差分磁電流傳感和位置傳感

簡(jiǎn)介

隨著(zhù)各行各業(yè)對更小、更精確、抗干擾傳感器的需求不斷增加，差分傳感拓撲對于在雜散磁場(chǎng)無(wú)可避免的環(huán)境中提升傳感器精度至關(guān)重要。MPS位置傳感器產(chǎn)品，如 MA900 和 MAQ79010FS ，就利用差分傳感技術(shù)實(shí)現了關(guān)鍵應用精度與可靠性的提升。

磁傳感精度的重要性 

汽車(chē)、機器人、航空航天和醫療保健等行業(yè)對傳感解決方案的精度要求越來(lái)越高。精確的測量對于實(shí)現高安全性和高效率也愈加重要。尤其是在電動(dòng)汽車(chē) (EV) 等應用中，精確的電流傳感對電池管理和電機驅動(dòng)十分關(guān)鍵，即使是微小的誤差也可能導致效率低下甚至系統故障。隨著(zhù)系統復雜性越來(lái)越高，對精度的要求也越來(lái)越嚴格，有些應用甚至要求亞度級的角度傳感精度和 1%至2% 的電流傳感精度。

滿(mǎn)足這些標準是極具挑戰性的，因為靈敏度提高使傳感器更易受到噪聲的影響。此時(shí)就需要用到差分傳感、噪聲消除和屏蔽改進(jìn)等技術(shù)。溫度的穩定性也很重要，因為傳感器讀數會(huì )隨著(zhù)溫度的變化而漂移，尤其是在汽車(chē)環(huán)境中。此外，隨著(zhù)傳感器越來(lái)越小以適應緊湊型系統集成，要在不受干擾的情況下保持精度也越來(lái)越難。在高性能與成本控制之間取得平衡成為一項關(guān)鍵挑戰，尤其是在消費電子產(chǎn)品中。

磁傳感中的干擾源 

磁傳感器很容易受自然和人為外部磁場(chǎng)的干擾。甚至地球磁場(chǎng)都可能帶來(lái)干擾，使高精度應用中的測量讀數失真。此外，電機定子的漏磁通也會(huì )干擾附近的傳感器，因此需要屏蔽或差分傳感。如果傳感器附近存在鐵磁材料，磁場(chǎng)將會(huì )被進(jìn)一步扭曲，并導致測量精度下降。

磁傳感的其他干擾源還包括電感和變壓器等載流元件產(chǎn)生的磁場(chǎng)，尤其是在大電流系統中。多相電機中鄰相目標磁體間也可能相互干擾，從而產(chǎn)生噪聲并使位置傳感復雜化。

差分傳感拓撲 

差分傳感通過(guò)消除共模干擾來(lái)提高磁傳感器的精度，這種拓撲結構在外部磁場(chǎng)和噪聲嚴重的環(huán)境中非常有效。其設計通過(guò)兩個(gè)或多個(gè)傳感元件（例如平面霍爾單元或 TMR 元件）測量不同點(diǎn)的磁場(chǎng)，消除外部來(lái)源（例如電機或雜散場(chǎng)）的干擾，并聚焦于目標信號。

差分傳感的益處包括：

●   降噪以消除對兩個(gè)傳感器產(chǎn)生均等影響的外部場(chǎng)；

●   提升信號保真度，聚焦目標磁信號以實(shí)現精確的測量；

●   減少干擾以提高精度，在汽車(chē)和工業(yè)等應用中提供精確的讀數。

• Previous

磁傳感是一項重要的現代傳感技術(shù)。它不僅可以提高位置傳感和電流傳感應用的性能，還能縮小產(chǎn)品尺寸并降低成本。對于位置傳感應用，磁傳感器提供了一種非接觸式的解決方案，這減小了系統尺寸，降低了系統復雜性和維護量，因此是汽車(chē)、機器人和工業(yè)自動(dòng)化等應用的理想選擇；對于電流傳感，磁傳感器則通過(guò)固有電流隔離確保了安全、精確的測量，它尤其適用于太陽(yáng)能、變速驅動(dòng)器、電動(dòng)汽車(chē)充電和電機控制等大功率行業(yè)。 隨著(zhù)各行各業(yè)對更小、更精確、抗干擾傳感器的需求不斷增加，差分傳感拓撲對于在雜散磁場(chǎng)無(wú)可避免的環(huán)境中提升傳感器精度至關(guān)重要。MPS位置傳感器產(chǎn)品，如 MA900 和 MAQ79010FS ，就利用差分傳感技術(shù)實(shí)現了關(guān)鍵應用精度與可靠性的提升。 汽車(chē)、機器人、航空航天和醫療保健等行業(yè)對傳感解決方案的精度要求越來(lái)越高。精確的測量對于實(shí)現高安全性和高效率也愈加重要。尤其是在電動(dòng)汽車(chē) (EV) 等應用中，精確...

Next差分傳感的實(shí)現 

在電流傳感應用中，在載流導體兩側放置兩個(gè)霍爾效應傳感器用于檢測磁場(chǎng)，同時(shí)消除外部噪聲。差分傳感可確保精確的電流測量（尤其是在電動(dòng)汽車(chē)電池系統或電機控制等嘈雜環(huán)境中），同時(shí)提高效率和安全性。

在位置傳感應用中，差分拓撲可用于比較不同點(diǎn)的磁場(chǎng)，從而過(guò)濾干擾。但需注意，差分傳感器需要與目標磁體同軸對齊，因為離軸磁體也被視為干擾場(chǎng)。

除了上述方法外，還可以將多個(gè)霍爾元件集成在單個(gè)芯片上，以對稱(chēng)方式測量導體周?chē)拇艌?chǎng)，從而提高精度并使傳感器在高 EMI 環(huán)境中有效工作。對需要高精度和高可靠性的應用而言，霍爾元件是理想的選擇。

差分傳感適用的應用 

對于需要在嘈雜環(huán)境中實(shí)現精確位置傳感的應用，差分傳感拓撲十分必要。例如，在汽車(chē)油門(mén)控制應用中，采用差分拓撲的磁性位置傳感器可以消除發(fā)動(dòng)機組件或外部磁源的干擾，確保精確的油門(mén)讀數。在電動(dòng)助力轉向系統中，差分傳感器可以通過(guò)檢測轉向柱上的磁體位置精確反饋轉向角度，并且不受外部噪聲的影響。此外，機器人技術(shù)也受益于此，即使在強電磁干擾環(huán)境中，差分位置傳感器也能精確檢測關(guān)節或運動(dòng)部件的位置。MA900 和 MAQ79010 等 MPS 傳感器即采用該項技術(shù)在汽車(chē)和工業(yè)應用中提供精確可靠的位置檢測。圖 1所示為MA900 的典型應用。

圖1 MA900 的典型應用

在大電流、強噪聲環(huán)境中，差分電流傳感更加必要。例如在電動(dòng)汽車(chē)或可再生能源系統的電池管理系統 (BMS) 中，差分傳感器可監測電池電流，實(shí)現高效能源管理。在電機控制系統中，這些傳感器通過(guò)提供精確的電流測量來(lái)確保安全高效的運行，即使存在電機噪聲也沒(méi)有影響。同樣，在大型機器會(huì )產(chǎn)生嚴重電磁干擾 (EMI)的工業(yè)自動(dòng)化應用中，無(wú)論條件多惡劣，MPS 電流傳感器都能提供精確的電流讀數。

位置傳感的權衡與局限 

差分位置傳感器需要與目標磁體精確同軸對準，才能獲得精確的讀數。離軸放置可能會(huì )導致磁場(chǎng)被誤解為干擾，從而限制復雜或多變運動(dòng)系統的靈活性。因此，謹慎安裝差分位置傳感器對于在汽車(chē)轉向和油門(mén)控制等應用中提供高精度測量非常關(guān)鍵。

磁場(chǎng)不均勻（梯度）也會(huì )導致差分傳感精度降低，因為傳感器可能會(huì )檢測到不同的磁場(chǎng)強度。緩解這種狀況需要在梯度最小的區域小心放置傳感器或進(jìn)行系統校準，特別是在具有多個(gè)磁體或非均勻磁源環(huán)境中。

電流傳感的權衡與局限 

與位置傳感不同，差分電流傳感只要求更仔細的IC前期設計。無(wú)需謹慎對準，差分電流傳感器即可精確檢測載流導體周?chē)拇艌?chǎng)，并在各種應用中提供多功能性和一致的性能。

差分電流傳感需要考量的關(guān)鍵因素包括：確保傳感器符合預期的電流范圍、管理熱穩定性以預防漂移，以及確保為電機驅動(dòng)等動(dòng)態(tài)應用提供足夠的帶寬和響應時(shí)間。

用例說(shuō)明 汽車(chē)應用 

磁傳感是電動(dòng)汽車(chē)和高級駕駛輔助系統 (ADAS) 創(chuàng )新的關(guān)鍵。差分傳感器是在這類(lèi)應用中提高精確性和可靠性的重要器件。

●   在電動(dòng)助力轉向 (EPS)系統中，MA900 等傳感器能夠以亞度精度測量轉向角，從而確保順滑的控制。

●  在電池管理系統 (BMS) 中，電流傳感器能夠以高精度監控充電和放電過(guò)程，即使環(huán)境嘈雜也不受干擾。

●   在牽引電機控制系統中，差分電流傳感器可提供實(shí)時(shí)電流測量，從而優(yōu)化電動(dòng)汽車(chē)的電機效率和安全性。

汽車(chē)應用中的差分傳感器能夠增強控制能力并延長(cháng)電池壽命。它不僅能在嘈雜的環(huán)境中可靠地運行，還能在低功耗模式下高效率運行，從而延長(cháng)電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程。

消費類(lèi)（低功耗）應用 

消費電子產(chǎn)品對緊湊型、低功耗的傳感器需求也日益增長(cháng)，差分傳感器是滿(mǎn)足這些需求的絕佳解決方案。

●   在游戲控制器和操縱桿應用中，MA900無(wú)需移動(dòng)部件即可提供精確、可靠的反饋。

●   在智能手表和健身追蹤器等可穿戴設備中，差分傳感器能夠實(shí)現超小尺寸、低功耗和精確的表盤(pán)移動(dòng)檢測。

●   在家庭自動(dòng)化領(lǐng)域，差分傳感器可在智能鎖和安全攝像頭等應用中實(shí)現低功耗、精確的位置感應。

在低功耗的消費類(lèi)應用中，差分傳感器作為一種節能傳感器不僅可延長(cháng)器件電池壽命，緊湊的外形還可在空間受限設備中實(shí)現更小的設計，而且由于沒(méi)有活動(dòng)部件還具有更長(cháng)的使用壽命。

醫療應用 

差分傳感器在要求很高的醫療環(huán)境中也可提供高精度和高可靠性。

●   即使在具有強磁場(chǎng)的磁共振成像（MRI）儀中，差分傳感器也能夠提供精確的電流傳感。

●   在假肢和可穿戴設備中，差分傳感器能夠以高精度控制并監測運動(dòng)和康復鍛煉。

●   在手術(shù)機器人應用中，多軸緊密靠近的差分傳感器可提供亞毫米級的定位能力。

新興技術(shù) 

磁傳感技術(shù)正在快速發(fā)展，以滿(mǎn)足汽車(chē)、醫療保健和消費電子等領(lǐng)域對精度、效率和適應性日益增長(cháng)的需求。下面列出了磁傳感技術(shù)的一些重大進(jìn)步：

●   業(yè)界正在開(kāi)發(fā)可以更精確地檢測更小磁場(chǎng)變化的傳感器，這種新型傳感器特別適用于自動(dòng)駕駛應用。

●   多軸傳感傳感器能夠檢測多個(gè)軸（X、Y 和 Z）的磁場(chǎng)，從而實(shí)現更復雜的應用，例如機器人和增強現實(shí) (AR) 中的3D定位。

●   具有更高靈敏度和更低固有噪聲的隧道磁阻 (TMR) 等新型磁傳感器技術(shù)可以將精度提升到新的高度

行業(yè)趨勢 

對精確磁傳感的需求是應用復雜性不斷增加的直接結果。例如在汽車(chē)行業(yè)，自動(dòng)駕駛汽車(chē)和 ADAS 依靠精確的磁傳感器來(lái)實(shí)現車(chē)道保持并避免碰撞；在醫療保健領(lǐng)域，MRI儀器和機器人手術(shù)系統需要高精度以確保安全性和治療效果；工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的機械臂和傳送系統也需要精確感應，從而提高效率并減少誤差。

微型化和成本的降低推動(dòng)了磁傳感技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng )新。尺寸更小的傳感器能夠被集成到緊湊型系統（例如可穿戴設備和無(wú)人機）中，同時(shí)又不犧牲精度。對于醫療可穿戴設備和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 系統等設備，節能傳感器在延長(cháng)電池壽命方面起到了關(guān)鍵的作用，并進(jìn)一步推動(dòng)了低功耗設計方面的創(chuàng )新。

結語(yǔ)

對于外部磁場(chǎng)干擾會(huì )影響精度和性能的汽車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化和醫療設備等行業(yè)來(lái)說(shuō)，磁傳感技術(shù)非常重要。MPS 位置傳感器（例如 MA900 和 MAQ79010FS）和電流傳感器中應用了差分傳感拓撲結構，可消除共模噪聲并確保器件可靠、高精度的運行。

未來(lái)，降噪、小型化和材料科學(xué)方面的進(jìn)步將進(jìn)一步推動(dòng)磁傳感技術(shù)的創(chuàng )新，從而滿(mǎn)足對傳感器精度更高、功耗更低和尺寸更小的需求。從電動(dòng)汽車(chē)到醫療可穿戴設備，磁傳感器在這些應用中將變得越來(lái)越重要。

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