開關(guān)霍爾傳感器DRV5032在TWS耳機設(shè)計的應(yīng)用

TWS（True Wireless Stereo, 真無線藍(lán)牙耳機）需要檢測充電倉蓋的開合，以及耳機是否在位，在這一檢測功能中，霍爾器件因為反應(yīng)靈敏，體積小，功耗低，受到越來越多的客戶的青睞。在本文中，我們將會介紹市場常見的開關(guān)監(jiān)測方案，以及TI 霍爾傳感器技術(shù)在TWS 耳機中的應(yīng)用。

一、常規(guī)開關(guān)檢測方案

1、機械彈針檢測

機械彈針結(jié)構(gòu)簡單，對精度要求高，但是使用壽命短，易受粉塵、水汽、振動等因素影響，觸點容易銹化，極易產(chǎn)生金屬疲勞損壞。

2、磁簧開關(guān)檢測

磁簧檢測是通過磁鐵感應(yīng)密封在玻璃管內(nèi)含有貴金屬材料的觸點。因此，該開關(guān)不受濕氣或其他環(huán)境因素的影響，觸點不會氧化，缺點是體積大、安裝難、易損壞。

3、紅外光電開關(guān)檢測

紅外光電開關(guān)把光發(fā)射器和接收器面對面地裝在一個槽的兩側(cè)。發(fā)光器發(fā)出紅外光，在開蓋時接收器能收到光，合蓋時槽中光線被遮擋，光電開關(guān)便動作。該方案優(yōu)點是檢測速度快，但功耗大，也怕灰塵水水汽等因素。

4、霍爾開關(guān)檢測

通過霍爾效應(yīng)對磁場變化進行檢測，相對于簧片、機械式一類的開關(guān)，其數(shù)字輸出干凈平穩(wěn)，不會出現(xiàn)抖動，沒有沖擊等情況的產(chǎn)生，壽命高、耐振動；相對于紅外光檢測，這種檢測方式不怕油污、水汽和鹽霧污染或腐蝕、不怕灰塵、功耗低、體積小、重量輕、安裝方便。越來越多的TWS耳機開始選擇開關(guān)型霍爾器件，耳機插入檢測也逐漸從機械彈針方案轉(zhuǎn)換為霍爾檢測。

二、霍爾效應(yīng)以及霍爾傳感器技術(shù)的原理

霍爾效應(yīng)是通電固體導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）內(nèi)部載流子在磁場受洛侖茲力形成偏移，繼而產(chǎn)生感應(yīng)電壓差，最終洛侖茲力與電場力平衡的過程?；魻栃?yīng)常用于磁場測量、電信號測量等方向。

常用的霍爾器件按輸出信號類型分為線性霍爾器件,開關(guān)霍爾器件和鎖存霍爾器件。線性霍爾器件輸出為模擬信號，輸出電壓與外部磁場的強弱通常成線性關(guān)系。數(shù)字霍爾器件輸出為01的電平，其中根據(jù)感應(yīng)磁極的特性不同數(shù)字霍爾器件可以分為單極型，雙極型以及鎖存型三種。工作過程如圖1和2所示，通過檢測外部磁場的強弱控制輸出導(dǎo)通或關(guān)斷，類似開關(guān)的作用。當(dāng)磁通量密度增大到一定值時，霍爾開關(guān)開始動作輸出低電平，該點對應(yīng)的磁通量密度稱為工作點BOP，由于磁滯作用的影響，如果關(guān)掉中的和霍爾開關(guān)需要使磁通量密度低于某點，霍爾開關(guān)關(guān)斷，此時磁通量密度的數(shù)值稱為釋放點BRP。

圖1.單極型數(shù)字霍爾IC輸出特性

圖2.雙極型數(shù)字霍爾IC輸出特性

數(shù)字霍爾器件的通常結(jié)構(gòu)如圖3所示由霍爾效應(yīng)片、電壓調(diào)節(jié)器、休眠喚醒控制電路、信號放大濾波電路、偏移補償電路、施密特觸發(fā)器，開漏極輸出（或推挽輸出）。

圖3. 數(shù)字霍爾IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)

三、TI霍爾傳感器技術(shù)在TWS耳機里的應(yīng)用

在TWS藍(lán)牙耳機充電倉之中，往往放置了多塊磁鐵用以吸附耳機與倉蓋，每一塊磁鐵的極性朝向都會影響到霍爾IC感應(yīng)點的磁場感應(yīng)強度。若選用全極型霍爾IC，充電倉內(nèi)部磁場即使在倉蓋打開后仍會保持一個較高的值，不能達(dá)到霍爾IC的釋放點。因此倉蓋中應(yīng)使用與原倉內(nèi)磁場相反的磁極，并選用只對該極性動作的單極型霍爾IC，避開其他磁極的干擾。此外，開關(guān)型霍爾IC內(nèi)部為邏輯控制電路，如圖4所示在輸入端放置濾波電容能夠提供一個干凈供電環(huán)境保證內(nèi)部邏輯能夠正常的工作，電容靠芯片越近，濾波效果越好，一般容量在0.1uF-10uF 。許多工程師計算開關(guān)霍爾IC與磁極的有效總氣隙時常常會遇到困難，TI提供了一個在線計算工具Hall Effect Switch Magnetic Field Calculator，并給出了TI霍爾開關(guān)產(chǎn)品在不同規(guī)格磁鐵下的感應(yīng)距離，為大家的設(shè)計提供參考與便利。

圖4.典型應(yīng)用電路

圖5. 有效總氣隙計算工具

TI推出的超低功耗DRV5032霍爾效應(yīng)開關(guān)，在TWS耳機里根據(jù)客戶不同的需求有表6中七個版本可供選擇。該IC具有較寬的供電電壓1.65-5.5 V，可由電池直接供電。其中采樣頻率為5 Hz的版本在1.8V的供電條件下電流消耗低至0.54 μA，20 Hz版本在3V的供電條件下電流消耗低至1.6 μA。兩種不同的封裝規(guī)格SOT-23（2.9*1.3）與X2SON（1.1*1.4），適用不同的倉內(nèi)結(jié)構(gòu)。此外，單極型版本的IC推挽輸出節(jié)省上拉電阻空間，有兩檔磁感應(yīng)靈敏度能夠提供準(zhǔn)確而穩(wěn)定的磁開關(guān)點。工作的溫度范圍支持-40 至 +85°C。

表6.DRV5032霍爾開關(guān)版本

同時，為幫助工程師快速開發(fā)設(shè)計，TI提供DRV5032的評估板、相關(guān)技術(shù)資料以及TWS耳機整體參考設(shè)計供設(shè)計參考。

DRV5032 超低功耗、1.65V 至 5.5V 霍爾效應(yīng)開關(guān)傳感器評估模塊

DRV5032評估板用戶指南

TWS/無線耳機/頭戴式耳機/入耳式耳塞系統(tǒng)解決方案及參考設(shè)計

TWS藍(lán)牙耳機介紹及TI低功耗方案

審核編輯：郭婷