关于霍尔效应传感器的11个误区

2022-03-16 12:59:43 来源:TI
多年来,设计人员一直在工业和汽车系统中使用霍尔效应传感器进行接近检测、线性位移测量、旋转编码和许多其他应用。随着时间的推移,更高的系统性能要求促使集成电路供应商提高灵敏度精度、集成更多功能、提供不同的传感方向和更低的功耗,从而将霍尔效应传感器的使用范围扩大到未来几十年。

本文将探讨有关霍尔效应传感器的常见误解,并在适当的时候将其与实际应用联系起来。

1. 霍尔效应传感器仅提供简单的开关信息

许多机电设计需要使用传感器检测物体,该传感器提供一个简单的逻辑信号来指示其存在或不存在。一个例子是笔记本电脑盖的关闭和打开,指示何时打开或关闭它。另一个例子是门窗传感器中的入侵事件。这些应用通常使用一个简单的霍尔效应开关,一旦超过内部磁阈值,该开关就会切换其输出电压。EETOP

虽然这些霍尔效应开关非常有用,但它们并不是唯一可用的霍尔效应传感器类型——锁存器和线性器件也很常见。与开关相比,主要用于旋转编码的锁存器只会在与之前经历的磁极性相反的情况下切换其输出。

对于精确的位移测量,线性霍尔效应传感器更可取,因为它们可以以高分辨率定义物体相对于传感器的位置。换句话说,它们提供的不仅仅是开和关信息。图 1说明了每种传感器的传递函数,包括可用的变体。

 

此图显示霍尔效应开关 (a) 和 (b)、锁存器 (c) 和线性传感器 (d) 和 (e) 输出响应。

2. 线性霍尔效应传感器不精确?

线性霍尔效应传感器无疑是具有成本效益的解决方案,可提供可靠的磁信息。此类传感器的用户知道这一事实,但通常会考虑使用其他技术来满足他们的高精度要求。EETOP

例如,在工业机器人中,移动臂必须相对于目标物体精确定位。使用高精度线性 3D 霍尔效应传感器,例如德州仪器 (TI)的TMAG5170,可提供此类应用所需的精度(图 2)。此外,该器件的高精度和低灵敏度随温度漂移可能消除了对系统级校准的需要。

 

TMAG5170 是一款线性 3D 传感器,用于机械臂应用。

3. 霍尔效应传感器与霍尔元件相同

霍尔元件与霍尔效应传感器本质上是不一样的。霍尔元件需要偏置电路和差分放大器,是产生可用电压所需的最基本结构。与霍尔效应传感器相比,霍尔元件没有将所有支持电路集成到单个封装中。

图 3显示了这两种传感器的电路实现。霍尔元件通常用于精度不重要、成本极其重要且附近有差分放大器以最大限度减少外部噪声耦合的应用。此外,霍尔元件具有随温度变化的固有非线性变化,而霍尔效应传感器具有内置补偿功能,可确保在 -40 至 125°C 的宽温度范围内进行稳定测量

 

这是霍尔元件 (a) 与霍尔效应传感器 (b) 的电路实现。

4. 霍尔效应开关不是簧片开关的有用替代品

如今,簧片开关在许多应用中仍然很普遍,例如门窗传感器。在安全警报系统中使用簧片开关的主要缺点是无法检测到篡改事件。通过使用线性 3D 霍尔效应传感器,设计人员可以利用任何未用于有源测量的通道来检测此事件。

另一个例子是在冰箱门中控制打开或关闭内部灯的确切位置。鉴于其严格的阈值滞后规格,霍尔效应开关提供一致的开合距离检测。

使用簧片开关的第二个主要缺点是它们无法使用标准的印刷电路板 (PCB) 组装程序。这些器件必须手工焊接到板上,从而使组装过程复杂化并增加成本。表 1比较了这两种技术。

 

5. 霍尔效应传感器无法实现低功耗解决方案

虽然某些霍尔效应传感器消耗的电流确实在个位数毫安范围内,因此不适合电池供电的应用,但其他霍尔效应开关支持低采样率(5 Hz 或更低)并且平均消耗的电流小于1微安。这些设备在高功率活动测量状态和超低功率睡眠状态之间循环,以实现低功耗。由于活动状态 (t active ) 持续时间比睡眠间隔 (t s ) 短得多,因此总平均电流消耗非常低。

 

这里的时序图显示了处于超低功耗睡眠状态时的低功耗电流消耗。

6. 霍尔效应传感器需要三根线来进行车外感应

市场上绝大多数霍尔效应传感器只有三个引脚——V CC(电源)、输出和 GND(地)——所以一般的想法是必须将三根线连接到传感器,这并不准确。如图 5所示,一个漏极开路、电压输出、三引脚霍尔效应开关仅用两根导线远程连接。

 

图5. 使用电压输出霍尔效应开关 (a) 和电流输出 TMAG5124 (b) 的两线制遥感。

当感应到磁场时,器件会通过 GND 引脚产生电流输出。如果未检测到磁场,则器件的输出将不会产生任何电流,进而不会通过 GND 引脚产生输出电流。请注意,确定电阻器的逻辑状态需要一个模数转换器 (ADC),它可以集成到微控制器中,以及一个外部电阻器。这种配置的问题是它会在嘈杂的条件下产生无效的电压电平。

确保可靠的数据传输需要电流输出设备来减少或消除信号失真。例如,TMAG5124是一种双引脚解决方案,仅需要电源电压和接地即可运行。图 5显示了如何通过使用 GND 引脚传输低电平或高电平电流(均在毫安范围内)来实现该器件。

7. 使用霍尔效应传感器时,磁铁放置不灵活

磁铁相对于传感器的位置取决于许多因素——一些是系统级因素,而另一些则是传感器本身固有的。决定磁体放置的外部系统因素主要是磁体尺寸、磁体材料类型和工作温度范围。磁铁越大,产生的磁场就越大。

在最常用的磁体中,钕铁硼 (NdFeB) 磁体产生最强的磁场。因此,它们的尺寸通常较小。

在选择磁铁时考虑热量也很重要,因为它通常会降低产生的磁场。

影响传感器特定磁体放置的主要因素包括灵敏度水平、传感方向(平面内与平面外)、封装产品、板载传感器数量和可配置性。灵敏度更高的霍尔效应传感器可以检测到更远的磁铁。

大多数霍尔效应开关和锁存器检测垂直于封装表面的磁场,但有些可以检测封装的水平方向(或平面内)。TMAG5123就是一个很好的例子,当垂直位移不可能时,它可以在设计中提供更大的机械灵活性。另一个例子是使用能够监控多个轴的 2D 双通道锁存器。您几乎可以将它们放置在与磁铁相关的任何位置。

8. 霍尔效应传感器不适用于测量角度

霍尔效应传感器在许多位移应用中很受欢迎,但它们也用于绝对角度测量。通过策略性地将两个单轴线性霍尔效应传感器围绕旋转偶极磁体放置,每个传感器都可以拾取与另一个异相的磁场矢量。有了这些信息,使用反正切函数就可以很容易地计算出旋转磁铁的准确角度。

图 6显示了在两种不同封装类型中使用线性传感器的两种实现方式。另一种更优雅的角度测量方法是使用单个线性 3D 霍尔效应传感器(参见图 6b了解各种配置)。要了解角度测量,请查看 TI 的“使用霍尔效应传感器进行旋转运动的绝对角度测量”和“使用多轴线性霍尔效应传感器进行角度测量”。

图6. 使用两个单轴线性霍尔效应传感器 (a) 和一个线性 3D 霍尔效应传感器 (b) 进行绝对角度测量

9. 霍尔效应传感器的工作范围非常有限

还有一些人认为霍尔效应传感器没有很好的实际使用范围,因为磁场随距离呈指数衰减。然而,具有高灵敏度的霍尔效应传感器可以从很远的距离检测到有用的磁场。

以 TI 的DRV5032 为例。表 2显示了使用小型低成本铁氧体磁铁 (12 × 12 × 6 mm) 提供的所有器件变体的正面感应距离。TI 的最低灵敏度 DRV5032ZE 可以检测 4.0 至 7.5 mm 的磁铁,而 DRV5032FA 版本的范围在 18.7 至 44.6 mm 之间。如果使用更坚固、尺寸相同的 52 级 NdFeB 磁体,该检测距离将增加到近 3 英寸。

 

10. 只有 TMR 传感器可以进行平面测量

设计人员通常会考虑隧道磁阻 (TMR) 传感器,因为它们具有高磁灵敏度、高线性度和低功耗。此外,TMR 传感器可以感应与封装水平(或平面内)的磁场。当今可用的大多数霍尔效应传感器都对垂直场敏感,但少数(例如TMAG5123)具有平面内传感能力。然而,使用霍尔效应传感器的一个优势是较低的总系统成本。图 7显示了平面内传感器的灵敏度方向性。

 

图7. 平面传感器的灵敏度方向性。

11. 使用霍尔效应传感器的系统很容易被篡改

这条确实是真的--使用干簧管和基本霍尔效应开关的系统有可能被篡改。大的外部磁场可以欺骗系统,使其相信一切都在正常工作。

解决这个问题的一个好方法是使用一个线性三维霍尔效应传感器。一个轴监测预定磁铁的存在,而另外两个通道检测外部磁场。通过使用每个通道都有可配置的磁性阈值的线性三维传感器,你在设置适当的 "篡改检测 "阈值方面有更大的灵活性。在图8所示的例子中,一旦阈值被越过,MCU就会收到一个中断信号。

 

图8. 显示了使用线性 3D 霍尔效应传感器检测中断信号

结论

霍尔效应传感器的使用如此广泛,以至于我几乎每天都能听到一种新颖有趣的新应用。我的期望是,这里给出的11个误区将激发您对下一代设计的想法。

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