Abstract

傳統的開關具有許多功能，例如可以實現ON/OFF開關，可以改變部件的運動方向，可以通過旋鈕的形式用角度做量程控制等等。 這些傳統的開關主要是機械方案，成本很低，但機械結構件都會存在磨損問題，頻繁使用會縮短系統的壽命。針對這類問題， TI 的霍爾效應傳感器可以在許多開關應用中替代機械開關，從而實現穩健的設計，與機械開關相比，系統壽命更長。本應用文檔介紹了四種 TI 霍爾傳感器的開關解決方案。涵蓋了市面上開關常用的ON/OFF功能，方向控制功能，旋轉控制功能，以及一些要求嚴格的系統方案。TI的霍爾傳感器的產品規劃很好的覆蓋了傳統開關的絕大多數類型，優良的性能和極低的成本也引領了傳統開關由機械化往電子化轉變的趨勢

1. ON/OFF開關的解決方案

大多數 ON/OFF 開關都是基于機械的。 機械開關用于許多應用，包括工業、樓宇的自動化以及各種電器中。 即使這樣的解決方案具有許多優點，它仍然存在一些不足之處。 例如會限制系統的使用壽命。

如果系統對產品的使用壽命有要求或者提升的需求，那么這類產品就可以考慮使用霍爾感應開關來替代原有的機械部件以實現這種ON/OFF開關的功能。 TI的明星產品DRV5032，兼具了性能和低成本并且有單極霍爾效應開關和雙極霍爾效應開關。 DRV5032 器件是一款超低功耗數字開關霍爾效應傳感器，專為最緊湊和針對小型化和電池供電的系統設計的系統。該器件提供多個磁閾值、采樣率、輸出驅動器和封裝，以適應各種應用。

下面是霍爾感應開關的原理， DRV5032 可根據磁鐵與霍爾傳感器的距離向系統控制單元發出觸發信號。當施加的磁通密度超過操作的閾值時，該設備可以直接輸出一個低電壓，或通過開漏結構輸出配置拉至低電平狀態。 輸出會保持低電平狀態，直到磁通密度降低到小于閾值，然后輸出會變成高電平，或者高阻抗狀態。關于磁鐵的放置以及設計，TI的Application Report SLVAEH3 有詳細的介紹，可以作為參考來進行設計。DRV5032的閾值提供了3.9mT，4.8mT，9.5mT，63mT四個版本。 芯片內部集成振蕩器電路，并有兩個頻率版本可選。如果對采樣實時性要求高，可以選擇20Hz版本，如果對功耗敏感，可以選擇5Hz版本。該器件在 1.65 V 至 5.5 V 的 VCC 范圍內工作，擁有標準的 SOT-23，TO-92 封裝以及更小的X2SON封裝。

Figure 1. DRV5032 ON/OFF 開關方案

2. 有方向選擇的開關方案

許多應用場景需要使用 3 位置開關來選擇電機的旋轉方向。 例如很多電器或者工控產品會需要一些電機實現正反轉的方向選擇，主要分為電機的正向旋轉、反向旋轉還有待機狀態。 傳統的解決方案主要是基于接觸式機械結構實現的，由于多方向摩擦或者接觸的原因，機械損耗會加劇。霍爾感應方案可以很好的解決這個問題，同時也可以通過以下方案來實現三個方向的選擇。 由于 DRV5032 具有兩個單極輸出，可響應磁體的不同極性，因此只需使用一個磁體和一個霍爾開關即可實現方向選擇。 它可以感應兩個不同方向的磁場。 這是只有一個 DRV5032 的低成本解決方案。下面是實現方式以及對應的選擇邏輯描述。

Figure 2. 單芯片方向選擇的開關模型

Table 1. 方向選擇的開關邏輯

Figure 3. 雙芯片方向選擇的開關方案

但是這個解決方案有一個設計難點。 它需要將霍爾傳感器安裝在磁鐵的正中間的位置以確保準確的觸發控制邏輯，這在大規模量產的生產中是個難點，很難確保生產的一致性問題。關于這種痛點，另一種方案是用兩片DRV5032去實現3位置控制。一片DRV5032對S極進行觸發，另一片對對N極進行觸發。這樣，就可以降低生產對磁鐵位置的苛刻要求，降低了一致性的難度，從而實現三位置的控制邏輯。

3. 旋鈕開關的解決方案

市面上還有很多開關是用角度或位置來進行控制的，這就需要開關可以做旋轉等操作。傳統的機械結構為了使開關可以360度的旋轉會需要更復雜的結構件，這無疑是給成本和壽命帶來了更大的挑戰。 TI 的 3D 霍爾傳感器可以檢測三軸磁感應值并計算不同軸的角度值，進而可以幫助旋轉類型的開關實現控制。 TI的明星產品 TMAG5710 和 TMAG5273 都有適用于該應用的參考設計。TMAG5710的評估板設計了一個旋轉開關，旋鈕內部鑲嵌了一塊圓形的磁鐵，TMAG5710會對磁鐵的旋轉進行磁感應強度的檢測，進而將線性的信號傳遞給控制單元。控制單元可以針對這三軸的磁感應值進行計算，最終得到相應的角度和位置信息。

Figure 4. 旋轉開關的完整解決方案

此外，TI的3D霍爾傳感器還有相應的GUI軟件，配合著評估版可以直接在電腦端評估3D霍爾傳感器的性能。可視化界面可以直接動態監測出對應的角度和磁感應強度。

4. 可靠性增強型的方案

有些產品是需要過很多安全認證的，這種類型的產品會對系統的可靠性以及抗干擾性有很高的要求。因為霍爾傳感器在一定程度上都會受到外部磁場的影響，如果系統只使用單個或者兩個霍爾傳感器，這樣的系統是無法規避所有的外部干擾的。針對這個問題，TI 有一套完整的解決方案。如下，兩片DRV5032可以配合磁鐵實現開關和方向控制功能。同時還有兩片DRV5032做信號檢測輔助系統識別外來的干擾信號。當系統有這樣四個有效信號后，控制單元就可以充分的用邏輯判斷出絕大多數的風險， 進而實現了增強系統可靠性的功能。TI的參考設計TIDA-060032詳細的介紹了這套方案設計，可以根據系統需求進行參考。

同時方案中的線性霍爾傳感器DRV5056可以實現對磁鐵距離的線性監測并輸出一個線性信號給到控制單元，進而可以實現調速等控制功能。

Figure 5. 可靠性增強型方案的模型

審核編輯：湯梓紅