數字磁傳感器解決方案

數字磁傳感器是一種設備，在該設備中，由于外部磁場的存在，輸出開關會在 ON 和 OFF 狀態之間切換。這種類型的基礎上的物理原理的裝置的霍爾效應，被廣泛地用作接近，定位，速度和電流檢測傳感器。與機械開關不同，它們是一種持久的解決方案，因為它們沒有機械磨損，甚至可以在特別惡劣的環境條件下運行。數字磁傳感器正變得越來越普遍，尤其是在汽車和消費電子領域，這要歸功于非接觸式操作、無需維護、堅固耐用以及抗振、防塵和抗液體等特性。

例如，在汽車領域，這些傳感器用于檢測位置、距離和速度。在發動機內部，它們用于識別曲軸的位置，在乘客艙中，它們用于檢測座椅和安全帶的位置（操作安全氣囊控制系統的基本信息），在車輪上，它們用于檢測檢測 ABS 所需的旋轉速度。

工作原理

每個磁傳感器的核心由霍爾元件表示，其輸出電壓（也稱為霍爾電壓，用 V H表示）與通過半導體材料的磁場強度成正比。由于該電壓非常低，只有幾微伏的數量級，因此有必要在其他組件（例如運算放大器、電壓比較器、電壓調節器和輸出驅動器）的設計中包括在內。根據輸出的類型，磁傳感器分為線性（模擬輸出電壓隨磁場強度線性變化）和數字（輸出只能呈現兩種狀態）。在這兩種情況下，V H電壓都滿足以下等式：

V H = R H · ((B · I) / t)

其中： V H?是以伏特為單位的霍爾電壓，R H?是霍爾效應系數，I 是以安培為單位流過傳感器的電流，t 是以毫米為單位的傳感器厚度，B 是以特斯拉為單位的磁通密度。圖 1顯示了通用線性霍爾效應傳感器的框圖，而圖 2的框圖指的是數字傳感器。霍爾元件如圖 1 所示由帶有“X”的方框組成，根據類型，傳感器可能包括多個相同類型的單元（需要兩個單元來檢測差分磁場，三個用于檢測方向或運動）。為了增加接口的靈活性，模擬傳感器通常包括一個發射極開路、集電極開路或連接到差分放大器輸出端的推挽晶體管。兩種方案之間的主要區別在于，具有數字輸出的傳感器包括一個連接到運算放大器的具有內置遲滯的施密特觸發器。

圖 1：線性（模擬輸出）霍爾效應傳感器的框圖

當通過傳感器的磁通量超過某個閾值時，輸出從 OFF 切換到 ON。磁滯用于消除傳感器進入和離開磁場時輸出信號的任何振蕩。基于霍爾效應的器件分為單極和雙極傳感器。雙極傳感器需要一個正磁場（南極）進行操作，一個負磁場（北極）進行釋放。單極傳感器需要一個磁極（南極）來操作和釋放。此外，傳感器通常設計為在沒有電磁場的情況下在關閉狀態（開路）下產生輸出，并在它們受到足夠強度的磁場并具有正確的磁場時在開啟狀態下輸出（閉合電路）極性。

圖 2：數字霍爾效應傳感器框圖

應用

無論何種特定類型的應用，霍爾效應傳感器正確運行的基本要求是磁通線始終垂直于傳感器表面并具有正確的極性。數字磁傳感器的應用有很多，包括汽車、消費電子、電子醫療系統、電信、工業過程控制。位置傳感器用于檢測磁鐵和傳感器之間的滑動運動，兩個元件放置在非常短的距離。當傳感器向南移動時，磁鐵與傳感器之間的相對運動產生正磁場，當傳感器向北極移動時產生負磁場。

可使用多種技術來確定位置：例如，如果應用需要有限的離散位置，可以使用簡單的開關，而對于需要更高精度的應用，可以將線性設備與微處理器結合使用。位置或接近傳感器還可用于監測液體的液位，可用于洗衣機或洗碗機等家用電器。在這種情況下，幾個霍爾開關與放置在浮子上的磁鐵結合使用。

當浮子在管內上升時，位于外殼外部的相應離散開關被激活，提供水位的數字指示。另一個重要的應用涉及直流無刷電機，其速度由電氣而非機械換向控制。在這方面，三個數字磁傳感器放置在電機定子上，而永磁體放置在轉子軸上。汽車行業已成為全球磁場傳感器市場的領導者，占市場份額的 40% 以上。將多種安全功能集成到汽車中的需求不斷增加，這為霍爾傳感器創造了機會，霍爾傳感器在電子穩定控制系統 (ESC) 和防抱死制動系統 (ABS) 等多個安全相關應用中得到了利用。

用于位置檢測的數字磁傳感器的一個例子是 Allegro MicroSystems A1210-A1214設備系列。A121x 系列傳感器通過汽車應用的 AEC-Q100 認證，提供高可靠性、在擴展溫度范圍內穩定和連續運行、強大的 EMC 性能和高 ESD 額定值。A1210-A1214 霍爾效應鎖存器在單個硅芯片上包含以下組件：穩壓器、霍爾電壓發生器、小信號放大器、施密特觸發器和 NMOS 輸出晶體管。

當垂直于霍爾元件的磁場超過工作點閾值時，這些設備的輸出會切換為低電平（打開）。傳感器具有閉鎖行為，即具有足夠強度的南極打開設備，并且在移除南極后它也保持開啟。當磁場降低到釋??放點以下時，傳感器輸出變高（關閉）。磁性操作點和釋放點的區別在于設備的磁滯。

磁性傳感器也適用于角位置的精確檢測。一個例子是AMS AS5048A/AS5048B磁性旋轉編碼器，一種為 360° 角位置檢測提供 14 位高分辨率輸出的傳感器。圖 3 顯示了該器件的主要功能塊：霍爾傳感器、模數轉換器和數字信號處理。磁鐵的絕對位置可通過 PWM 輸出直接訪問，并可通過標準 SPI 或高速 I2C 接口獲取，具體取決于版本。零位可通過 SPI 或 I2C 命令編程，簡化了整個系統，因為磁鐵不需要機械對齊。該傳感器可承受未對準、氣隙變化、溫度和外部磁場變化。可靠性、穩健性和寬溫度范圍使其成為惡劣工業和醫療環境中旋轉角度傳感的理想選擇。

圖 3：AS5048A 的主要功能塊 [來源：AMS]