高精度角度傳感器TMAG6181-Q1：汽車應用的理想之選

在汽車電子、工業控制等領域，精確的角度測量至關重要。今天要為大家介紹一款德州儀器（TI）推出的高精度模擬AMR角度傳感器——TMAG6181-Q1，它專為汽車應用設計，具備多項出色特性。

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一、產品特性

（一）汽車應用資質

TMAG6181-Q1符合AEC-Q100汽車應用標準，溫度等級為0級，工作溫度范圍從 -40°C到150°C，能適應各種惡劣的汽車工作環境。而且它還具備功能安全合規性，為ISO 26262系統設計提供文檔支持，可達ASIL B級別，這對于汽車安全相關的應用非常關鍵。

（二）高精度與高速性能

從精度上看，它的AMR傳感器典型角度誤差低至0.1°，在3.3V工作電壓下，全溫度范圍內最大角度誤差為0.4° ；在5.5V工作電壓下，全溫度范圍內最大角度誤差為0.56°。同時，它還是高速AMR角度傳感器，超低延遲小于2μs，支持高達100krpm的轉速測量，角度測量范圍為180°。并且，其低角度漂移特性使得在不同溫度下無需進行校準，這大大簡化了設計流程。

（三）寬磁場范圍與輸出特性

該傳感器具有寬的工作磁場范圍，從20mT到1T，這為機械設計提供了更大的靈活性。輸出方面，它提供正弦和余弦差分比例模擬輸出，支持差分端或單端應用，能滿足不同系統的設計需求。而且它的啟動時間小于40μs，能快速進入工作狀態。

（四）集成功能與低功耗設計

TMAG6181-Q1集成了匝數計數器，可通過PWM輸出提供旋轉匝數計數。啟用匝數計數器的低功耗模式下電流僅為50μA，并且在低功耗模式下，智能旋轉跟蹤功能可跟蹤高達8krpm的轉速。此外，它還有專門的引腳進入睡眠模式，睡眠電流小于5μA，電源電壓范圍為2.7V到5.5V，整體功耗控制出色。

二、應用領域

TMAG6181-Q1的應用十分廣泛，涵蓋了汽車和工業的多個方面：

• 汽車領域：可用于電動助力轉向（EPS）電機位置傳感、EPS手輪角度傳感、無刷直流（BLDC）/永磁同步電機（PMSM）位置傳感、集成式皮帶啟動發電機等。
• 工業及其他領域：適用于電動自行車和兩輪車、雨刮模塊和執行器、編碼器位置傳感、伺服驅動位置傳感器等。

三、產品詳細描述

（一）工作原理

TMAG6181-Q1基于各向異性磁阻（AMR）技術，其內部集成了信號調理放大器，能根據施加的平面內磁場方向提供差分正弦和余弦模擬輸出。同時，它在X和Y軸上有兩個獨立的霍爾傳感器，用于跟蹤旋轉。該傳感器的輸出電壓與電源電壓成比例，外部ADC可以使用電源電壓作為參考，這有助于提高測量的準確性。

（二）功能模塊

• 電源管理和振蕩器模塊：包含內部穩壓器、偏置電路、低頻和高頻喚醒振蕩器，以及過壓和欠壓檢測電路。
• AMR傳感器模塊：由兩個惠斯通電橋組成，每個電橋由磁電阻傳感器構成，分別感應施加磁場的正弦和余弦分量。
• AMR傳感路徑模塊：包含信號調理放大器、偏移補償、自動增益控制（AGC）電路和輸出驅動器。
• 匝數計數路徑模塊：包含X和Y霍爾傳感器、相關偏置電路、信號調理、邏輯比較器和計數器，用于跟蹤旋轉。
• 內部存儲模塊：支持工廠編程值。
• 診斷模塊：支持對內部電路進行背景診斷檢查。

（三）傳感器特性

• 磁通量方向：對X和Y方向的磁場分量敏感，X和Y場與封裝平面平行。
• 傳感器位置和放置公差：AMR傳感器和X、Y霍爾元件的中心位于封裝中心，芯片在封裝內的旋轉公差會導致±3°的參考角度誤差。
• 磁響應：AMR傳感器的輸出對應于cosine 2θ和sine 2θ ，每360°的外部磁場旋轉，AMR輸出提供兩個周期，每個周期的感應范圍為180°?；魻杺鞲衅鲗和Y軸的平面內磁場敏感，具有360°的角度范圍。

（四）參數定義

• AMR輸出參數：包括單端輸出電壓峰峰值、幅度異步比、差分偏移、共模輸出電壓等。
• 瞬態參數：如傳播延遲、相位誤差等，這些參數會受旋轉磁場速度的影響。
• 霍爾傳感器參數：有運行點、釋放點、磁滯、對稱性等。
• 角度精度參數：分為未校準角度誤差、單點校準角度誤差和動態角度誤差等，不同的校準方式會影響角度測量的準確性。

（五）自動增益控制（AGC）

為了減少AMR傳感器輸出在不同溫度下的漂移，TMAG6181-Q1采用了AGC電路。它會根據輸出信號的幅度調整輸出驅動器的增益，使單端電壓的峰 - 峰值在規定范圍內。當輸出超出預定工作范圍時，AGC會以±1% VCC 的步長調整增益，調整間隔約為1秒。

（六）匝數計數器

該傳感器集成了一個11位的匝數計數器，可通過TURNS引腳以PWM格式發送匝數信息。當計數器值為0時，TURNS引腳輸出50%的占空比。在不同的工作模式下，匝數計數器的工作方式有所不同。在活躍模式下，可通過拉低TURNS引腳至少125μs來啟用計數器，拉低至少1.1ms來重置計數器；在低功耗模式下，設備會定期喚醒以監測霍爾傳感器狀態并更新計數器信息。

（七）安全和診斷功能

TMAG6181-Q1支持多種設備和系統級診斷功能，可檢測、監測和報告設備運行過程中的故障。當檢測到故障時，設備會進入故障狀態，AMR傳感器輸出進入高阻抗狀態。具體的診斷檢查包括AMR信號路徑檢查、霍爾傳感器信號路徑檢查、匝數計數器溢出檢查、電源管理和支持電路檢查、內部存儲器完整性檢查等設備級檢查，以及 VCC 欠壓和過壓檢查、引腳開路和短路檢查等系統級檢查。

（八）設備功能模式

• 活躍模式：SLEEP引腳拉高時進入，AMR輸出跟蹤磁場方向，匝數計數器禁用。
• 活躍匝數模式：AMR傳感器輸出活躍，匝數計數器啟用，TURNS引腳作為I/O提供計數器信息。
• 低功耗模式：在啟用匝數計數器后可進入，設備定期喚醒，TURNS引腳不輸出PWM信息，平均電流消耗較低，且具備旋轉跟蹤功能，可跟蹤高達8krpm的轉速。
• 睡眠模式：SLEEP引腳電壓低于VIL 并保持低電平超過1.1ms時進入，是最低電流消耗狀態，退出睡眠模式時SLEEP引腳電壓需高于VIH 。
• 故障模式：檢測到故障時進入，AMR輸出處于高阻抗狀態。

四、應用與實現

（一）應用信息

• 電源作為外部ADC的參考：由于AMR輸出信號與電源電壓成比例，建議使用電源電壓（VCC）作為外部ADC的參考，這樣可以消除使用單獨參考電壓可能產生的誤差，并優化外部ADC的輸入范圍。同時，為了減少電源噪聲，建議使用0.1μF的旁路電容。
• AMR輸出與氣隙距離的關系：AMR傳感器只對平行于芯片表面的X - Y平面上的磁場方向敏感。只要磁場強度高于推薦的最小工作磁場，AMR輸出的角度精度就與施加磁場的絕對值無關。
• 傳感器誤差校準：TMAG6181-Q1在工廠進行了校準，但為了獲得最佳性能，仍可對一些影響角度精度的電氣誤差進行校準，如偏移誤差、幅度失配誤差等。通過旋轉磁場并連續采樣正弦和余弦輸出，可以計算出相應的校準參數。

（二）典型應用

TMAG6181-Q1可用于單端輸出模式或差分輸出模式，能直接驅動高達10nF的電容負載，對于每米電容為100pF的電纜，可驅動長達100m的電容負載。在差分輸出模式下，有助于消除系統中的共模干擾；在單端輸出模式下，動態范圍和抗噪聲能力通常會降低，但可通過添加外部低通濾波器來減少噪聲和電磁干擾。為了確保外部微控制器能檢測到高阻抗狀態，建議在輸出端添加上拉或下拉電阻。

（三）設計要求與步驟

以軸向測量設置為例，在設計時需要考慮電源電壓、磁體類型、輸出模式、電機最大轉速、期望的溫度范圍內角度誤差等參數。為了實現準確的角度測量，需要進行參考角度校準、電氣偏移校準和幅度失配校準。同時，在一些應用中，可能需要多個角度位置傳感器，此時可以采用冗余設計或多路復用設計。

（四）電源與布局建議

在電源方面，建議使用靠近設備的去耦電容，提供本地能量并減少電感，推薦使用至少0.01μF的陶瓷電容。在布局方面，由于磁場可以穿過大多數非鐵磁材料和印刷電路板，因此可以將磁體放置在塑料或鋁制外殼外，或者PCB的另一側。

TMAG6181-Q1是一款性能卓越的角度傳感器，憑借其高精度、低功耗、寬磁場范圍、集成功能和安全診斷等特性，在汽車和工業應用中具有很大的優勢。電子工程師們在進行相關設計時，可以考慮這款傳感器來滿足系統的需求。大家在實際運用中遇到過哪些和角度傳感器相關的挑戰呢？歡迎在評論區分享。