利用霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)的三個(gè)常見(jiàn)設(shè)計(jì)缺陷以及解決方案

Other Parts Discussed in Post： TMAG5110， TMAG5111， TMAG5123-Q1

您是否曾經(jīng)設(shè)計(jì)過(guò)一個(gè)電路，但電路的性能并不完全符合您的預(yù)期？我就有過(guò)這種經(jīng)歷！在本文中，我將幫助您解決在工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用中與霍爾效應(yīng)傳感器相關(guān)的三個(gè)常見(jiàn)挑戰(zhàn)：旋轉(zhuǎn)編碼、穩(wěn)健的信號(hào)傳遞和平面磁感應(yīng)。

挑戰(zhàn)1– 在旋轉(zhuǎn)編碼應(yīng)用中無(wú)法獲得正確的正交簽名

在旋轉(zhuǎn)編碼應(yīng)用中，當(dāng)試圖監(jiān)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(yīng)鎖存器或雙鎖存器。造成正交簽名錯(cuò)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(dāng)和對(duì)齊不準(zhǔn)。

使用兩個(gè)霍爾效應(yīng)鎖存器時(shí)，可以通過(guò)機(jī)械方法，即將霍爾效應(yīng)傳感器與每個(gè)磁極相隔半個(gè)寬度加上任意整數(shù)個(gè)寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)膬晌徽惠敵?。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(duì)于雙霍爾效應(yīng)鎖存器，您可以使用一個(gè)器件將兩個(gè)傳感器精確地隔開(kāi)磁極的一半寬度。當(dāng)然，這樣做局限性很大，因?yàn)槟仨殞㈤g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(dú)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。霍爾效應(yīng)電流傳感器（例如TMAG5110或TMAG5111）可用來(lái)確保在多種環(huán)形磁鐵尺寸和磁極數(shù)量下實(shí)現(xiàn)正確的簽名。此外，它們?cè)趯?shí)現(xiàn)上的簡(jiǎn)單性消除了在機(jī)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(shù)。

旋轉(zhuǎn)編碼應(yīng)用常用于許多汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)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(kù)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(zhuǎn)感應(yīng)以及電動(dòng)窗簾或百葉窗。

挑戰(zhàn)2 – 非板載傳感器通信不夠穩(wěn)健

如果您的設(shè)計(jì)出現(xiàn)此問(wèn)題，則很有可能您使用的傳感器的電壓輸出受到磁耦合干擾。盡管布線可能很短，但如果您沒(méi)有考慮大量的電磁干擾 （EMI），那么模擬信號(hào)傳遞過(guò)程可能會(huì)將這種干擾直接耦合到測(cè)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(cè)到這種差異。

EMI很難消除，而屏蔽、重新布線和采取其他緩解方法會(huì)增加設(shè)計(jì)成本，我建議解決方案應(yīng)側(cè)重于傳感器本身。雙線電流輸出器件本身對(duì)電噪聲不那么敏感，因此適用于使用中等長(zhǎng)度電纜的遙感應(yīng)用。盡管通過(guò)極長(zhǎng)的導(dǎo)線發(fā)送信號(hào)會(huì)造成電壓損失，但是對(duì)于大多數(shù)工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用而言，采用雙線電流輸出傳感器還是可以接受的。

圖2顯示了具有雙線電流輸出的霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)，例如 TMAG5124 可以使用接地連接在較長(zhǎng)距離內(nèi)傳輸信號(hào)。在這個(gè)例子中，“雙線”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(jié)合，您就可實(shí)現(xiàn)可靠的設(shè)計(jì)。

圖2：雙線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(yīng)用包括：

安全帶插扣。

座椅位置/占用檢測(cè)。

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(zhàn) 3 – 霍爾效應(yīng)傳感器僅對(duì)正交磁場(chǎng)敏感

如今，大多數(shù)單軸霍爾效應(yīng)傳感器都可以檢測(cè)與封裝表面垂直的磁場(chǎng)。如果您需要可以監(jiān)測(cè)平行于封裝側(cè)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(xiàn)水平磁場(chǎng)感應(yīng)的各種方法。盡管可以使用傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)傳感器實(shí)現(xiàn)水平磁場(chǎng)感應(yīng)，但存在一些明顯的缺點(diǎn)。將標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜性（圖 3a）。晶體管輪廓 （TO-92） 封裝與標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝封裝的裝配過(guò)程不同，但這也會(huì)增加總體設(shè)計(jì)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(yīng)開(kāi)關(guān)，它可以檢測(cè)表面貼裝封裝側(cè)面的磁場(chǎng)。由于它采用SOT-23封裝，也許可以占據(jù)更小的空間，因此在機(jī)械設(shè)計(jì)中具有更大的自由度和靈活性（圖 3c）。

圖3：水平磁場(chǎng)感應(yīng)：圖3a是采用SOT-23封裝的傳統(tǒng)傳感器；

圖3b是采用TO-92封裝的傳統(tǒng)傳感器；圖3c是采用SOT-23封裝的平面?zhèn)鞲衅?/p>

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)不可避免，但您通?？山柚恍┓椒ê推骷?lái)加以解決。希望我提供的幾種方法可以解決您在使用霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)遇到的一些常見(jiàn)應(yīng)用挑戰(zhàn)。如果您想分享遇到的一些問(wèn)題以及解決方案，請(qǐng)?jiān)谙旅姘l(fā)表評(píng)論！

審核編輯：金巧