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使用霍爾效應(yīng)傳感器進行設(shè)計的三個常見設(shè)計缺陷以及解決方案

本文作者：德州儀器點擊： 2020-12-28 17:55

前言：

設(shè)計電路時，電路的性能并不一定完全符合預(yù)期。本文將幫助解決在工業(yè)和汽車應(yīng)用中與霍爾效應(yīng)傳感器相關(guān)的三個常見挑戰(zhàn)：旋轉(zhuǎn)編碼、穩(wěn)健的信號傳遞和平面磁感應(yīng)。

挑戰(zhàn)1– 在旋轉(zhuǎn)編碼應(yīng)用中無法獲得正確的正交簽名

在旋轉(zhuǎn)編碼應(yīng)用中，當(dāng)試圖監(jiān)控速度和方向（順時針或逆時針）時，通常使用兩個霍爾效應(yīng)鎖存器或雙鎖存器。造成正交簽名錯誤的原因有多種，但其中最為常見的原因之一是器件與環(huán)形磁極之間的布置不當(dāng)和對齊不準。

使用兩個霍爾效應(yīng)鎖存器時，可以通過機械方法，即將霍爾效應(yīng)傳感器與每個磁極相隔半個寬度加上任意整數(shù)個寬度來實現(xiàn)適當(dāng)?shù)膬晌徽惠敵?。如圖1b所示，其中傳感器2位于N極/S極接口，而傳感器1與傳感器2的距離為一個全極點的寬度加上N極的半寬度。對于雙霍爾效應(yīng)鎖存器，可以使用一個器件將兩個傳感器精確地隔開磁極的一半寬度。當(dāng)然，這樣做局限性很大，因為必須將間距與環(huán)形磁極匹配。

圖1a顯示了使用雙傳感器解決方案時的潛在放置問題，而圖1b和1c顯示了如何分別使用兩個單獨的傳感器或一個單芯片解決方案來解決此類問題。霍爾效應(yīng)電流傳感器（例如TMAG5110或TMAG5111）可用來確保在多種環(huán)形磁鐵尺寸和磁極數(shù)量下實現(xiàn)正確的簽名。此外，它們在實現(xiàn)上的簡單性消除了在機械放置過程中可能引入的任何誤差。該精度還為良好的正交簽名提供始終如一的精確讀數(shù)。

圖1:雙傳感器旋轉(zhuǎn)編碼：圖1a是使用兩個鎖存器的錯誤傳感器布置；圖1b是使用兩個鎖存器的正確傳感器布置；圖1c是使用2D傳感器的多位置傳感器布置

旋轉(zhuǎn)編碼應(yīng)用常用于許多汽車和工業(yè)應(yīng)用。以下是一些示例：

• 汽車 – 電動窗戶、天窗、升降門、推拉門和電動座椅。

• 工業(yè) – 車庫門和開門器、恒溫器撥盤、家用電器旋鈕、車輪旋轉(zhuǎn)感應(yīng)以及電動窗簾或百葉窗。

挑戰(zhàn)2 – 非板載傳感器通信不夠穩(wěn)健

如果電路設(shè)計出現(xiàn)此問題，則很有可能是使用的傳感器的電壓輸出受到磁耦合干擾。盡管布線可能很短，但如果沒有考慮大量的電磁干擾 (EMI)，那么模擬信號傳遞過程可能會將這種干擾直接耦合到測量過程中。在傳感器與微控制器 (MCU) 之間建立一條可靠的鏈路，可使MCU感知到傳感器的連接或斷開狀態(tài)。使用電壓輸出器件時，輸出可能被拉至低電壓或完全斷開，而MCU將無法檢測到這種差異。

EMI很難消除，而屏蔽、重新布線和采取其他緩解方法會增加設(shè)計成本，建議解決方案應(yīng)側(cè)重于傳感器本身。雙線電流輸出器件本身對電噪聲不那么敏感，因此適用于使用中等長度電纜的遙感應(yīng)用。盡管通過極長的導(dǎo)線發(fā)送信號會造成電壓損失，但是對于大多數(shù)工業(yè)和汽車應(yīng)用而言，采用雙線電流輸出傳感器還是可以接受的。

圖2顯示了具有雙線電流輸出的霍爾效應(yīng)開關(guān)，例如 TMAG5124 可以使用接地連接在較長距離內(nèi)傳輸信號。在這個例子中，“雙線”表示必須將 VCC 和GND從傳感器連接到MCU的通用輸入/輸出。將電流輸出特性與更高的精度（磁場工作點和釋放點的 2mT 差值）相結(jié)合，這樣就可實現(xiàn)可靠的設(shè)計。

圖2:雙線電流輸出傳感器的實施

使用電流輸出傳感器的汽車應(yīng)用包括：

• 安全帶插扣。

• 座椅位置/占用檢測。

• 門鎖存器。

• 駐車制動。

• 天窗/后備箱閉合。

• 制動踏板。

挑戰(zhàn) 3 – 霍爾效應(yīng)傳感器僅對正交磁場敏感

如今，大多數(shù)單軸霍爾效應(yīng)傳感器都可以檢測與封裝表面垂直的磁場。如果需要可以監(jiān)測平行于封裝側(cè)面的磁場的傳感器，則選擇范圍有限。

圖3說明了實現(xiàn)水平磁場感應(yīng)的各種方法。盡管可以使用傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)傳感器實現(xiàn)水平磁場感應(yīng)，但存在一些明顯的缺點。將標準3引腳小型晶體管 (SOT-23) 封裝安裝到另一個較小的印刷電路板上，會增加組裝成本和復(fù)雜性（圖 3a）。晶體管輪廓 (TO-92) 封裝與標準表面貼裝封裝的裝配過程不同，但這也會增加總體設(shè)計成本（圖3b）。

如果遇到類似情況，則可以選擇TMAG5123-Q1這樣的平面霍爾效應(yīng)開關(guān)，它可以檢測表面貼裝封裝側(cè)面的磁場。由于它采用SOT-23封裝，也許可以占據(jù)更小的空間，因此在機械設(shè)計中具有更大的自由度和靈活性（圖 3c）。

圖3:水平磁場感應(yīng)：圖3a是采用SOT-23封裝的傳統(tǒng)傳感器；圖3b是采用TO-92封裝的傳統(tǒng)傳感器；圖3c是采用SOT-23封裝的平面?zhèn)鞲衅?/span>

設(shè)計挑戰(zhàn)不可避免，但通常可借助一些方法和器件來加以解決。希望以上提供的幾種方法可以解決在使用霍爾效應(yīng)傳感器進行設(shè)計時遇到的一些常見應(yīng)用挑戰(zhàn)。

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