適合汽車(chē)應(yīng)用中多種參數(shù)的霍爾傳感器

作者：Edgar Schaefer，Rutronik儒卓力汽車(chē)產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師

在自動(dòng)駕駛的進(jìn)程中，汽車(chē)配備了越來(lái)越多的傳感器。相比使用其他測(cè)量原理和技術(shù)的傳感器，基于霍爾效應(yīng)的磁場(chǎng)傳感器擁有諸多優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前的型號(hào)還滿(mǎn)足了ISO 26262:2018標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格的要求。

當(dāng)磁場(chǎng)施加到與電流方向垂直的半導(dǎo)體時(shí)，霍爾傳感器可檢測(cè)到其中產(chǎn)生的電壓差。由于霍爾電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，因此，這類(lèi)傳感器與永磁體一起使用，可以間接測(cè)量許多變量，例如旋轉(zhuǎn)、速度、距離、壓力、角度和填充水平。由于傳感器通過(guò)穩(wěn)定的電流測(cè)量導(dǎo)體周?chē)拇艌?chǎng)強(qiáng)度，因此還可以在無(wú)接觸的情況下測(cè)量電流。同樣原理，還可以無(wú)接觸地檢測(cè)其他的參數(shù)，這意味著霍爾傳感器在運(yùn)行時(shí)沒(méi)有任何磨損，即使在長(zhǎng)期運(yùn)行的情況下也能夠提供精確可靠的測(cè)量值。

人們通常將簡(jiǎn)單的霍爾傳感器用作開(kāi)關(guān)，例如用于汽車(chē)安全帶扣、擋風(fēng)玻璃刮水器或發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。在這些情況下，將磁場(chǎng)強(qiáng)度的閾值保存在傳感器中。如果檢測(cè)值達(dá)到該閾值，則傳感器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)就會(huì)發(fā)生改變。例如，邁來(lái)芯(Melexis)的MLX92241內(nèi)置隔直電容器，可直接使用電纜線束操作，從而實(shí)現(xiàn)近端無(wú)電路板設(shè)計(jì)，用于檢測(cè)安全帶是否系好等等。MLX92241的EEPROM存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)客戶(hù)特定的開(kāi)關(guān)點(diǎn)閾值、輸出極性、Ioff電流和磁性材料的溫度補(bǔ)償系數(shù)?？?a target="_blank">編程的負(fù)溫度系數(shù)可用于補(bǔ)償永磁體在高溫下變?nèi)醯男袨樘匦??；魻杺鞲衅髟鋫浒踩珯C(jī)制，以防止靜電放電、反極性和熱過(guò)載現(xiàn)象。它們符合ASIL A安全等級(jí)要求。

線性霍爾傳感器測(cè)量距離和旋轉(zhuǎn)

具有線性輸出信號(hào)的霍爾傳感器是測(cè)量距離或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所必需的器件。它們不僅可以識(shí)別“開(kāi)”和“關(guān)”狀態(tài)，還可以輸出與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的模擬信號(hào)。集成到 MCU 或霍爾傳感器中的A/D轉(zhuǎn)換器則將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。為了控制其他系統(tǒng)組件，其后，MCU輸出成比例的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)或與SENT汽車(chē)傳感器總線系統(tǒng)兼容的數(shù)據(jù)流。一些最新一代霍爾傳感器具有內(nèi)置的 PWM接口和SENT接口。

如果使用僅僅檢測(cè)垂直于芯片平面的磁場(chǎng)的霍爾傳感器，通常需要使用較大且成本較高的附加組件。更先進(jìn)的解決方案集成了數(shù)量日益增多的傳感器以及信號(hào)處理和計(jì)算功能，通常不需要額外的組件并且可以測(cè)量其它附加的參數(shù)。

例如，垂直霍爾傳感器不僅可以檢測(cè)垂直于電流方向的磁場(chǎng)，還可以檢測(cè)平行于電流方向或芯片平面的磁場(chǎng)。除了磁場(chǎng)的振幅外，2D傳感器還可以檢測(cè)其方向。例如，這可用于確定發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。英飛凌基于霍爾效應(yīng)的 Xensiv TLE4988C可以快速測(cè)量凸輪軸的位置。模塊制造商的一大好處是減少了對(duì)稀土反向偏置磁體的依賴(lài)；例如這款傳感器針對(duì)Fe、SmCo和NdFe進(jìn)行了優(yōu)化。自動(dòng)車(chē)載校準(zhǔn)應(yīng)用考慮了鐵磁輪和磁編碼器的公差以及傳感器的安裝容差，從而確保在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中實(shí)現(xiàn)極其精確的傳感性能。TLE4988C采用帶有鍍錫的PG-SSO-3-52凸輪軸傳感器封裝，具有3 線電壓 I/F和增加的220/1.8nF電源/輸出電容以實(shí)現(xiàn)更高的EMC穩(wěn)健性。

英飛凌的Xensiv TLE5501模擬角度傳感器基于隧道磁阻(TMR)技術(shù)，具有高檢測(cè)靈敏度和高輸出電壓，無(wú)需內(nèi)部放大器，并允許傳感器直接連接到單片機(jī)。此外，TMR技術(shù)具有最小的溫度漂移，從而減少了對(duì)外部校準(zhǔn)和補(bǔ)償?shù)男枰?。TLE5501使用360°角測(cè)量，通過(guò)使用TMR元件測(cè)量正弦和余弦角分量來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)的方向。該傳感器以差分輸出信號(hào)的形式輸出原始信號(hào)。由于橋接輸出電壓較高，無(wú)需進(jìn)行額外的信號(hào)放大。TLE5501通過(guò)AEC-Q100和汽車(chē)ASIL型款提供，適用于角位置感測(cè)、轉(zhuǎn)向角感測(cè)、安全應(yīng)用和BLDC電機(jī)換向。

第三維度

3D霍爾傳感器技術(shù)結(jié)合了橫向和垂直霍爾傳感器，因此可以檢測(cè)所有三個(gè)維度的磁場(chǎng)強(qiáng)度。這類(lèi)傳感器可以檢測(cè)每個(gè)移動(dòng)磁鐵的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)或線性位置。例如MLX92256配備了側(cè)向感應(yīng)，這是專(zhuān)為在車(chē)窗升降系統(tǒng)中使用而設(shè)計(jì)的，在單一封裝中集成了一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器、兩個(gè)霍爾傳感器(其中一個(gè)傳感器帶有集成磁集中器(IMC)，兩者均具有先進(jìn)的偏移消除系統(tǒng))，以及兩個(gè)開(kāi)漏型輸出驅(qū)動(dòng)器。這款器件備有兩個(gè)型款。MLX92256LSE-AAA-000型款在橫向或垂直磁場(chǎng)分量發(fā)生變化時(shí)切換脈沖信號(hào)，而方向引腳僅在方向發(fā)生變化時(shí)改變。MLX92256LSE-ABA-000則配備兩個(gè)速度輸出，分別用于垂直磁場(chǎng)和橫向磁場(chǎng)。

Melexis的MLX90371/MLX90372Triaxis位置傳感器現(xiàn)已推出第三代產(chǎn)品，它們結(jié)合了磁性Triaxis霍爾前端、模擬/數(shù)字信號(hào)調(diào)節(jié)器、用于信號(hào)處理的DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)和輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)器。車(chē)輛(尤其是電動(dòng)和混合動(dòng)力車(chē)輛)的電氣化程度不斷提高，可產(chǎn)生高達(dá)4kA/m (或5mT) 的雜散磁場(chǎng)，而這些傳感器仍然不受影響。這些器件也可以在弱磁場(chǎng)下工作，而且使用更小、更便宜的磁鐵就足夠了，這不僅可以帶來(lái)成本效益，還可以節(jié)省空間。MLX90371是符合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)的ASILBSEooC(不涉及安全性)，并提供模擬或PWM輸出；MLX90372則是符合ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的ASIL-C SEooC，并具有SENT或PWM輸出。兩款傳感器均滿(mǎn)足汽車(chē)OEM廠商的EMC要求，并且指定工作溫度高達(dá)160°C。對(duì)于加速踏板位置感應(yīng)等對(duì)安全要求特別嚴(yán)格的應(yīng)用，MLX90372還提供“雙芯片”(完全冗余)TSSOP-16封裝，實(shí)現(xiàn)冗余感應(yīng)功能。

TDK-Micronas提供用于位置感測(cè)的可編程3D 傳感器系列，該系列包含三個(gè)型款：具有 SPI 接口的 HAL 3900、具有PWM/SENT 接口和開(kāi)關(guān)輸出(可配置為高/低側(cè)開(kāi)關(guān))的HAL 3930，以及具有PSI5 接口的HAL 3980。這些傳感器可以使用霍爾板陣列來(lái)抑制外部雜散磁場(chǎng)。只需要使用一塊簡(jiǎn)單的兩極磁鐵來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度，最好放置在軸端配置的敏感區(qū)域。這個(gè)傳感器系列也可用于離軸測(cè)量，可以測(cè)量360°角度范圍、線性運(yùn)動(dòng)和 3D 位置，這些功能使其成為轉(zhuǎn)向角位置感測(cè)的理想選擇。根據(jù)產(chǎn)品不同，可以傳輸BX、BY、BZ的溫度補(bǔ)償值或最多兩個(gè)計(jì)算角度。HAL-39xy傳感器在–40°+160°C的環(huán)境溫度范圍內(nèi)運(yùn)行；它們根據(jù)汽車(chē)應(yīng)用 ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，符合ASILB要求并設(shè)計(jì)為SEooC產(chǎn)品。

堅(jiān)固可靠

這些示例表明，傳感器技術(shù)不僅取得了巨大進(jìn)步以滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)日益增長(zhǎng)的需求，它們的設(shè)計(jì)也在不斷地發(fā)展演進(jìn)。許多最新型號(hào)還符合更嚴(yán)格的ISO 26262:2018 標(biāo)準(zhǔn)，其中有些是ASIL-C SEooC。冗余和安全功能以及改善EMC的措施，對(duì)此做出了很大的貢獻(xiàn)。采用相應(yīng)的封裝可以確保傳感器防潮、防塵和防污。為了在高溫環(huán)境中使用，霍爾傳感器的工作溫度最高可達(dá)170°C。由于這些特性，它們是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的重要技術(shù)。

審核編輯 黃宇