍爾效應開(kāi)關(guān)不是簧片開(kāi)關(guān)的有用替代品

如今，簧片開(kāi)關(guān)在許多應用中仍然很普遍，例如門(mén)窗傳感器。在安全警報系統中使用簧片開(kāi)關(guān)的主要缺點(diǎn)是無(wú)法檢測到篡改事件。通過(guò)使用線(xiàn)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(lái)檢測此事件。

另一個(gè)例子是在冰箱門(mén)中控制打開(kāi)或關(guān)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(kāi)關(guān)提供一致的開(kāi)合距離檢測。

使用簧片開(kāi)關(guān)的第二個(gè)主要缺點(diǎn)是它們無(wú)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(guò)程復雜化并增加成本。表 1比較了這兩種技術(shù)。

雖然某些霍爾效應傳感器消耗的電流確實(shí)在個(gè)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(kāi)關(guān)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(dòng)測量狀態(tài)和超低功率睡眠狀態(tài)之間循環(huán)，以實(shí)現低功耗。由于活動(dòng)狀態(tài) (t active ) 持續時(shí)間比睡眠間隔 (t s ) 短得多，因此總平均電流消耗非常低。

市場(chǎng)上絕大多數霍爾效應傳感器只有三個(gè)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(xiàn)連接到傳感器，這并不準確。如圖 5所示，一個(gè)漏極開(kāi)路、電壓輸出、三引腳霍爾效應開(kāi)關(guān)僅用兩根導線(xiàn)遠程連接。

當感應到磁場(chǎng)時(shí)，器件會(huì )通過(guò) GND 引腳產(chǎn)生電流輸出。如果未檢測到磁場(chǎng)，則器件的輸出將不會(huì )產(chǎn)生任何電流，進(jìn)而不會(huì )通過(guò) GND 引腳產(chǎn)生輸出電流。請注意，確定電阻器的邏輯狀態(tài)需要一個(gè)模數轉換器 (ADC)，它可以集成到微控制器中，以及一個(gè)外部電阻器。這種配置的問(wèn)題是它會(huì )在嘈雜的條件下產(chǎn)生無(wú)效的電壓電平。

確?？煽康臄祿鬏斝枰娏鬏敵鲈O備來(lái)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(guò)使用 GND 引腳傳輸低電平或高電平電流（均在毫安范圍內）來(lái)實(shí)現該器件。

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(lèi)型和工作溫度范圍。磁鐵越大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)就越大。

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

在選擇磁鐵時(shí)考慮熱量也很重要，因為它通常會(huì )降低產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

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(chǎn)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(kāi)關(guān)和鎖存器檢測垂直于封裝表面的磁場(chǎng)，但有些可以檢測封裝的水平方向（或平面內）。TMAG5123就是一個(gè)很好的例子，當垂直位移不可能時(shí)，它可以在設計中提供更大的機械靈活性。另一個(gè)例子是使用能夠監控多個(gè)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(guān)的任何位置。

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(guò)策略性地將兩個(gè)單軸線(xiàn)性霍爾效應傳感器圍繞旋轉偶極磁體放置，每個(gè)傳感器都可以拾取與另一個(gè)異相的磁場(chǎng)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(lèi)型中使用線(xiàn)性傳感器的兩種實(shí)現方式。另一種更優(yōu)雅的角度測量方法是使用單個(gè)線(xiàn)性 3D 霍爾效應傳感器（參見(jiàn)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(jìn)行旋轉運動(dòng)的絕對角度測量”和“使用多軸線(xiàn)性霍爾效應傳感器進(jìn)行角度測量”。

還有一些人認為霍爾效應傳感器沒(méi)有很好的實(shí)際使用范圍，因為磁場(chǎng)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(chǎng)。

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。

設計人員通常會(huì )考慮隧道磁阻 (TMR) 傳感器，因為它們具有高磁靈敏度、高線(xiàn)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(chǎng)。當今可用的大多數霍爾效應傳感器都對垂直場(chǎng)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(gè)優(yōu)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。

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

解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)好方法是使用一個(gè)線(xiàn)性三維霍爾效應傳感器。一個(gè)軸監測預定磁鐵的存在，而另外兩個(gè)通道檢測外部磁場(chǎng)。通過(guò)使用每個(gè)通道都有可配置的磁性閾值的線(xiàn)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(guò)，MCU就會(huì )收到一個(gè)中斷信號。

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(tīng)到一種新穎有趣的新應用。我的期望是，這里給出的11個(gè)誤區將激發(fā)您對下一代設計的想法。