關(guān)于霍爾效應(yīng)傳感器的11個誤區(qū)

多年來，設(shè)計人員一直在工業(yè)和汽車系統(tǒng)中使用霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行接近檢測、線性位移測量、旋轉(zhuǎn)編碼和許多其他應(yīng)用。隨著時間的推移，更高的系統(tǒng)性能要求促使集成電路供應(yīng)商提高靈敏度精度、集成更多功能、提供不同的傳感方向和更低的功耗，從而將霍爾效應(yīng)傳感器的使用范圍擴(kuò)大到未來幾十年。

本文將探討有關(guān)霍爾效應(yīng)傳感器的常見誤解，并在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)⑵渑c實際應(yīng)用聯(lián)系起來。

許多機(jī)電設(shè)計需要使用傳感器檢測物體，該傳感器提供一個簡單的邏輯信號來指示其存在或不存在。一個例子是筆記本電腦蓋的關(guān)閉和打開，指示何時打開或關(guān)閉它。另一個例子是門窗傳感器中的入侵事件。這些應(yīng)用通常使用一個簡單的霍爾效應(yīng)開關(guān)，一旦超過內(nèi)部磁閾值，該開關(guān)就會切換其輸出電壓。EETOP

雖然這些霍爾效應(yīng)開關(guān)非常有用，但它們并不是唯一可用的霍爾效應(yīng)傳感器類型——鎖存器和線性器件也很常見。與開關(guān)相比，主要用于旋轉(zhuǎn)編碼的鎖存器只會在與之前經(jīng)歷的磁極性相反的情況下切換其輸出。

對于精確的位移測量，線性霍爾效應(yīng)傳感器更可取，因為它們可以以高分辨率定義物體相對于傳感器的位置。換句話說，它們提供的不僅僅是開和關(guān)信息。圖 1說明了每種傳感器的傳遞函數(shù)，包括可用的變體。

線性霍爾效應(yīng)傳感器無疑是具有成本效益的解決方案，可提供可靠的磁信息。此類傳感器的用戶知道這一事實，但通常會考慮使用其他技術(shù)來滿足他們的高精度要求。EETOP

例如，在工業(yè)機(jī)器人中，移動臂必須相對于目標(biāo)物體精確定位。使用高精度線性 3D 霍爾效應(yīng)傳感器，例如德州儀器 (TI)的TMAG5170，可提供此類應(yīng)用所需的精度（圖 2）。此外，該器件的高精度和低靈敏度隨溫度漂移可能消除了對系統(tǒng)級校準(zhǔn)的需要。

霍爾元件與霍爾效應(yīng)傳感器本質(zhì)上是不一樣的。霍爾元件需要偏置電路和差分放大器，是產(chǎn)生可用電壓所需的最基本結(jié)構(gòu)。與霍爾效應(yīng)傳感器相比，霍爾元件沒有將所有支持電路集成到單個封裝中。

圖 3顯示了這兩種傳感器的電路實現(xiàn)?；魻栐ǔＳ糜诰炔恢匾?、成本極其重要且附近有差分放大器以最大限度減少外部噪聲耦合的應(yīng)用。此外，霍爾元件具有隨溫度變化的固有非線性變化，而霍爾效應(yīng)傳感器具有內(nèi)置補(bǔ)償功能，可確保在 -40 至 125°C 的寬溫度范圍內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定測量。

4. 霍爾效應(yīng)開關(guān)不是簧片開關(guān)的有用替代品

如今，簧片開關(guān)在許多應(yīng)用中仍然很普遍，例如門窗傳感器。在安全警報系統(tǒng)中使用簧片開關(guān)的主要缺點是無法檢測到篡改事件。通過使用線性 3D 霍爾效應(yīng)傳感器，設(shè)計人員可以利用任何未用于有源測量的通道來檢測此事件。

另一個例子是在冰箱門中控制打開或關(guān)閉內(nèi)部燈的確切位置。鑒于其嚴(yán)格的閾值滯后規(guī)格，霍爾效應(yīng)開關(guān)提供一致的開合距離檢測。

使用簧片開關(guān)的第二個主要缺點是它們無法使用標(biāo)準(zhǔn)的印刷電路板 (PCB) 組裝程序。這些器件必須手工焊接到板上，從而使組裝過程復(fù)雜化并增加成本。表 1比較了這兩種技術(shù)。

雖然某些霍爾效應(yīng)傳感器消耗的電流確實在個位數(shù)毫安范圍內(nèi)，因此不適合電池供電的應(yīng)用，但其他霍爾效應(yīng)開關(guān)支持低采樣率（5 Hz 或更低）并且平均消耗的電流小于1微安。這些設(shè)備在高功率活動測量狀態(tài)和超低功率睡眠狀態(tài)之間循環(huán)，以實現(xiàn)低功耗。由于活動狀態(tài) (t active ) 持續(xù)時間比睡眠間隔 (t s ) 短得多，因此總平均電流消耗非常低。

市場上絕大多數(shù)霍爾效應(yīng)傳感器只有三個引腳——V CC（電源）、輸出和 GND（地）——所以一般的想法是必須將三根線連接到傳感器，這并不準(zhǔn)確。如圖 5所示，一個漏極開路、電壓輸出、三引腳霍爾效應(yīng)開關(guān)僅用兩根導(dǎo)線遠(yuǎn)程連接。

當(dāng)感應(yīng)到磁場時，器件會通過 GND 引腳產(chǎn)生電流輸出。如果未檢測到磁場，則器件的輸出將不會產(chǎn)生任何電流，進(jìn)而不會通過 GND 引腳產(chǎn)生輸出電流。請注意，確定電阻器的邏輯狀態(tài)需要一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，它可以集成到微控制器中，以及一個外部電阻器。這種配置的問題是它會在嘈雜的條件下產(chǎn)生無效的電壓電平。

確保可靠的數(shù)據(jù)傳輸需要電流輸出設(shè)備來減少或消除信號失真。例如，TMAG5124是一種雙引腳解決方案，僅需要電源電壓和接地即可運(yùn)行。圖 5顯示了如何通過使用 GND 引腳傳輸?shù)碗娖交蚋唠娖诫娏鳎ň诤涟卜秶鷥?nèi)）來實現(xiàn)該器件。

磁鐵相對于傳感器的位置取決于許多因素——一些是系統(tǒng)級因素，而另一些則是傳感器本身固有的。決定磁體放置的外部系統(tǒng)因素主要是磁體尺寸、磁體材料類型和工作溫度范圍。磁鐵越大，產(chǎn)生的磁場就越大。

在最常用的磁體中，釹鐵硼 (NdFeB) 磁體產(chǎn)生最強(qiáng)的磁場。因此，它們的尺寸通常較小。

在選擇磁鐵時考慮熱量也很重要，因為它通常會降低產(chǎn)生的磁場。

影響傳感器特定磁體放置的主要因素包括靈敏度水平、傳感方向（平面內(nèi)與平面外）、封裝產(chǎn)品、板載傳感器數(shù)量和可配置性。靈敏度更高的霍爾效應(yīng)傳感器可以檢測到更遠(yuǎn)的磁鐵。

大多數(shù)霍爾效應(yīng)開關(guān)和鎖存器檢測垂直于封裝表面的磁場，但有些可以檢測封裝的水平方向（或平面內(nèi)）。TMAG5123就是一個很好的例子，當(dāng)垂直位移不可能時，它可以在設(shè)計中提供更大的機(jī)械靈活性。另一個例子是使用能夠監(jiān)控多個軸的 2D 雙通道鎖存器。您幾乎可以將它們放置在與磁鐵相關(guān)的任何位置。

霍爾效應(yīng)傳感器在許多位移應(yīng)用中很受歡迎，但它們也用于絕對角度測量。通過策略性地將兩個單軸線性霍爾效應(yīng)傳感器圍繞旋轉(zhuǎn)偶極磁體放置，每個傳感器都可以拾取與另一個異相的磁場矢量。有了這些信息，使用反正切函數(shù)就可以很容易地計算出旋轉(zhuǎn)磁鐵的準(zhǔn)確角度。

圖 6顯示了在兩種不同封裝類型中使用線性傳感器的兩種實現(xiàn)方式。另一種更優(yōu)雅的角度測量方法是使用單個線性 3D 霍爾效應(yīng)傳感器（參見圖 6b了解各種配置）。要了解角度測量，請查看 TI 的“使用霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的絕對角度測量”和“使用多軸線性霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行角度測量”。

還有一些人認(rèn)為霍爾效應(yīng)傳感器沒有很好的實際使用范圍，因為磁場隨距離呈指數(shù)衰減。然而，具有高靈敏度的霍爾效應(yīng)傳感器可以從很遠(yuǎn)的距離檢測到有用的磁場。

以 TI 的DRV5032 為例。表 2顯示了使用小型低成本鐵氧體磁鐵 (12 × 12 × 6 mm) 提供的所有器件變體的正面感應(yīng)距離。TI 的最低靈敏度 DRV5032ZE 可以檢測 4.0 至 7.5 mm 的磁鐵，而 DRV5032FA 版本的范圍在 18.7 至 44.6 mm 之間。如果使用更堅固、尺寸相同的 52 級 NdFeB 磁體，該檢測距離將增加到近 3 英寸。

設(shè)計人員通常會考慮隧道磁阻 (TMR) 傳感器，因為它們具有高磁靈敏度、高線性度和低功耗。此外，TMR 傳感器可以感應(yīng)與封裝水平（或平面內(nèi)）的磁場。當(dāng)今可用的大多數(shù)霍爾效應(yīng)傳感器都對垂直場敏感，但少數(shù)（例如TMAG5123）具有平面內(nèi)傳感能力。然而，使用霍爾效應(yīng)傳感器的一個優(yōu)勢是較低的總系統(tǒng)成本。圖 7顯示了平面內(nèi)傳感器的靈敏度方向性。

這條確實是真的--使用干簧管和基本霍爾效應(yīng)開關(guān)的系統(tǒng)有可能被篡改。大的外部磁場可以欺騙系統(tǒng)，使其相信一切都在正常工作。

解決這個問題的一個好方法是使用一個線性三維霍爾效應(yīng)傳感器。一個軸監(jiān)測預(yù)定磁鐵的存在，而另外兩個通道檢測外部磁場。通過使用每個通道都有可配置的磁性閾值的線性三維傳感器，你在設(shè)置適當(dāng)?shù)?"篡改檢測 "閾值方面有更大的靈活性。在圖8所示的例子中，一旦閾值被越過，MCU就會收到一個中斷信號。

霍爾效應(yīng)傳感器的使用如此廣泛，以至于我?guī)缀趺刻於寄苈牭揭环N新穎有趣的新應(yīng)用。我的期望是，這里給出的11個誤區(qū)將激發(fā)您對下一代設(shè)計的想法。