使用霍尔效应传感器进行设计的三个常见设计缺陷以及解决方案

由 winniewei 提交于周一, 28 十二月 2020 - 15:59

设计电路时，电路的性能并不一定完全符合预期。本文将帮助解决在工业和汽车应用中与霍尔效应传感器相关的三个常见挑战：旋转编码、稳健的信号传递和平面磁感应。

挑战1– 在旋转编码应用中无法获得正确的正交签名

在旋转编码应用中，当试图监控速度和方向（顺时针或逆时针）时，通常使用两个霍尔效应锁存器或双锁存器。造成正交签名错误的原因有多种，但其中最为常见的原因之一是器件与环形磁极之间的布置不当和对齐不准。

使用两个霍尔效应锁存器时，可以通过机械方法，即将霍尔效应传感器与每个磁极相隔半个宽度加上任意整数个宽度来实现适当的两位正交输出。如图1b所示，其中传感器2位于N极/S极接口，而传感器1与传感器2的距离为一个全极点的宽度加上N极的半宽度。对于双霍尔效应锁存器，可以使用一个器件将两个传感器精确地隔开磁极的一半宽度。当然，这样做局限性很大，因为必须将间距与环形磁极匹配。

图1a显示了使用双传感器解决方案时的潜在放置问题，而图1b和1c显示了如何分别使用两个单独的传感器或一个单芯片解决方案来解决此类问题。霍尔效应电流传感器（例如TMAG5110或TMAG5111）可用来确保在多种环形磁铁尺寸和磁极数量下实现正确的签名。此外，它们在实现上的简单性消除了在机械放置过程中可能引入的任何误差。该精度还为良好的正交签名提供始终如一的精确读数。

图1：双传感器旋转编码：图1a是使用两个锁存器的错误传感器布置；图1b是使用两个锁存器的正确传感器布置；图1c是使用2D传感器的多位置传感器布置

旋转编码应用常用于许多汽车和工业应用。以下是一些示例：

<ul>
<li>汽车 – 电动窗户、天窗、升降门、推拉门和电动座椅。</li>
<li>工业 – 车库门和开门器、恒温器拨盘、家用电器旋钮、车轮旋转感应以及电动窗帘或百叶窗。</li>
</ul>

挑战2 – 非板载传感器通信不够稳健

如果电路设计出现此问题，则很有可能是使用的传感器的电压输出受到磁耦合干扰。尽管布线可能很短，但如果没有考虑大量的电磁干扰 (EMI)，那么模拟信号传递过程可能会将这种干扰直接耦合到测量过程中。在传感器与微控制器 (MCU) 之间建立一条可靠的链路，可使MCU感知到传感器的连接或断开状态。使用电压输出器件时，输出可能被拉至低电压或完全断开，而MCU将无法检测到这种差异。

EMI很难消除，而屏蔽、重新布线和采取其他缓解方法会增加设计成本，建议解决方案应侧重于传感器本身。双线电流输出器件本身对电噪声不那么敏感，因此适用于使用中等长度电缆的遥感应用。尽管通过极长的导线发送信号会造成电压损失，但是对于大多数工业和汽车应用而言，采用双线电流输出传感器还是可以接受的。

图2显示了具有双线电流输出的霍尔效应开关，例如 <a href="https://www.ti.com.cn/product/cn/TMAG5124">TMAG5124</a><sp…。在这个例子中，“双线”表示必须将 VCC 和GND从传感器连接到MCU的通用输入/输出。将电流输出特性与更高的精度（磁场工作点和释放点的 2mT 差值）相结合，这样就可实现可靠的设计。

图2：双线电流输出传感器的实施

使用电流输出传感器的汽车应用包括：

<ul>
<li>安全带插扣。</li>
<li>座椅位置/占用检测。</li>
<li>门锁存器。</li>
<li>驻车制动。</li>
<li>天窗/后备箱闭合。</li>
<li>制动踏板。</li>
</ul>

挑战 3 – 霍尔效应传感器仅对正交磁场敏感

如今，大多数单轴霍尔效应传感器都可以检测与封装表面垂直的磁场。如果需要可以监测平行于封装侧面的磁场的传感器，则选择范围有限。

图3说明了实现水平磁场感应的各种方法。尽管可以使用传统霍尔效应传感器实现水平磁场感应，但存在一些明显的缺点。将标准3引脚小型晶体管 (SOT-23) 封装安装到另一个较小的印刷电路板上，会增加组装成本和复杂性（图 3a）。晶体管轮廓 (TO-92) 封装与标准表面贴装封装的装配过程不同，但这也会增加总体设计成本（图3b）。

如果遇到类似情况，则可以选择TMAG5123-Q1这样的平面霍尔效应开关，它可以检测表面贴装封装侧面的磁场。由于它采用SOT-23封装，也许可以占据更小的空间，因此在机械设计中具有更大的自由度和灵活性（图 3c）。

图3：水平磁场感应：图3a是采用SOT-23封装的传统传感器；图3b是采用TO-92封装的传统传感器；图3c是采用SOT-23封装的平面传感器

设计挑战不可避免，但通常可借助一些方法和器件来加以解决。希望以上提供的几种方法可以解决在使用霍尔效应传感器进行设计时遇到的一些常见应用挑战。