Allegro的ATS344LSP磁背偏微分线性传感器芯片的应用及优点

Allegro的ATS344LSP磁背偏微分线性传感器芯片的应用及优点

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作者：Yannick Vuillermet，
雷竞技竞猜下载Allegro MicroSystems欧洲有限公司。

介绍

本申请书旨在提供有关快板典型用法的见解ATS344LSP.背部偏差差分线性传感器IC。该传感器的主要应用是测量线性运动，例如轴轴向位移。

为了正确使用，该传感器必须与设计良好的运动铁磁目标相关联。背偏压排列和差分传感技术需要特定的目标形状来产生有用的磁信号。

ATS344LSP包括一个两线输出接口，并将旁路电容器集成到封装中，使其适用于分散传感（典型的汽车应用），而无需印刷电路板。雷竞技最新网址

与通常用于线性位置测量的磁传感器相比，ATS344LSP提供独特的性能优势。

在下面的应用说明中，描述了ATS344LSP传感原理，解释了其磁配置的优点，并展示了一个典型的用户应用。

ATS344LSP测量原理

ATS344LSP在单个封装中包括两个霍尔板（HP）₁和HP₂和一个稀土磁铁，位于这些传感元件的后面（见图1）。

磁铁沿y轴磁化，两个霍尔板沿y轴测量磁场强度。传感器测量差动磁场ΔB=B₂–B级₁.B.₂是由HP测量的字段₂和B.₁是由HP测量的字段₁.

在图2中，ATS344LSP传感器被放置在一个基本铁磁目标的前面。提醒一下，铁磁性材料是一种在外磁场中被磁化的材料。铁磁性材料也倾向于集中局部磁力线。大多数钢是铁磁性的。

在这种情况下，目标作为传感器背部磁体的结果获取磁化。该目标磁化产生了其自己的磁场，由霍尔板HP感测₁和HP₂.

霍尔板也看到来自磁铁的背景磁场（称为磁体基线）。然而，在理想情况下，在差分操作期间有利地减去磁体基线场。

由于图2中的目标形状，霍尔板1感觉到
大于霍尔板2的场：微分场ΔB₁=B级₂–B级₁然后是负的和大的。

在下文中，气隙被定义为目标到传感器的最近点与传感器封装的面部之间的距离（参见图2）。

当目标向左移动时，如图3所示，微分场ΔB₂仍然是负的，但B之间的差异比较小得多₁和B.₂. 微分磁场变化的原因是单个霍尔板上测量的磁场水平与传感器到目标的距离之间的非线性行为。

这种非线性函数可以在图4中看到，它演示了单个霍尔板感应到的场的典型行为（具有任意单位）与霍尔板与铁磁目标之间的距离。该图还以红色表示图2的情况，以绿色表示图3的情况。

因此，由ATS344LSP感测的差分场ΔB是目标的直接测量目标的独特位置（图5）。

ATS344LSP相对于其他磁性排列的优势

ATS344LSP提供了一种独特而有利的方法，用于测量线性位移。下面描述用于测量线性位移的其他常见技术。

第一种常用技术是使用单场测量（例如，单个霍尔板）和零高斯（或0 G）环形磁铁（图6）。零高斯磁铁就是磁铁
设计成在霍尔板位置（即磁体基线为零）没有场。环磁体也沿Y轴磁化。

零高斯磁铁与单霍尔板集成电路一起使用，以限制温度变化导致的传感器不准确（例如，钐钴稀土磁铁损失约4%的磁场）
与20℃相比，其在150℃下的强度。非零高斯磁铁的基线磁场很高，磁场随温度的变化很难补偿。

这些类型的线性位移测量对应的Allegro IC将是，例如，ATS341LSE。

由这种零高斯系统的霍尔板感测的字段是传感器和移动铁磁目标之间的距离的非线性测量：较近目标，更亮
场。传感器响应如图4所示。

0g排列的主要优点是概念简单。缺点主要是昂贵的0g磁铁（与矩形磁铁相比）和对外部磁场的敏感性
扰动磁场任何外部磁场扰动都将由单个霍尔板直接感应。注意，通常也有必要在应用中校准此类传感器，以补偿实际安装气隙的变化。

用于测量线性位移的第二种常用技术使用安装在移动物体上的永磁体和能够测量角度的传感器
这个磁铁产生的磁场。

图7示出了该原理：移动磁铁沿X轴磁化。测量磁场角β并直接测量磁体位置。

关于这个原理的更多信息可以在Allegro的网站上找到：“使用角度传感器IC的线性位置传感”。例如，这些类型的线性位移测量对应的Allegro IC是A1335型.

图7中的配置对气隙变化具有低灵敏度，并且根据磁体设计，这是本申请中描述的唯一能够达到大的技术
气隙（>4 mm）和长行程（>10 mm）。

这种配置的主要缺点是需要将磁铁安装在系统中要感测的移动物体上。安装磁铁的过程很昂贵，总有
磁铁离开物体的可能性。

另外，磁角度测量对外部扰动磁场敏感。

由于ATS3444LSP中使用的差分传感原理，该IC对外部磁场扰动非常不敏感。在IC中使用的差分处理电路自然地拒绝对霍尔板（即共模场）类似的扰动。ATS344LSP对两个大厅板上不同的扰动仍然敏感。例如，与SP封装引线平行的导线远离传感器40mm，携带500a，将产生在传感器输出上观察到的2g差分响应。但请注意，在这种情况下，单个或2D场测量值将感测25克变化。

ATS344LSP的差分测量技术还允许使用简单且经济高效的矩形磁体而不是复杂和昂贵的零高斯磁体。使用更简单的磁铁是可能的，因为磁体基线被ATS344LSP中的差分计算取消。

使用具有集成后偏置磁铁的铁磁目标和IC具有许多优点，并且还有必须考虑的权衡。主要权衡有关
工作气隙能力和IC的线性位移传感范围。这些参数受到Allegro SP封装中集成磁铁尺寸的限制。对于SP包，
典型的最大气隙约为2毫米，最大感测的行驶范围约为10毫米。在移动磁体技术的情况下，气隙能力和行驶范围可以更大 - 以非常大且昂贵的磁铁的成本和对外部扰动场的免疫力降低。

在一些应用中，待雷竞技最新网址感测的移动物体是将线性移位的轴，但也可以围绕其轴线旋转。在这种情况下，移动磁铁方法需要磁铁
覆盖轴的整个圆周。这也会导致一个过大和昂贵的磁铁。

如前所述，与安装离散磁铁相比，使用ATS344LSP和钢靶测量线性位移通常更容易，成本更低。

表1：不同应用架构进行线性位移测量的比较

	0 g偏见 单身 测量 （ATS341LSE）	移动磁铁和 磁场角 测量（A1335）	ATS344LSP. 后偏 微分 测量
最大气盈率 [毫米]	≈2	>4*	≈2
典型冲程 长度[mm]	≈10	取决于 移动磁铁 多达数十个 毫米*	≈10
典型 精确	中	高*	中
校准 里面 应用	推荐	可以避免	推荐
免疫 到外部 扰动场	低	低	高
磁铁	综合 复杂形状	取决于 应用	综合 简单的形状
目标	铁磁	常驻 磁铁	铁磁
目标 安装	容易的	困难	容易的

*具有良好的空气间隙能力，长距离和/或良好的精度始终处于大型和昂贵的移动磁铁的成本。

表1中的数据仅是典型值。有关特定应用程序的更多详细信息，请联系本地Allegro工程师。

典型的应用示例

请注意，以下所有结果均来自模拟，可能与实际结果略有不同。

在该示例中，目标是确定目标的位置（图8）。目标沿X轴移动。

为了说明ATS344LSP传感器的性能，请考虑具有以下要求的典型应用：

• 静态气隙：1.35±0.45 mm
• 动态气隙：±0.05 mm
• 温度范围：-40至150°C
• 行程范围右：10毫米
• 2点校准由用户在线性行程的端点进行：在这些位置预期10/90%PWM输出

为了具有适当的输入场范围，使用V形目标，其在ATS344LSP传感器上生成双极差分字段。

如前所述，磁场不会与应用气隙线性降低（图4）。雷竞技最新网址因此，使用直的V形靶（图9）本质上将导致
非线性差分传感器输出和精度误差。此错误称为目标内在非线性。

然而，目标形状优化可以补偿这种内在的非线性。事实上，在空气间隙很小的情况下，磁场会迅速减小，而在空气间隙很大的情况下，磁场减小的速度要慢得多。因此，在V形中间具有较大斜率的目标（即霍尔板实际感测到较大气隙的位置）可以补偿非线性磁场行为。

适当的目标设计还必须考虑其他应用参数（例如动态气隙变化）和传感器IC误差（随温度的偏移漂移、随温度的灵敏度漂移）
温度等）。

图10显示了应用示例的最佳目标的横截面图。A目标长度我选择了14 mm，不仅适合行程范围和
霍尔板（3毫米），但也有关于V形终点的边距。需要这种余量以避免V形区域外部的扁平区域的错误测量。这里已经采取了1毫米的余量。然后给出目标长度L：

L≥R+4毫米

对于V形高度，建议在2到4毫米之间（3.5mm，如图10所示）。小于2毫米的高度会导致小差异字段，因此
位置不准确性较高。如果高度大于4毫米，磁场不会显著增加，因为铁磁性材料会离传感器太远。

图11显示了ATS344LSP传感器在该最佳目标前面感测的差分场，而目标轴向位置和与气隙相比。可以看出，差压在标称施加气隙（1.35mm）和大的空气间隙中是线性的，但在小的空气间隙下显着偏离。这是故意的：在小的空气间隙下，传感器感测的差分场得多（图12）使得传感器对测量误差（主要是IC偏移漂移而言更敏感。因此，必须进行折衷，必须在小型和大的空隙下获得类似的精度性能。在空气隙中，误差主要来自内在目标非线性，并且在大的空气间隙中，误差主要来自传感器测量误差。

现在，将评估该应用示例的预期的准确性。为了获得现实的值，进行了蒙特卡罗统计分析。在该模拟中，根据其统计分布规律，为不同的应用参数（例如，安装气隙和传感器偏移误差）进行建模成千上万的现实情况。对于这些情况中的每一个，评估传感器输出精度。

给出的结果适用于整个集成电路温度范围，包括传感器寿命漂移。这里报告的误差是目标位移全范围的最大位置误差。这个
考虑寿命的偏移漂移是±12g（基于在类似产品上执行的温度循环测试的降低;该号码将通过ATS344LSP的未来测试确认）。

假设以下机械分布用于执行蒙特卡罗分析：

参数	分配	平均值[mm]	标准 偏差[mm]
安装 气隙	高斯	1.35	0.15
最大动感 气隙	高斯; 只有积极的 保留值	0	0.05/3

图13显示了所有模拟情况下最大位置误差在整个行程范围内的分布。它包括安装气隙、动态气隙变化、温度变化、传感器误差和目标固有非线性。传感器误差包括温度偏差和灵敏度漂移、温度偏差和灵敏度寿命漂移、传感器分辨率和非线性。请注意，%FS（%满标度）表示整个线性行程范围的百分比。

在应用中安装后，校准传感器，使行程范围的第一端返回10%PWM，第二端返回90%PWM（见图14）。

平均误差约为4.9％FS，标准偏差约为1.3％FS。从错误分布分析，看起来大约3000ppm的样本具有最大误差
大于9.4%FS或0.94 mm。

尽管未进行输出线性化以补偿内在目标非线性，但传感器的最终精度合理。

图14显示了一种随机模拟情况下，传感器输出相对于所有不同参数的预期包络。

图15显示了典型的测量误差如何与安装气隙相比。正如所预期的那样，最小误差围绕标称空气隙，曲线大致对称
相对于安装气隙范围（0.9至1.8 mm）。

结论

雷竞技竞猜下载Allegro Microsystems ATS344LSP磁背偏微分线性传感器IC在测量目标或轴的线性行程位置时具有独特的优势。当与传统的零高斯背偏线性集成电路相比，或与磁角度传感器集成电路ATS344LSP通过感应移动的磁铁提供：

• 消除客户系统的磁铁
• 轻松集成铁磁性目标
• 对外部扰动场的敏感性非常低

因此，建议使用ATS344LSP：

• 在苛刻的磁环境中，
• 简化目标安装（降低成本），
• 提高靶标夹具在应用中的机械可靠性。

更多关于如何ATS344LSP.将在特定应用程序中执行，联系当地的Allegro应用工程师.