霍尔效应磁传感器基础(下)

市场上主要有两种类别的霍尔效应器件

分立元件或 IC

分立元件必须使用一定量的电流偏置

等效电路基本上就是一个电阻

当存在磁场时

在另外两个端子上会形成差分电压

分立元件的主要优点是

它们成本低

但它们需要外部信号来调节

它们的温度特性也比较差

且分立器件很容易损坏

实际上在实验室中测试电机时

它们通常是第一个意外损坏的器件

而在另一方面 IC

它除了集成霍尔元件外

还集成了数千个晶体管

来处理和调节所有的模拟信号

这些器件具有令人难以置信的鲁棒性和可靠性

以 TI 的霍尔传感器 IC 来

为例

它支持 2.5V-38V 的 Vcc 电源电压工作范围

而且能够耐受达到-22V

这可以应对车辆中的反向电池保护要求

此外

IC 的温度一致性非常好

IC 也提供许多不同类型的器件供选择

包括具有模拟与数字输出的器件

具有串行接口的器件比如 I^2C

和具有低功耗工作模式的器件

霍尔效应数字开关是简单的三引脚器件

它们通长提供表面贴片和插脚封装

因为内部的霍尔元件感应垂直于封装的磁场

当它们被焊接到 PCB 时

插脚封装与表面贴片封装

具有不同的感应方向

此图显示了典型的数字化传感器电路

它由一个直流电源

旁路电容

和用于开漏极输出的上拉电阻所组成的

当磁体远离时

输出处于高阻态状态

当磁体不断接近

直到传感器处的磁通密度

超过 BOP 阈值时

输出低电平

霍尔传感器器件总是指定 BOP 切换阈值的范围

因为每个器件都有因半导体工艺

以及随温度和 Vcc 电压的一些变化

重要的是要考虑最小和最大可能的 BOP

最小表示最早可能的切换点

对于高可靠性的设计

重要的是超过最大的 BOP

以确保传感器总是能被触发

此图显示了霍尔效应开关的传递函数

一旦施加的磁通量密度超过 BOP 阈值

器件输出低电平

内置的迟滞

防止在阈值点上不必要的切换

霍尔效应开关型器件的 BRP 大于零

这意味着一旦磁体一开

传感器将返回到其关闭状态

并使输出变为高阻抗

霍尔效应锁存性器件具有负的 BRP

并且切换器件需要交换磁场的极性

这意味着需要交替的北极和南极

来切换锁存装置

开关型器件通常用于位置测量

限位开关和脉冲编码器

而锁存型器件则主要用于

无刷电流电机的传感器

和增量旋转编码器

对于大多数的工业设备

当南极接近器件的

顶部时的磁场被定义为正

从硅片的角度来看这意味着磁场线

是从底部穿过顶部

你必须留意到这一点

特别是如果你把器件

安装在 PCB 的相反的那一面

它必须要上下颠倒

单极性开关器件

只对磁场的某个方向作出反应

例如

如果使用 DRV5023

并将北极保持在器件的顶部

那么器件将忽略它

并始终使输出保持高阻抗

还有另一种器件全项开关

对两个方向的磁通做出反应

它的主要优点是简化了

磁体的装配过程

因为不需要识别南极或者北极

现在我将展示 TI 的一些参考设计实例

其中使用了霍尔效应开关型

或锁存型器件

这是一个完整的 3D 打印机控制器

三个 DRV5033

被用做移动组件的限位开关

接下来的是一个无刷直流电机设计

使用三个 DRV5013

霍尔锁存型器件来感测转子的方向

所有的设计文件都在

ti.com 在线发布

在这个设计中

控制电路板被安装在电机内部

你只需要在端子上施加一个电压

电机就会旋转

最后

这是增量式旋转编码器

它检测相对旋转运动

在旋钮上安装有一个磁体

它有南极和北极

在其附近有两个霍尔效应

所存型传感器

当磁体转动时

传感器仅通过简单的切换高和低

就能为处理器提供速度和方向信息

对于传感器的每个二位状态

在顺时针或逆时针旋转中

都只存在唯一的相邻二位状态

增量旋转编码也可以通过光学

或机械的方式来实现

使用磁性元件的主要优点是

其鲁棒性和高可靠性

传感器可以嵌入外壳内

并且与环境所隔离

因为磁场可以穿过大多数的材料

如果您想了解更多的相关信息

可以访问本幻灯片底部

所显示的链接上的博客

标准数字霍尔传感器具有高工作电压范围

至少10或 20kHz 的高感应带宽

以及几毫安的典型电流消耗

另一类不同

类型的器件支持低工作电压范围

具有低采样率

但仅消耗几个微安的电流

这些低功率传感器工作时

会定期进入休眠模式

然后重新唤醒来获取新的采样

每秒20个采样的样本

对于许多位置感应应用都足够了

而降低功耗对于

电池供电系统是至关重要的

明年年初

TI 将开始提供其

超低功耗数字霍尔传感器的样品

它们将是世界上最低功耗的产品

其中一个版本的产品

仅消耗小于一微安的电流

如果您要使用低功耗霍尔来测量转速

则需要确保采样速率足够快

捕获每个磁极

例如

当使用二级磁体时

每秒采样20次

意味着转速必须小于每秒十次

以捕获每个磁极

即 600RPM

如果使用4级磁体

则传感器必须每转至少采样四次

因此最大速度为每秒五转

其它低功耗霍尔传感器

可以具有 1kHz 的采样率

这个速度足够快

最高可以支持 30kRPM

具体取决于磁体的配置

现在我们来聊聊线性霍尔传感器

这些器件提供与存在的

磁通密度成比例的输出

市场上的大多数器件都有模拟输出

有些器件具有 PWM 输出

有些甚至配备内置 ADC

以及 I^2C 接口来访问传感器的数据

当不存在磁场时

具有模拟输出的典型线性霍尔传感器

将输出被称为静态电压或 VQ 的中点电压

随着施加的南极的强度增大

模拟电压将朝零的方向减小

而增大的北极的强度将使模拟电压增高

这条线的斜率称为灵敏度

单位为毫伏每毫特

器件通常具有

5-100毫伏每毫特之间的灵敏度

虽然电压摆幅是轨到轨的

但仍应该指定一个最小和最大的可用范围

这是最线性的范围

具有较低灵敏度的器件

可以在饱和之前

感测更大的磁通密度动态范围

因为在器件之间

灵敏度存在因为制造

机械安装工差等造成的差异

常见的做法是会在最终组件中

进行校准

最好采用两个标准测量

一个是在没有磁场的时候

一个是在有一个磁场的时候

不同的系统中可以用许多不同的方式

使磁体在霍尔传感器附近移动

例如可以使用直接的方式

把磁体带到器件上

或者让磁体在器件附近旋转

虽然霍尔元件仅对

磁场的垂直矢量分量敏感

但是磁体产生的磁场

是在所有三维中扩展的

市场上还有其它类型的霍尔传感器

有些提供可编程性

有些器件调制其电源电流

而不是通过输出引脚

以节省电线

有些有一个独立的电流路径

并通过磁来感应这上面的电流

有些霍尔器件就有两个独立的锁存器

用于旋转编码

还有一些器件检测二维或三维信息

最后

有些器件被设计成用磁体做反向偏置

以便感测在它们前面旋转齿轮

最后这张幻灯片

显示了主要的磁传感技术

及其感应的范围

霍尔效应往往是最具成本效益的

因为它能很容易地

被提升到标准的半导体工艺流程中

它的感应范围从毫特斯拉到特斯拉

这允许它忽略较弱的磁场

比如地球的磁场

使其非常适合鲁棒的位置测量

感谢您收看本视频

如果您有任何意见和问题

都欢迎您通过我们的在线社区进行反馈

也欢迎您收看 TI 在线培训的其它视频

市场上主要有两种类别的霍尔效应器件

分立元件或 IC

分立元件必须使用一定量的电流偏置

等效电路基本上就是一个电阻

当存在磁场时

在另外两个端子上会形成差分电压

分立元件的主要优点是

它们成本低

但它们需要外部信号来调节

它们的温度特性也比较差

且分立器件很容易损坏

实际上在实验室中测试电机时

它们通常是第一个意外损坏的器件

而在另一方面 IC

它除了集成霍尔元件外

还集成了数千个晶体管

来处理和调节所有的模拟信号

这些器件具有令人难以置信的鲁棒性和可靠性

以 TI 的霍尔传感器 IC 来

为例

它支持 2.5V-38V 的 Vcc 电源电压工作范围

而且能够耐受达到-22V

这可以应对车辆中的反向电池保护要求

此外

IC 的温度一致性非常好

IC 也提供许多不同类型的器件供选择

包括具有模拟与数字输出的器件

具有串行接口的器件比如 I^2C

和具有低功耗工作模式的器件

霍尔效应数字开关是简单的三引脚器件

它们通长提供表面贴片和插脚封装

因为内部的霍尔元件感应垂直于封装的磁场

当它们被焊接到 PCB 时

插脚封装与表面贴片封装

具有不同的感应方向

此图显示了典型的数字化传感器电路

它由一个直流电源

旁路电容

和用于开漏极输出的上拉电阻所组成的

当磁体远离时

输出处于高阻态状态

当磁体不断接近

直到传感器处的磁通密度

超过 BOP 阈值时

输出低电平

霍尔传感器器件总是指定 BOP 切换阈值的范围

因为每个器件都有因半导体工艺

以及随温度和 Vcc 电压的一些变化

重要的是要考虑最小和最大可能的 BOP

最小表示最早可能的切换点

对于高可靠性的设计

重要的是超过最大的 BOP

以确保传感器总是能被触发

此图显示了霍尔效应开关的传递函数

一旦施加的磁通量密度超过 BOP 阈值

器件输出低电平

内置的迟滞

防止在阈值点上不必要的切换

霍尔效应开关型器件的 BRP 大于零

这意味着一旦磁体一开

传感器将返回到其关闭状态

并使输出变为高阻抗

霍尔效应锁存性器件具有负的 BRP

并且切换器件需要交换磁场的极性

这意味着需要交替的北极和南极

来切换锁存装置

开关型器件通常用于位置测量

限位开关和脉冲编码器

而锁存型器件则主要用于

无刷电流电机的传感器

和增量旋转编码器

对于大多数的工业设备

当南极接近器件的

顶部时的磁场被定义为正

从硅片的角度来看这意味着磁场线

是从底部穿过顶部

你必须留意到这一点

特别是如果你把器件

安装在 PCB 的相反的那一面

它必须要上下颠倒

单极性开关器件

只对磁场的某个方向作出反应

例如

如果使用 DRV5023

并将北极保持在器件的顶部

那么器件将忽略它

并始终使输出保持高阻抗

还有另一种器件全项开关

对两个方向的磁通做出反应

它的主要优点是简化了

磁体的装配过程

因为不需要识别南极或者北极

现在我将展示 TI 的一些参考设计实例

其中使用了霍尔效应开关型

或锁存型器件

这是一个完整的 3D 打印机控制器

三个 DRV5033

被用做移动组件的限位开关

接下来的是一个无刷直流电机设计

使用三个 DRV5013

霍尔锁存型器件来感测转子的方向

所有的设计文件都在

ti.com 在线发布

在这个设计中

控制电路板被安装在电机内部

你只需要在端子上施加一个电压

电机就会旋转

最后

这是增量式旋转编码器

它检测相对旋转运动

在旋钮上安装有一个磁体

它有南极和北极

在其附近有两个霍尔效应

所存型传感器

当磁体转动时

传感器仅通过简单的切换高和低

就能为处理器提供速度和方向信息

对于传感器的每个二位状态

在顺时针或逆时针旋转中

都只存在唯一的相邻二位状态

增量旋转编码也可以通过光学

或机械的方式来实现

使用磁性元件的主要优点是

其鲁棒性和高可靠性

传感器可以嵌入外壳内

并且与环境所隔离

因为磁场可以穿过大多数的材料

如果您想了解更多的相关信息

可以访问本幻灯片底部

所显示的链接上的博客

标准数字霍尔传感器具有高工作电压范围

至少10或 20kHz 的高感应带宽

以及几毫安的典型电流消耗

另一类不同

类型的器件支持低工作电压范围

具有低采样率

但仅消耗几个微安的电流

这些低功率传感器工作时

会定期进入休眠模式

然后重新唤醒来获取新的采样

每秒20个采样的样本

对于许多位置感应应用都足够了

而降低功耗对于

电池供电系统是至关重要的

明年年初

TI 将开始提供其

超低功耗数字霍尔传感器的样品

它们将是世界上最低功耗的产品

其中一个版本的产品

仅消耗小于一微安的电流

如果您要使用低功耗霍尔来测量转速

则需要确保采样速率足够快

捕获每个磁极

例如

当使用二级磁体时

每秒采样20次

意味着转速必须小于每秒十次

以捕获每个磁极

即 600RPM

如果使用4级磁体

则传感器必须每转至少采样四次

因此最大速度为每秒五转

其它低功耗霍尔传感器

可以具有 1kHz 的采样率

这个速度足够快

最高可以支持 30kRPM

具体取决于磁体的配置

现在我们来聊聊线性霍尔传感器

这些器件提供与存在的

磁通密度成比例的输出

市场上的大多数器件都有模拟输出

有些器件具有 PWM 输出

有些甚至配备内置 ADC

以及 I^2C 接口来访问传感器的数据

当不存在磁场时

具有模拟输出的典型线性霍尔传感器

将输出被称为静态电压或 VQ 的中点电压

随着施加的南极的强度增大

模拟电压将朝零的方向减小

而增大的北极的强度将使模拟电压增高

这条线的斜率称为灵敏度

单位为毫伏每毫特

器件通常具有

5-100毫伏每毫特之间的灵敏度

虽然电压摆幅是轨到轨的

但仍应该指定一个最小和最大的可用范围

这是最线性的范围

具有较低灵敏度的器件

可以在饱和之前

感测更大的磁通密度动态范围

因为在器件之间

灵敏度存在因为制造

机械安装工差等造成的差异

常见的做法是会在最终组件中

进行校准

最好采用两个标准测量

一个是在没有磁场的时候

一个是在有一个磁场的时候

不同的系统中可以用许多不同的方式

使磁体在霍尔传感器附近移动

例如可以使用直接的方式

把磁体带到器件上

或者让磁体在器件附近旋转

虽然霍尔元件仅对

磁场的垂直矢量分量敏感

但是磁体产生的磁场

是在所有三维中扩展的

市场上还有其它类型的霍尔传感器

有些提供可编程性

有些器件调制其电源电流

而不是通过输出引脚

以节省电线

有些有一个独立的电流路径

并通过磁来感应这上面的电流

有些霍尔器件就有两个独立的锁存器

用于旋转编码

还有一些器件检测二维或三维信息

最后

有些器件被设计成用磁体做反向偏置

以便感测在它们前面旋转齿轮

最后这张幻灯片

显示了主要的磁传感技术

及其感应的范围

霍尔效应往往是最具成本效益的

因为它能很容易地

被提升到标准的半导体工艺流程中

它的感应范围从毫特斯拉到特斯拉

这允许它忽略较弱的磁场

比如地球的磁场

使其非常适合鲁棒的位置测量

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