深度解讀鎖存器和開關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用

與機(jī)械開關(guān)相比，鎖存器和開關(guān)芯片在眾多應(yīng)用中發(fā)揮著更為關(guān)鍵的作用。它們可以提高終端裝配的靈活性、可靠性、功能安全性、可重復(fù)性、準(zhǔn)確性并優(yōu)化尺寸。本文主要介紹鎖存器和開掛的工作原理、不同類型以及 Melexis 鎖存器和開關(guān)芯片產(chǎn)品組合。

智能和互聯(lián)始于鎖存器和開關(guān)芯片

與機(jī)械開關(guān)相比，鎖存器和開關(guān)芯片在眾多應(yīng)用中發(fā)揮著更為關(guān)鍵的作用。它們可以提高終端裝配的靈活性、可靠性、功能安全性、可重復(fù)性、準(zhǔn)確性并優(yōu)化尺寸。本文主要介紹鎖存器和開掛的工作原理、不同類型以及 Melexis 鎖存器和開關(guān)芯片產(chǎn)品組合。

什么是鎖存器和開關(guān)芯片？

磁性鎖存器和開關(guān)芯片基于霍爾效應(yīng)原理，將磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（1 或 0）。因此，其輸出為 On（開）或 Off（關(guān)），具體取決于所施加的磁場(chǎng)。通過磁鐵的位置，鎖存器和開關(guān)芯片可以確定物體的實(shí)際位置。

開關(guān)原理

輸出在達(dá)到定義的閾值時(shí)發(fā)生變化。

鎖存器原理

這是基于兩個(gè)相反的閾值進(jìn)行動(dòng)作的咖甘。輸出首先在達(dá)到定義的一個(gè)閾值（例如北極磁場(chǎng)值）時(shí)發(fā)生變化，然后在達(dá)到相反的閾值（例如南極磁場(chǎng)值）時(shí)再次發(fā)生變化。在這兩個(gè)閾值之間，輸出處于鎖定狀態(tài)（保持不變）。

鎖存器和開關(guān)芯片主要有哪些類型？

鎖存器和開關(guān)芯片分為三大類。對(duì)于這三類，關(guān)鍵參數(shù)都是兩個(gè)開關(guān)閾值：BOP，磁場(chǎng)工作點(diǎn)；BRP，磁場(chǎng)釋放點(diǎn)。

第一類是單極開關(guān)芯片。

此類芯片只在一個(gè)磁場(chǎng)范圍中激活，可以是北極磁場(chǎng)或南極磁場(chǎng)。如果施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度高于 BOP 閾值，開關(guān)芯片將啟用輸出。移除磁鐵后，磁場(chǎng)強(qiáng)度將低于 BOP 閾值，開關(guān)芯片將禁用輸出。這種開關(guān)芯片主要用于位置檢測(cè)。

第二類是雙極開關(guān)芯片，也稱為鎖存器。

鎖存器可以在一個(gè)磁場(chǎng)范圍內(nèi)激活，在施加相反的磁場(chǎng)時(shí)停用。在這種情況下，BOP 定義輸出驅(qū)動(dòng)器何時(shí)激活（On（開）），而 BRP 定義輸出驅(qū)動(dòng)器何時(shí)停用（Off（關(guān)））。鎖存器通常用于 PLC 控制的無刷直流電機(jī)換向或直流電機(jī)索引計(jì)數(shù)。

第三類是全極開關(guān)芯片。

功能與雙極開關(guān)芯片相同，但可以同時(shí)在兩個(gè)磁場(chǎng)范圍內(nèi)工作。換言之，這類開關(guān)芯片在南北極磁場(chǎng)中都能激活，用于檢測(cè)兩個(gè)磁場(chǎng)范圍的變化。

鎖存器和開關(guān)芯片應(yīng)用在哪些領(lǐng)域？

鎖存器和開關(guān)芯片無處不在，可應(yīng)用于各種設(shè)備，簡(jiǎn)化我們的生活。這些“開-關(guān)”切換器件廣泛應(yīng)用在汽車的制動(dòng)系統(tǒng)、變速箱、車門鎖以及安全帶等組件。在電動(dòng)自行車中，這些器件用于踏板輔助系統(tǒng)、速度計(jì)和電機(jī)換向，而在電動(dòng)摩托車中，這些器件還用于觸發(fā)控制器。

在居家環(huán)境中，鎖存器和開關(guān)器件廣泛應(yīng)用于各種智能家電。這些器件用于確保洗衣機(jī)的門已關(guān)閉；顯示咖啡機(jī)的水位和水流量；檢測(cè)打印機(jī)紙張負(fù)載以及機(jī)蓋是打開還是關(guān)閉；并且可用于各種電動(dòng)工具（電機(jī)換向、位置檢測(cè)器等）。

其他應(yīng)用包括智能樓宇（HVAC 電機(jī)換向）、機(jī)器人技術(shù)（開/關(guān)檢測(cè)、無刷直流電機(jī)換向、終點(diǎn)位置檢測(cè)等）、能源管理（門開/關(guān)檢測(cè)等）和數(shù)字健康（健康管理設(shè)備電機(jī)換向、溫度計(jì)防水開關(guān)等）等。

如何選擇正確的輸出功率?

為選擇適合特定應(yīng)用的鎖存器和開關(guān)芯片，首先需要選擇正確的輸出功能。這取決于具體模塊以及用于連接另一個(gè)系統(tǒng)的電線數(shù)量。標(biāo)準(zhǔn)配置為 2 線制、3 線制或 4 線制。這意味著您可以選擇輸出由電源電流表示的 2 線制傳感器芯片；具有開漏輸出的 3 線制傳感器芯片；以及輸出速度（或脈沖）和方向兩個(gè)信號(hào)的 4 線制傳感器芯片。

在某些消費(fèi)類應(yīng)用中，還可以選擇推挽輸出類型，而不采用開漏輸出。在這種情況下，無需額外使用外部元件（上拉電阻），從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化模塊裝配。

2 線制

這類芯片通常用于遠(yuǎn)程傳感器應(yīng)用。其主要優(yōu)勢(shì)在于，可以替換 2 線制機(jī)械開關(guān)，同時(shí)仍然使用相同的線束。芯片的電流用于識(shí)別傳感器芯片是否已達(dá)到工作點(diǎn)或釋放點(diǎn)。

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：

IDD_LO

當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度等于或低于 BRP 時(shí)產(chǎn)生的電流。部件消耗的電流通常為 3.3 mA 或 6 mA，具體取決于所選的傳感器芯片。

IDD_HI

磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到 BOP 閾值時(shí)部件消耗的電流。該值通常為 14 mA。

電流水平在整個(gè) VDD 范圍內(nèi)保持不變，即使出現(xiàn)一些波動(dòng)，也能確保讀數(shù)穩(wěn)定。檢測(cè)電阻 RSENSE 所在的回路可將電流輸出轉(zhuǎn)換為電子控制單元的邏輯輸入。

3 線制

這類芯片配有開漏輸出。為形成 3 線制，阻性負(fù)載必須連接到 VDD 線。典型負(fù)載介于 10 kΩ 和 100 kΩ 之間。該負(fù)載可以連接在模塊側(cè)或電子控制單元側(cè)。達(dá)到 BOP 閾值時(shí)，輸出將接近 0 V。在這種情況下，輸出將被禁用并通過上拉電阻連接到 VDD。

4 線制

這類芯片輸出兩個(gè)信號(hào)：速度（或脈沖）和方向。速度是鎖存?zhèn)鞲衅鞯恼］敵觯较蜉敵霰硎拘D(zhuǎn)方向是順時(shí)針還是逆時(shí)針。這類芯片配有兩個(gè)霍爾元件，通過使用 CMOS 工藝確保板間寬度固定。

根據(jù)鎖存磁特性，速度 (SP) 輸出會(huì)在面向封裝頂部的南極或北極磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠強(qiáng)時(shí)分別變?yōu)榈碗娖交蚋唠娖?。磁?chǎng)去除后，器件會(huì)保持之前的狀態(tài)。

當(dāng)兩個(gè)霍爾板上存在特定的磁脈沖序列時(shí)，方向 (DIR) 輸出會(huì)根據(jù)所施加磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向鎖存為低電平或高電平。

Melexis 鎖存器和開關(guān)芯片有哪些特性？

側(cè)向感應(yīng)選項(xiàng)

側(cè)向感應(yīng)僅需一個(gè)開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)速度檢測(cè)，適用于摩托車輪速傳感器等背向偏置應(yīng)用。側(cè)向感應(yīng)還可實(shí)現(xiàn)通常需要傳統(tǒng)通孔組件的表面貼裝器件 (SMD) 解決方案。與其他解決方案相比，回流焊可為其帶來更多優(yōu)勢(shì)。典型應(yīng)用包括鼓風(fēng)機(jī)、冷卻風(fēng)扇和泵等。

此外，側(cè)向感應(yīng)還能提高磁性設(shè)計(jì)的靈活性，從而實(shí)現(xiàn)尺寸更為小巧的電機(jī)設(shè)計(jì)，不受間距影響。典型應(yīng)用包括汽車行業(yè)的車窗升降器和天窗等。

雙芯片選項(xiàng)

雙芯片選項(xiàng)可提供另一個(gè)可編程/預(yù)設(shè)輸出，即芯片共包含兩個(gè)獨(dú)立的輸出，芯片功能更為豐富，可實(shí)現(xiàn)反向輸出、報(bào)警檢測(cè)和失磁檢測(cè)等應(yīng)用。此外，還能實(shí)現(xiàn)更為小巧的 PCB 設(shè)計(jì)。典型應(yīng)用包括變速箱、電子鎖存器和車窗升降器等。

微功率選項(xiàng)

傳感器芯片具有“微功率”的特點(diǎn)，兼具低壓運(yùn)行和低電流消耗優(yōu)勢(shì)，特別適合電池供電設(shè)備。該器件采用在內(nèi)部進(jìn)行管理的休眠/喚醒策略，功耗得到顯著降低。典型應(yīng)用包括保險(xiǎn)箱的門鎖等。

可編程選項(xiàng)

鎖存器和開關(guān)芯片可由客戶編程，滿足客戶的各種需求。BRP 和 BOP 可以根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。芯片可直接編程，具有很高的靈活性和準(zhǔn)確性。

TC 選項(xiàng)

由于不同類型的磁鐵（鐵氧體磁鐵、釹磁鐵等）在同一溫度下的表現(xiàn)不同，熱補(bǔ)償 (TC) 是某些應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。因此，選擇具有適當(dāng) TC 或可編程 TC 的芯片非常重要。

浮動(dòng)開關(guān)選項(xiàng)

浮動(dòng)開關(guān)芯片采用隔離式輸出（SOI 技術(shù)），只需通電即可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。典型應(yīng)用包括液位計(jì)應(yīng)用、按鈕和負(fù)載直接驅(qū)動(dòng)等。此外，浮動(dòng)開關(guān)芯片也可直接替代機(jī)械簧片開關(guān)。

滿足汽車安全完整性等級(jí) (ASIL) 要求的選項(xiàng)

符合 ASIL 要求的芯片依據(jù) ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。此類芯片適用于汽車安全應(yīng)用，如安全帶扣等。

不同應(yīng)用適用于哪些不同的磁性芯片？

Melexis 的鎖存器和開關(guān)芯片支持多種應(yīng)用。主要產(chǎn)品描述如下。在選擇傳感器芯片時(shí)，仔細(xì)考慮可應(yīng)用于設(shè)計(jì)的磁性芯片，為應(yīng)用選擇最合適的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)最佳效果。

滑動(dòng)

滑動(dòng)開關(guān)芯片只在一個(gè)磁場(chǎng)范圍內(nèi)工作。在下方示例中，已選擇南極磁場(chǎng)。當(dāng)磁鐵位于芯片正前方時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值。磁鐵只要在平行于芯片的方向上移動(dòng)，就會(huì)減弱磁信號(hào)。在此配置中，建議使用單極傳感器芯片。

正面接近

接近開關(guān)芯片同樣只在一個(gè)磁場(chǎng)范圍內(nèi)工作。在下方示例中，磁鐵盡可能靠近芯片時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值。磁鐵只要朝芯片方向移動(dòng)，就會(huì)增強(qiáng)磁信號(hào)。對(duì)于這種配置，應(yīng)使用單極開關(guān)。

旋轉(zhuǎn)編碼器磁鐵

圓盤形磁鐵通常用于索引計(jì)數(shù)應(yīng)用。傳感器芯片將通過南極磁場(chǎng)啟用并通過北極磁場(chǎng)禁用。對(duì)于每個(gè)磁極對(duì)，傳感器信號(hào)將切換兩次。對(duì)于這些配置，非常適合選擇鎖存器芯片，因?yàn)檫@類芯片在相反的磁場(chǎng)下工作和釋放。在請(qǐng)求方向信息的情況下，方向傳感器可能是一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。

葉片中斷

亞鐵葉片可用于中斷磁信號(hào)。該葉片會(huì)使磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化并觸發(fā)傳感器芯片的輸出?？赡苋詴?huì)對(duì)傳感器芯片施加一個(gè)較弱的磁場(chǎng)。對(duì)于這類應(yīng)用，首選單極傳感器芯片。

背向偏置應(yīng)用

對(duì)于此配置，可以采用多種實(shí)現(xiàn)方案。第一種方案可以使用成本較高的零高斯磁鐵來實(shí)現(xiàn)，在傳感器感應(yīng)點(diǎn)所在的位置形成一個(gè)實(shí)際的零磁場(chǎng)區(qū)域。這種方案支持使用預(yù)編程芯片。

第二種方案可以使用可感應(yīng)側(cè)向磁場(chǎng)分量的傳統(tǒng)磁鐵來實(shí)現(xiàn)。該方案已借助 Melexis 的 IMC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)。采用這種方案時(shí)，可以使用普通磁鐵；當(dāng)側(cè)向磁場(chǎng)分量接近于零時(shí)，磁鐵在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的表現(xiàn)仍然很穩(wěn)定。對(duì)于這種配置，建議在將芯片安裝到磁鐵上后進(jìn)行簡(jiǎn)單的編程，以確保平穩(wěn)運(yùn)行。

下圖表示普通磁鐵配置的磁性分量 Bx 和 Bz。Bz（綠線）顯示應(yīng)用中出現(xiàn)大幅偏移（100 mT），說明溫度變化會(huì)產(chǎn)生很大影響，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好運(yùn)行極具挑戰(zhàn)性。對(duì)于這類應(yīng)用，通常使用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償傳感器芯片，但會(huì)導(dǎo)致物料清單成本較高。

磁場(chǎng)的側(cè)向分量 (Bx) 在 0 mT 左右對(duì)稱，因此具有出色的溫度特性，可提高設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。采用這種方案（經(jīng)過 0 mT），可以使用靜態(tài)開關(guān)傳感器芯片來控制所需的占空比。芯片安裝后可進(jìn)行編程，這對(duì)于提高精度非常關(guān)鍵。對(duì)于此配置，建議使用較小的磁滯 +/- 1 mT。

浮動(dòng)開關(guān)

若搭配一排浮動(dòng)開關(guān)，磁鐵可用于檢測(cè)液位。此外，浮動(dòng)開關(guān)芯片也可直接替代機(jī)械簧片開關(guān)。

Melexis 鎖存器和開關(guān)芯片產(chǎn)品組合

我們提供各類鎖存器和開關(guān)芯片為多種應(yīng)用提供支持

鎖存器和開關(guān)芯片的應(yīng)用越來越廣泛，這類芯片可用于各行各業(yè)的各類應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)位置、距離、速度或定向運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。此外，鎖存器和開關(guān)芯片維護(hù)成本低，設(shè)計(jì)堅(jiān)固耐用，可實(shí)現(xiàn)非接觸式無磨損操作，并且可免受水、灰塵和振動(dòng)的影響。Melexis 致力于設(shè)計(jì)、開發(fā)和制造高質(zhì)量的鎖存器和開關(guān)芯片。