使用霍尔效应传感技术的位置和水平传感

使用霍尔效应传感技术的位置和水平传感

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作者：Gary Pepka，A雷竞技竞猜下载llegro MicroSystems，LLC

摘要

Hall-effect (magnetic field) sensing applications have become practical recently through advancements in supporting technologies. This paper introduces Hall-effect technology, and then explores how it has been applied, in particular, differentiating between the primary types of Hall sensor ICs, and the highly differentiated range of sensing behaviors they can support. In addition, it explores some of the enabling technologies, such as advances in signal processing, that have made this technology so much more robust than in its earliest days. This allows the application of the extreme high-reliability benefit of contactless Hall applications in a broader range than ever before.

除了支撑技术的改进外，霍尔效应器件本身也取得了进步，为完整解决方案的设计做出了贡献。这些进步包括功率和空间的减少，以及诊断和保护功能的集成，使霍尔传感器集成电路能够提供先进的数据驱动功能，这些功能在小型便携式消费电子产品、汽车和其他不断增长的行业中越来越受欢迎。

介绍

随着各种各样的解决方案可用于位置传感和水平传感，设计师可以选择最佳的技术和包，以满足他们的商业和工程目标。在这些解决方案中，霍尔效应技术及其非接触式磁传感的应用提供了非凡的价值和可靠性。此应用说明审查霍尔效应技术的好处，以及如何在这些设备的最新发展提高位置和水平感测结果。

Hall Effect Benefits

可能有几乎一样多的手段，传感位置和水平，因为有许多应用程序需要这些功能。电感式、电容式、机械式、磁阻式、霍尔效应和光学，仅举几例，都是可行的传感选择，而且雷竞技最新网址名单还在继续扩大。然而，对于设计师来说，始终存在着同样需要解决的关键要素，这些要素不可避免地将应用程序的要求与适当的传感技术相匹配。

Critical requirements, such as: cost, distance of travel (effective operating air gap), resolution, accuracy, and often times cost again, all need to be determined to effectively and efficiently select the proper sensing technology. Of course, constructing answers for each of these elements is not always a straightforward task. Here, though, the flexibility of Hall-effect sensing technology is most advantageous. High reliability, small size, production-viable cost, wide operating voltage ranges, variety of output options, and ease of implementation allow Hall-effect sensing technology to service applications in most every market.

Overview of Hall Technology

首先，简要介绍霍尔效应技术的工作原理。简单地说，霍尔效应（Hall effect）是以埃德温·霍尔爵士（Sir Edwin Hall）的名字命名的，发现于1879年，它是指当流过导体的电流受到磁场影响时，导体上可测量的电压，例如硅（Si）或砷化镓（GaAs）。磁场产生的横向力称为洛伦兹力。因此，霍尔效应装置需要磁场来驱动装置。

图1.在霍尔效应中，垂直于电流流动的磁通量导致可测量的电压。

霍尔效应技术虽然在今天很普遍，但直到20世纪80年代才真正开始为大众所接受，这是因为霍尔元件上的电压电势很小，并且可能受到外力的影响，例如温度和封装应力。如图2所示，除了利用片上偏移消除技术外，最近的设备还结合了信号放大能力方面的进步，这使得霍尔效应传感技术即使在极端环境条件下也能得到应用，例如汽车引擎盖下的应用。此外，霍尔效应集成电路的“非接触”操作为用户提供了几乎无限的驱动和切换寿命。雷竞技最新网址

图2。Modern Hall-effect sensor ICs integrate signal conditioning and amplification techniques to make practical devices.

霍尔设备选项

进一步调查需要考虑位置或级别感测应用程序的元素，霍尔效应IC提供了具有多种特征和变体的设计者，包括数字或模拟输出。前一个选择是对传感离散位置的最佳选择，而后者提供了用户具有更大分辨率的相对无限数量的位置。一些需要离散位置或电平传感的应用的雷竞技最新网址一些例子是：汽车换档选择器，安全带扣开关，座椅位置传感器，蜂窝手机，无刷直流电机换向，挡风玻璃刮水器液体储存器和储气箱，仅限几个。由于其高可靠性，霍尔效应技术用于取代这些应用中的簧片开关和机械开关。雷竞技最新网址

大多数霍尔效应开关的输出结构是开漏的，电阻很低，因此简化了与大多数微处理器和其他数字电子器件（阈值比较器、多路复用器、基本TTL门等）的接口。典型的开漏输出，一旦打开，霍尔效应器件的输出电压从高变低。这就是说，霍尔效应集成电路有很多变化，以服务于过多的位置和水平传感应用，每一个都有自己的细微差别。这些变化包括功能，如：微功耗，磁极独立的传感，用户可编程的选择，两线电流源输出设备，磁偏置感应铁目标，并反向输出。这些不可能在一次会议上充分讨论，为了本文的目的，重点将放在标准设备上：它们的操作和应用用途。雷竞技最新网址

标准霍尔器件特性

标准数字位置和电平传感器IC的三种常见变化：单极，锁定和双极。通过单极开关，致动是由足够强度的磁场引起的，以“开启”。通常b_南方（B表示磁通密度）必须大于磁操作点，B_op.，设备的才能打开这些设备。一旦磁场减少到磁释放点以下，B_RP，则这些设备返回到“关闭”状态。

Latching devices turn on in a manner similar to unipolar switches. However, latching devices can only be turned off (unlatched) when the device sees sufficient magnetic field strength of the opposite polarity, B_北。

Bipolar switches are akin to latching devices in that they use opposing magnetic polarities to turn on and off. But due to the high sensitivity of these devices, they cannot be guaranteed to operate as a latch. In some cases, bipolar switches can have switchpoints (B_op.和B._RP）使它们用作标准单极开关或甚至作为负开关（仅在存在足够的北磁极性时切换）。

低分辨率应用雷竞技最新网址

使用离散位置感测的应用的一个很好的例子是汽车换档选择器。在移位选择器中，通常少于五个离散位置（公园，反向，中性，驱动器和低）。利用放置在每个单独位置的单极开关（P，R，N，D和L），当移位器中的磁体直接邻近开关时，每个开关仅接通，如图3所示。

图3.。Hall devices can be used as proximity switches, matched 1-to-1 with sensed positions, or arrayed to provide additional sensing positions through analysis of magnetic cross talk using multiple devices.

Should the designer require additional positions, the spacing between the devices can be reduced to create "cross talk" between the devices. In this manner additional positions are obtained when the magnet is sufficiently close to two devices such that they are both turned on, thereby increasing the number of positions from, for example, five to nine. Simple Binary Coded Decimal (BCD) systems, or more advanced systems such as Gray code or Densely Packed Decimal (DPD), can be used to decode the logic and acquire positional information.

类似地，这种策略可用于通过内部浮选装置感测罐中的液体水平，如图4所示。随着磁体浮动，随着流体水平的变化，离散水平上下的变化通过该传感器IC处于ON状态确定。

图4.流体箱中的电平传感应用;球形浮子用纽扣磁铁在流体表面上骑在骑行，而霍尔设备和接线完全隔离在单独的室内。

High Resolution Applications

从档位选择器示例可以很快看出，当只需要几个位置时，离散位置或液位感应是理想的。当应用程序需要更高的分辨率时，这种为每个位置添加设备的方法很快就变得成本高昂并且在空间上具有挑战性。

使用模拟输出输入线性霍尔效应装置。类似于数字交换机，线性有丰富的功能;例如，比率输出，用户可编程性，数字输出（例如PWM）和单向或双向感测。类似于在用于离散位置或水平的设备的前面描述中，该讨论仅集中在标准线性霍尔效应传感器IC上：它们的操作方法和应用程序使用。

大多数标准线性霍尔效应传感器IC具有比例输出（0.5×V._DD.) that respond proportionately to magnetic field strength. These devices generally require a regulated 5.0 V supply and the QVO (quiescent voltage output, V_{输出（Q）}) is 2.5 V when there is no significant magnetic field present (see figure 5). The output voltage increases when sensing an increasing magnetic field from the south pole of a magnet, approaching 5.0 V. Conversely, the output voltage will decrease when sensing an increasing magnetic field from the north pole of magnet, approaching 0 V.

图5.线性霍尔效应装置在传感磁通量范围内响应，输出比模拟信号。

There are two common configurations for applications of linear devices, which form the foundation for most designs. These techniques are termed slide-by and head-on.

按配置滑动

在标准的滑动应用程序中，磁铁在封装表面上移动，这样霍尔元件就能感应到一个或两个磁极，如图6所示。在电压输出为零的位置可以有效地分为三个位置：（a）在磁铁足够接近设备感应到的磁场之前，（b）一旦磁极之间的过零（b=0）与霍尔元件直接相邻，以及（c）一旦磁铁经过设备足够远而不再有足够的磁场可在元素处检测到的场。实际上，输出电压的变化是从2.5伏到0伏（假设_DD.当磁场的北极穿过封装表面时为5 V，当磁场的南极穿过封装表面时为2.5至5.0 V。这通常被标记为双向感应。

图6.按应用配置和响应曲线滑动，显示北极和南极峰的单独节点。

当然，也可以只感知设备上一个电极的变化，尽管这可能会限制可用范围。被称为单向感应，在输出的变化，然后仅限于2.5伏的标准线性。要获得全范围的操作，就必须采用一个用户可编程的线性与此功能。霍尔效应集成电路输出的电压随磁场在表面上的变化，可以用来确定移动磁铁的相对位置。一个标准微处理器上的A-D转换器和一个简单的查找表可以用来传递实际位置。在这种情况下，分辨率（可检测的位置数）取决于A-to-D转换器的分辨率，但是模拟信号提供了相对无限的位置数。

可以使用滑块的应用程序的一个例子是阀门位置，如图7所示。在本申请中，磁体通常是一个双极环形磁体，其在霍尔效应包的前面（窗口的载玻片）旋转。当相对的磁场通过元件前面时，电压输出与场强的变化相比成比例地变化。借助于精确感测，可以控制阀的位置以更精确地通过载体更准确地示出物质的流动。

图7.。Valve position sensing is a proven application for slide-by Hall IC configurations.

正面配置

头戴式位置感测与按配置滑动的单向感测非常相似。本质上，线性霍尔集成电路只区分一个磁极的磁场强度变化，磁极可以是南北极。检测模式很简单。当磁铁靠近设备时，IC检测到的磁场增加，磁场强度随着磁铁的移除而降低，如图8所示。

图8.头部应用配置和响应曲线，显示出单调特性，无论极点方向如何。

在跑步机上检测甲板的高度说明了头部传感技术的用途。当甲板的高度被改变以改变跑步者的梯度时，可以使用线性霍尔IC来检测甲板的位移。通常，磁体在传感器组件保持静止时附接到甲板本身。当转换器增加或减少甲板的梯度时，传感器IC通过霍尔元件目击所目的的场强的变化向控制模块提供反馈。

确定现场规范

与任何技术一样，在设计使用霍尔效应传感器IC的应用程序时，都有一些特定的考虑因素。仔细选择磁铁是最重要的，包括形状和位置，如图9所示。磁场强度随距离呈指数衰减。此外，磁铁具有需要考虑的温度系数。

因此，对于离散位置感测，在所需的切换位置，从封装的面部到磁体的面部始终是良好的做法，然后在所需的切换位置，然后确定在额定温度范围内的最大和最小场强，在那个距离。然后应将该值与每个替代设备的最大额定操作开关进行比较。

图10提供了通过有效气隙估算场退化的图表和公式。可使用以下公式计算此变化：

哪里：

• Br =材料的剩余磁电感，在g中，
• L =磁铁的长度，mm，
• X = Distance between the surface of the magnet and the device, in mm, and
• R=磁铁半径，单位：mm。

图表反映了按钮磁铁的典型结果，与图9所示类似，由NdFe组成，额定值为30 MOe（oersted；1 Oe=100微特斯拉，micro；T），半径为2 mm，厚度为1 mm。

对于设计者来说，一个好的经验法则是确保在设备切换所需的位置，磁场强度至少比最大额定切换点所需的磁场强度高10%。例如，如果单极开关需要B_op.（最大）50g打开一定距离，然后在所有条件下该距离处的场强应不小于55克。

设计线性应用雷竞技最新网址

与数字霍尔效应交换机不同，这只需要一定的强度和极性的场，以便致动，线性设备需要更多的应用规范，以实现令人满意的结果。线性IC的增益在给定距离处确定分辨率。因此，无论应用程序是乘坐幻灯片还是正面，必须选择适当的增益。

为此，必须建立两个已知的端点和所需的分辨率（数据点数）。以下是确定适当增益的简要示例。

假设应用的要求如图11所示，可用的线性范围将是3 V。随着磁体在设备上行进的全部范围是200g（高斯; 10g = 1毫安，MT）。除以输出电压的变化，v_出去应用领域的变化,Bapplied提供es the appropriate gain of the linear Hall-effect device for this application.

为了更清楚，这里是这个例子的方程式和结果。一般方程式为：

要使用示例数据，请先转换v_出去从v到mv。

然后：

V_出去=V_–V_出口1

= 4000 mV – 1000 mV

=3000 mV（全线性范围），

和

B_应用（g）= b_最大值–B级_min

= 100 g - （-100 g）= 200 g。

注意：应用的代数约定是：B的正值表示南极性，B的负值表示北极。

进入一般方程式：

增益（mV/G）=3000 mV/200 G

=15毫伏/克。

Of course, in real world applications the transfer functions are not perfectly linear and there can be an inherent offset in the system. For this reason, further consideration must be given to the accuracy required by the application, as well as the resolution capabilities of the A-to-D converter or similar device that must read the output, and the temperature coefficient of the magnet.

在这些情况下，有必要考虑：

• 静态输出电压随温度的变化，V_{输出（Q）}(TA),
• 灵敏度（增益）随温度的变化，V_{传感器（Q）}（TA），以及
• The linearity of the device over a given range of magnetic field strength.

线性霍尔效应IC可以用磁场反向偏置，以感测含铁靶。例如，基于Hall基于AC的传感器在汽车行业中广泛接受，以精确地感知凸轮凸起的位置和发动机中的曲轴速度，以改善定时，从而赋予更有效的燃料消耗。许多霍尔效应线性的高带宽能力允许它们用于在混合动力车辆中感测DC-DC转换器和电池管理系统的电流变化。

概要

显然这些是可以使用霍尔效应感测的应用程序的简化示例，以及这种技术提供的能力和功能的非常雷竞技最新网址压缩的描述。重要的霍尔技术选项的其他有趣例子包括：

• 二线制装置的电流源输出是安全关键应用的理想选择，如座椅位置和安全带扣传感器。这是因为这些设备输出两个不同的电流水平来指示开和关状态。任何偏离这些水平的输出雷竞技最新网址都是一种故障状态，为用户提供固有的诊断。
• Extremely low current draw (<5 W) permits Hall-effect ICs to be used in open/closed circuit sensors. This is particularly valuable in battery-operated applications that are sensitive to power loss, for example: cellular flip phones, laptop computers, and pagers.
• 这些传感器集成电路的灵活性进一步增强了包装选项的分类。一些微铅封装（MLP，也称为无铅DFN或QFN封装）小到2.0×2.0×0.5 mm，而其他封装则大到足以包括钐钴磁体以使IC反向偏置。

霍尔效应技术可以为无数的应用提供服务，推雷竞技最新网址动了这些设备的日益多样化。因此，技术不断发展。不断缩小的尺寸和不断增加的能力使霍尔技术成为几乎任何位置或水平传感应用的可行解决方案。