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  • xinbajiang
  • |  帖子(15)   |   本网技工(160)   |  发消息
  • 2017-11-13 16:35
主题:  全微功率霍尔效应传感器将开关变成智能装置
导读: 线性霍尔效应传感器能为消费者技术与物联网应用带来高价值的效益,但还必须大幅降低耗电量,以满足设备设计人员与终端使用者的期许。


线性霍尔效应传感器能为消费者技术与物联网应用带来高价值的效益,但还必须大幅降低耗电量,以满足设备设计人员与终端使用者的期许。

简介:提升感测效率为进步的关键

提升感测效率是改善使用者体验的关键,方得以满足智能型手机、相机和游戏控制器等消费性装置的需求,同时让物联网 (IoT) 发挥完整潜力。对消费性应用来说,拥有多重功能的智能按钮更是支持复杂互动与手势型控制不可或缺的组件。另外就 IoT 方面,控制器则要能感测出细微的移动或位置差异,才能准确推估资产设备的状态。以智能大楼内的保全系统为例,基本传感器能侦测窗户是否关上,而更具智能的传感器则能让系统得知窗户是否上锁。

线性霍尔效应传感器提供比机械开关等替代方案更为细腻的感测方式,机械开关为目前常见于游戏杆或游戏控制器等计算机配件内的技术。线性霍尔效应传感器提供非接触式位置感测解决方案,高度可靠,方便加入设计。相较于光学传感器等其他非接触式感测装置,线性霍尔效应装置更不容易发生光学窗口因灰尘或其他污染物而模糊所造成的错误。线性霍尔效应传感器已广泛用于多种工业应用上,像是用来感测旋转阀的位置等。

霍尔效应与线性传感器

霍尔效应系指当传导材料放置在一个磁场内,且有电流通过时,导体产生可测量电压的现象。此电压与通过的电流及垂直导体的磁通量成正比,如图 1 所示。霍尔效应传感器 IC 整合高增益放大和其他讯号调节电路,例如偏移消除,以与其他逻辑或模拟电路的电压兼容,产生能够表示所侦测之磁通量的输出。

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图 1. 使用霍尔效应传感器 IC 感测磁通量


目前有许多霍尔效应装置:具备数字输出的传感器可用作近位感应开关,用于像是笔记本电脑的开/关侦测 (在上盖嵌入一块小磁铁) 等应用。另一方面,线性霍尔效应传感器能够产生模拟输出,且输出与磁铁和传感器之间的距离成正比。这类传感器可用于滑过机构,用来侦测磁铁经过传感器旁的位置。例如,当磁铁条经过传感器时,输出电压将随通量密度的变化而变动,通量密度于磁铁在远处时为零,磁铁接近 N 极时为最大负通量,磁铁位在传感器中央时为零,接近 S 极时为最大正通量。磁铁持续移动经过,传感器的输出接近零。

线性装置的其它主要操作模式为迎头感测,磁铁往传感器表面接近或远离。在此情况下,磁通量及输出电压从零开始,于磁铁最接近传感器时变为最大。图 2 显示线性霍尔效应传感器 IC 的输出电压如何在磁铁接近 IC 表面时随磁场强度变化。

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图 2. 线性霍尔效应装置的传输曲线

节电应用

霍尔效应最早发现于 19 世纪,但商用霍尔效应传感器 IC 一直到最近才推出,这些装置同时还整合了低噪声放大器和产生可用输出电压的讯号处理电路。霍尔效应传感器 (包括线性装置) 直到最近才广泛应用于工业的近位与位置感测作业,像是液位感测和阀位置控制等。

使用于消费性便携设备上时,线性霍尔效应传感器则有机会加入额外的功能,像是使用传统机械开关难以执行的功能,因为传感器除了能侦测按钮何时按下,也能准确判断按钮的位置。如此一来,装置便能整合多功能按钮,像是照相手机或数字单反相机的按钮,半按可自动对焦,全按则释放快门。同样地,线性霍尔效应传感器也能让游戏控制器的按钮控制额外的功能或感测更多复杂的玩家手势。

另一方面,这些新兴应用也对线性霍尔效应传感器提出更严苛的要求。其中以超低耗电量最为重要,除了确保高阶功能的运作,还要避免缩短电池使用寿命。举例来说,IoT 装置通常需要自动运作长达 5 年、10 年或甚至 20 年,且只靠一颗小电池或能源采集系统供电。传统霍尔效应传感器的耗电量尽管只有数毫安,却足以使设计人员无法达到运作期间终生免维护的要求。就消费性电子产品来说,电池使用寿命有任何明显减损,都可能危害到市场销售量。

全微功率传感器

针对线性霍尔效应传感器可用来侦测按钮位置的许多情况下,传感器 IC 只需要在要取得位置信息时短暂地完整运作。将电源管理整合到 IC,有助于在不需执行感测功能时避免不必要的能源消耗。

像是 Diodes AH8500 和 AH8501 等部分传感器具备 Enable 脚位,可让主机控制操作模式。根据预设,内部下拉电阻会让传感器保持在休眠模式下,此时典型消耗电流仅 8.9?A。在 Enable 脚位驱动高电位,装置便进入启用模式,以默认的取样频率 6.25kHz 运作,此时典型消耗电流为 1.16mA。或者,可用 PWM 讯号设定高达 7.14kHz 的自定义取样率。

加入 Enable 脚位后,这些装置极适合用于各种利用讯号来启动传感器的 IoT 应用,像是智能大楼保全或门禁系统。另一方面,相机、手机和游戏终端机等消费性装置则无法预期用户何时会按下按钮,因此无法驱动 Enable 脚位的高电位。这些情况下,使用者需要的是立即的响应。使用于这类应用时,AH8502 和 AH8503 默认以微功率模式运作,默认取样率 24Hz 下的典型耗电量仅 13?A。侦测到活动时,传感器便以 Turbo 模式运作,还能视需要提高取样率。装置具备 Control 脚位,系统可透过此脚位将取样率调整至最高 7.14kHz,此时耗电量最高为 1.16mA。

这些装置拥有更强化的电源管理,像是在闲置时关闭模拟电路和 ADC,并在周期之间套用申请专利中的省电技巧,因此无论在正常、休眠及微功率模式下,其消耗电流均比替代的低功耗线性霍尔效应传感器要低许多。

这些装置整合讯号调节电路,包括 8 位的 ADC 与 DAC,如图 3 所示,可产生 8 位分辨率的模拟输出,适用于各种 IoT 与消费性应用。

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图 3. 整合讯号调节提供 8 位模拟分辨率


针对需要高准确度的应用,AH8501 (具 Enable 脚位) 与 AH8503 还有可调整输出的选项,确保准确度灵敏度保持在 ±3% 内。加上装置拥有非常低的温度系数 ±3%,确保灵敏度变异最大不超过 ±6%。这些装置的灵敏度准确度比价格相当的替代方案优异许多,与目前市面上价格高出许多的线性霍尔效应传感器相比也更为有利。不可调整的 AH8500 (具备 Enable 脚位) 与 AH8502 的灵敏度准确度在 ±15% 内,但可弹性在生产在线执行校正。

线性霍尔效应传感器大多会将 ESD 防护整合于 I/O,但提供的防护层级通常最高只有 1kV 或 2kV。AH850x 拥有强化的防护等级,可耐受最高 6kV,对厂房内生产期间或终端使用者使用时遇到危害的抗扰性更为优异。

拥有强化的 ESD 防护,便可省下外部防护组件,有助于降低物料列表成本,并减少电路板占用空间。这些装置提升防护等级后,也能用在咖啡机等家电,以及工业应用和消费性行动装置上。

结论

自第一块商用 IC 问世后,霍尔效应传感器迅速成为市场宠儿,尤其是在需要高可靠度、非接触式位置或近位侦测的工业应用。

IoT 的兴起,加上消费性电子装置市场对改善用户体验的需求不断增加,这两股趋势为霍尔效应传感器带来额外的成长商机,特别是能够支持复杂功能 (例如多功能按钮) 的线性传感器。相对较高的耗电量,甚至是某些微功率传感器,使这些装置的使用范围受到局限,但现在最新一代的全微功率线性霍尔效应传感器推出后,要在可接受的低耗电量下执行复杂的位置感测则成为可能。结合高准确度、强化整合式 ESD 防护及操作弹性后,这些先进装置的使用范围得以大幅延伸。