磁性位置傳感器，已在功耗問題上大幅改善

在行動裝置和消費性應用領(lǐng)域，低功耗無疑是最主流的設(shè)計思維。不過，對許多其他應用領(lǐng)域的系統(tǒng)產(chǎn)品來說，低功耗也是產(chǎn)品設(shè)計時的重點。例如對不易接近地區(qū)安裝在偏遠地區(qū)的儀器、或是安裝在地下、海底等人類難以接近地點的感測系統(tǒng)來說，功耗越低，則維護的財務(wù)成本與作業(yè)難度就可以大幅降低。

在這類的應用中，系統(tǒng)不僅要低功耗，而且還必須極為強固，因為這類產(chǎn)品可能在溫度變化劇烈、高濕度、高壓或是有污染物存在的環(huán)境下運作，其環(huán)境條件極為嚴苛。

在各種感測應用中，位置感測是很常見的應用需求，但過往的位置感測方法不是強固性有疑慮，就是功耗相對較高。不過，隨著技術(shù)進步，要實現(xiàn)兼具高強固性與低功耗特性的位置感測已經(jīng)不再是問題。

位置感測應用無所不在 電位/光學編碼強固性有缺失

無論是在最簡單或最復雜的應用中，旋轉(zhuǎn)和線性位置感測都是很常見的需求。

一般而言，如果是要開發(fā)比較簡單的應用，設(shè)計人員通常傾向采用典型的電位器（Potentiometer）做為位置傳感器，要求較高的應用則通常會使用光學編碼器。然而，若將強固性和嚴苛條件耐受度加進需求列表中，則這些裝置都不是最理想的選擇。電位器容易發(fā)生各種電器及機械故障，造成組件失效。此外，不管是光學編碼器或電位器，其運作都很容易受到灰塵、污垢、油脂和液體等污染物的影響；劇烈撞擊或震動也會使這些裝置無法維持精確的測量輸出。

將傳感器加以密封，可以避免受到環(huán)境物質(zhì)的污染，然而這種方式很昂貴，而且可能會犧牲主機產(chǎn)品的組裝或機構(gòu)設(shè)計，而且密封體的任何損壞或老化，可能會縮短傳感器系統(tǒng)的運作壽命。

磁性位置感測強固性佳 功耗問題已有大幅改善

除了光學編碼器之外，還有一種可以實現(xiàn)非接觸式感測的方式，亦即磁性位置感測。然而，以往對功耗要求較為嚴格的應用，大多不喜歡采用磁性位置傳感器，因為這類組件給人功耗很高的刻板印象。從磁性位置傳感器的運作模式來說，這樣的刻板印象并沒有錯，但是隨著技術(shù)進步，這樣的看法現(xiàn)在已經(jīng)過時了。

盡管如此，磁性感測的原理還是值得研究，以便了解為何功率問題是引發(fā)設(shè)計人員疑慮的原因。由Edwin Hall發(fā)現(xiàn)的霍爾效應（Hall Effect），解釋了磁場如何影響流過導體的電流。簡單來說，霍爾效應電磁傳感器的工作原理，就是垂直作用于某導體的磁場（B）會影響流過導體的電流（I）（圖1）。一個兩極磁鐵的旋轉(zhuǎn)，會讓附近的導體感受到磁場強度隨著極性從N極擺蕩到S極并再次返回而有所變化。這種磁場的變化會成比例地影響流過導體的電流，這種持續(xù)變化的電流會形成導體的電壓 （VH），很容易測量。

圖1　霍爾效應解釋磁場如何影響流過導體的電流

在磁性位置傳感器（MPOS）中，電壓訊號可經(jīng)數(shù)學運算轉(zhuǎn)換成角度或直線位移的測量結(jié)果。但為了使傳感器運作，需要有電流流過導體來啟動霍爾組件。

由于霍爾傳感器以這種方式汲取電流，所以相較其他技術(shù)，例如電位器及光學編碼器，霍爾傳感器一般會使用更多電流。現(xiàn)今的霍爾感測是使用硅組件來產(chǎn)生電壓，并將訊號處理和運算功能整合在單一電路中。然而，這種會被磁場影響的電流，仍是整個組件運作的核心。

MPOS有一個能勝過電位器的優(yōu)點，有助于緩解功耗問題。電位器是一種被動式機電裝置，無法讓設(shè)計工程師配置其功率設(shè)定。電位器總是在開啟狀態(tài)，總是汲取相同的電流。而MPOS則是一種具有內(nèi)建控制及配置電路的智能型裝置，可以實現(xiàn)各種低功耗設(shè)定。

MPOS最顯著的省電方式是電力循環(huán)，在停機（Stop）模式時，可以將功耗降至0。然而，MPOS在啟動時的確需要相較穩(wěn)定運行時更多的電流，而且在啟動時也需要處理時間。如此一來，某個動作開始的時間，與MPOS提供位移量測的時間之間是有延遲，就成為一個問題。這點在某些應用中無法被接受。

還有另外一種降低MPOS耗電量的方法，也就是將傳感器中不重要的組件斷電，只有在需要量測時才提供電力給它們。越多的電路組件被斷電，則傳感器從斷電到可以開始采樣所需的時間就越長。

為協(xié)助設(shè)計師在任何特定應用中達成速度和功率之間的正確平衡，奧地利微電子最近發(fā)表了一系列旋轉(zhuǎn)MPOS，能提供使用者深度和淺度斷電的模式選擇。兩種低功率狀態(tài)以及“正常（Always On）”模式，各自支持不同的采樣速率。這讓設(shè)計師可以選擇適合整體系統(tǒng)功率需求的采樣速率。

在深度斷電模式，傳感器僅汲取3μA電流，最大功耗為9.9μW。另一種低功率模式會讓電源啟動（Power-On）重置電路保持作用；在這個模式中，芯片會汲取33μA 電流，最大功耗則是108.9μW。在“正常”模式，最大功耗是28mW。啟動此裝置所需的額定時間是580μs，而在樣本擷取以及產(chǎn)生中斷輸出至微控制器之間的延遲是500μs。

水下馬達驅(qū)動案例探究

說了這么多關(guān)于MPOS的理論與操作，它們在嚴苛環(huán)境中實際運作的可靠性如何？

為了回答這個問題，筆者利用奧地利微電子的AS5055A標準型MPOS設(shè)計了一個簡單的水下馬達驅(qū)動應用。該組件會產(chǎn)生數(shù)字輸出，雖然無法立刻在示波器上看到，但是能顯示在圖形用戶接口（GUI）中。

AS5055A被安裝在標準型轉(zhuǎn)接板上，它的電源及輸出接腳和電線連接。整個電路板以DIY商店中常見的現(xiàn)成橡膠涂料涂覆（圖2）。

圖2　經(jīng)過防護涂布的AS5055A位置傳感器轉(zhuǎn)接板。

準備完成后，將一個簡單型直流（DC）馬達和這個夾具連接，與馬達底端連接的一個直徑6mm的磁鐵，要位于轉(zhuǎn)接板上的AS5055A芯片的正上方（圖3）。

圖3　安裝在馬達上的磁鐵，位于AS5055A磁性位置傳感器的正上方。

組裝完成后，接著安裝背襯板并浸于2.5公分深的水中（圖4）。將電力傳送給馬達及轉(zhuǎn)接板電路，就可從圖5的GUI中看到來自AS5055A的感測輸出結(jié)果：由于連接AS5055A的接口是數(shù)字的，所以只會顯示實時的截圖。MPOS如預期地動作，GUI顯示的是被擷取到的角位移測量值。

圖4　AS5055A轉(zhuǎn)接板完全浸沒在水中。

圖5　來自浸于水中的AS5055A輸出數(shù)值

使用相同的涂布及沉浸方式，一個類似的測試輸出也顯示在示波器的顯示屏幕上（圖6）。這個三角波形顯示這個磁鐵持續(xù)進行360°旋轉(zhuǎn)。在0°時，來自MPOS的模擬輸出電壓為最?。辉?60°時為最大。這兩個測試顯示，該解決方案能可靠地運作。

圖6　在示波器上顯示AS5055A的輸出訊號

這種防護涂布能提供硬化MPOS的效果，使其能在嚴苛環(huán)境中運作。有趣的是，它的影響就如一些外來物，例如灰塵、油脂或污垢的污染作用一樣。這樣的硬化處理會讓電位器或光學編碼器完全失效，但MPOS的功能絲毫不會被影響。

低功率MPOS打開應用新領(lǐng)域

該如何使用這個新一代的低功率MPOS呢？電位器的接觸點以及光學編碼器的光學系統(tǒng)很容易因表面受損或變臟而影響到功能正常運作，磁性解決方案則不會受到這些因素影響。MPOS的功用是感測磁鐵的旋轉(zhuǎn)運動，而這個磁鐵和傳感器之間隔著1.5~3mm的空隙，沒有接觸點和移動部件，所以不會發(fā)生機械式耗損，也不會有灰塵、油脂或液體進入旋轉(zhuǎn)機構(gòu)及弄臟光學碼轉(zhuǎn)盤（Optical Code Wheel）的情況發(fā)生。整體來說，在污染較為嚴重的環(huán)境下，以MPOS取代電位器或光學編碼器，是較為可靠的選擇。

非接觸式感測方法的另一個好處是本質(zhì)安全（Intrinsic Safety）。本質(zhì)安全是一種防護技術(shù)，借由限制可用來點火的能量，確保電子設(shè)備在危險區(qū)域的安全運作。由于是采用無摩擦式設(shè)計，所以非接觸式解決方案原本就不會有火花產(chǎn)生，可輕松實現(xiàn)符合本質(zhì)安全需求的電路。

對于水下石油勘探和開采領(lǐng)域的電子設(shè)備制造商而言，低功耗運作也大有益處。在深水石油和天然氣設(shè)施中，遠程遙控和本質(zhì)安全的傳感器是必要的。在這樣的應用中，低功耗以及不受高壓及浸沒于石油環(huán)境影響的磁性位置感測技術(shù)，有相當顯著的優(yōu)勢。

在遠程或電池供電的設(shè)備，以及像是本質(zhì)安全電路此類系統(tǒng)中，低功耗操作是基本要求，若還必需不受壓力、液體、塵土或臟污的影響，則類似的位置傳感器，如電位器及光學編碼器，在沒有復雜及昂貴的屏遮和防護的情況下，都是不適用的。

因此，能提供可選擇支持低功率模式的新一代磁性位置傳感器，將可讓工程計師得以開發(fā)出精確、穩(wěn)固的位置感測系統(tǒng)，同時滿足極低功耗的系統(tǒng)要求。