高度可靠的霍耳傳感器接口集成方案介紹

　　引言

　　霍耳效應的原理是磁場(chǎng)與導體中流過(guò)的電流相垂直時(shí)，流過(guò)電流的導體兩側會(huì )出現電勢差。

　　霍耳效應傳感器基于這一原理檢測磁場(chǎng)的變化，輸出與之成比例變化的電壓，可以實(shí)現無(wú)接觸檢測，因此能夠實(shí)現可靠的封裝，不受環(huán)境因素的影響。

　　由于在惡劣環(huán)境中具有較高的可靠性，霍耳傳感器被普遍用于工業(yè)和汽車(chē)領(lǐng)域，從車(chē)窗升降和天窗控制電機速度的調節到車(chē)門(mén)開(kāi)/關(guān)檢測及鑰匙點(diǎn)火系統。

　　霍耳傳感器的類(lèi)型

　　目前有各種類(lèi)型的霍耳傳感器，例如3線(xiàn)和2線(xiàn)數字傳感器、線(xiàn)性傳感器、電流傳感器以及雙極性或單極性數字開(kāi)關(guān)等。2線(xiàn)傳感器有兩個(gè)連接點(diǎn)：電源/輸出和地，3線(xiàn)傳感器的電源和輸出采用單獨的連接點(diǎn)。

　　2線(xiàn)霍耳數字開(kāi)關(guān)通常用于汽車(chē)和工業(yè)領(lǐng)域，在這類(lèi)應用中，抗噪聲能力非常關(guān)鍵，要求霍耳傳感器與相關(guān)電子器件之間的電氣隔離?；舳鷤鞲衅鞴ぷ鲿r(shí)總會(huì )吸收一定的電流，這種電流模式信號抗噪聲能力較強，有助于進(jìn)行簡(jiǎn)單診斷。

　　這些傳感器提供兩種不同的電流電平，具體取決于是否有磁場(chǎng)。電流電平會(huì )因為不同的傳感器廠(chǎng)商而有所差異，但低電平范圍一般在5mA至8mA (沒(méi)有磁場(chǎng))，高電平范圍在11mA至14mA (有磁場(chǎng))。

　　霍耳傳感器接口

　　MAX9921是首款用于2線(xiàn)霍耳數字開(kāi)關(guān)與微控制器接口的集成方案。它具有兩個(gè)獨立通道，為兩個(gè)傳感器提供電流通路，監測電流電平，每個(gè)通道通過(guò)開(kāi)漏輸出為微控制器產(chǎn)生一路數字輸出，圖1所示為器件結構圖和典型應用電路。

　　圖1. MAX9921結構圖和典型應用電路。

　　作為一款高靠性IC，MAX9921設計用于惡劣的工作環(huán)境，例如工業(yè)和汽車(chē)等應用。器件工作在6V至18V電池電壓范圍，可以承受最高60V的瞬變電壓 (拋負載)?；舳斎攵思闪藢Φ囟搪繁Ｗo、電源短路保護以及高達±15kV的靜電放電(ESD)保護功能。內部輸入保護電路省去了外部電路，從而降低成 本和空間。

　　MAX9921的兩個(gè)通道獨立工作，器件對每路輸入提供診斷和故障保護。診斷模式下，診斷輸出結合兩個(gè)獨立通道輸出，提供基本的診斷信息，監視傳感器的工作狀態(tài)。診斷功能包括：輸入開(kāi)路(沒(méi)有接傳感器)、輸入短路至地、輸入短路至電池電壓(VBAT)以及VBAT超出范圍等。診斷功能可以識別出兩路輸入中的哪一路受到以上故障的影響。集成的診斷輸出電路無(wú)需固件執行這一功能，也不需要微控制器的模/數轉換器(ADC)測量霍耳電流。

　　較高的地電位差承受能力可減少連線(xiàn)

　　雖然MAX9921是面向2線(xiàn)霍耳傳感器應用設計，但該器件也可以用于實(shí)現霍耳傳感器的單線(xiàn)接口。其高邊電流檢測拓撲使其能夠承受較高的傳感器與 MAX9921和微控制器地之間的地電位差。較高的地電位差承受力可以避免使用地連接線(xiàn)(例如，汽車(chē)底盤(pán)的地連接線(xiàn))，支持霍耳傳感器的單線(xiàn)接口。

　　圖2所示電路用于測試MAX9921對地電位差的承受能力。電路沒(méi)有使用霍耳傳感器，而是使用了可編程負載，用于吸收電流，可以在較大范圍內設置電流，精度達到所選滿(mǎn)量程值的0.1%。試驗中選擇了10mA滿(mǎn)量程值，精度達10?A。如圖3所示，MAX9921帶滯回的電流門(mén)限小于1mA，確保在惡劣環(huán)境或嘈雜環(huán)境下可靠工作。

　　圖2. 測試MAX9921地電位差承受能力的電路。

　　圖3. MAX9921的電流閾值和滯回。

　　在第一個(gè)試驗中，流入可編程負載的電流置為9.05mA，比MAX9921輸出從低電平(~0V)切換到高電平(~5V，上拉電阻接5V)的閾值低50?A。通過(guò)直流電壓發(fā)生器(V)，可編程負載地電位與MAX9921地電位的差。如表1所示，VBAT = 12V，MAX9921的門(mén)限能夠承受高達±8V的地電位差!

　　表1. 電流門(mén)限為9.05mA時(shí)可承受的地電位差。

　　進(jìn)行類(lèi)似試驗，測試8.2mA由高電平到低電平切換電流門(mén)限的可靠性。電流置為8.25mA，即使地電位相差±8V，MAX9921輸出也不會(huì )發(fā)生翻轉(表2)。

　　表2. 電流門(mén)限為8.2mA時(shí)可承受的地電位差。

　　MAX9921的高邊電流檢測拓撲使該器件能夠承受傳感器與接口之間高達±8V的地電位差。這在霍耳傳感器距離邏輯電路(MAX9921接口和微控制器) 較遠的應用中特別重要。在類(lèi)似應用中，MAX9921可以省去器件本身與霍耳傳感器之間的地連接線(xiàn)，從而節省了成本和空間。

　　結論

　　MAX9921較高的地電位差承受力、輸入保護電路、高達60V的耐壓以及診斷功能使得MAX9921成為汽車(chē)、工業(yè)等惡劣環(huán)境下霍耳傳感器與微控制器接口的理想選擇，提供完備、可靠的集成方案。