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全极开关霍尔效应 IC 基础

全极开关霍尔效应 IC 基础

介绍

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共有四大类提供数字输出的霍尔效应 IC 器件：单极开关、双极开关、全极开关和锁存器。本应用说明将主要阐述全极开关。Allegro™公司的网站上提供了有关双极开关、单极开关和锁存器的类似应用说明。

全极霍尔效应传感器 IC 也称“全极开关”，它是一种能利用强正极磁场或强负极磁场工作的数字输出霍尔效应锁存开关。这就简化了应用组装工作，因为安装运行的磁体时，可将其任意的磁极朝向全极器件。单独的磁体位于强度（磁通量密度）足够的磁场，会使器件切换至开启状态。开启后，全极 IC 将一直保持该状态，直至磁场移开，并且 IC 返回关闭状态。它能锁定更改的状态，并一直保持关闭，直至再次出现强度足够的磁场。

图 1 显示了检测汽车变速杆位置的应用。变速杆内包含一个磁体（紫色圆柱体）。一组微型黑色方块表示一系列全极开关器件。当驾驶员移动变速杆时，磁体会经过单独的霍尔器件。靠近磁体的器件会受到磁场的影响并开启，但大部分位置较远的器件不会受到影响，并保持关闭。磁体的南极或北极都能朝向霍尔器件，霍尔器件的标记面朝向磁体。

图 1

图 1.使用全极开关传感器 IC 的应用。在换挡过程中，当磁体（紫色圆柱体）经过超小型霍尔 IC 时，它们会进行开关操作。

磁性开关点术语

以下是用于定义霍尔开关操作的转换点或开关点的术语：

图 2 霍尔效应

图 2：霍尔效应是指在外加电流受垂直磁场影响时存在可测量的电压。

  • B– 磁通密度的符号，是用于确定霍尔器件开关点的一个磁场属性。单位是高斯 (G) 或特斯拉 (T)。转换关系是 1 G = 0.1 mT。

    B 有南极和北极之分，所以有必要记住它的代数约定，B 在用于北极磁场时为负数，用于南极磁场时为正数。该约定可以用于对北极与南极数值进行算术比较，其中磁场的相对强度以 B 的绝对值表示，符号表示磁场的极性。例如，一个 −100 G（北极）磁场和一个 100 G（南极）磁场具有相同的强度，但是极性相反。同样地，一个 −100 G 磁场的强度要高于一个 −50 G 磁场的强度。
    BOP– 磁场工作点；使霍尔器件开启的强化磁场强度。器件输出的结果状态取决于器件的独特电子设计。
  • BRP– 磁场释放点；使霍尔器件关断的弱化磁场强度（对于某些类型的霍尔器件而言，则是在给出正 BOP的情况下的强化负磁场的强度）。器件输出的结果状态取决于器件的独特电子设计。
  • BHYS– 开关点磁滞回差。霍尔器件的传输功能利用开关点之间的这个偏移值来过滤掉在应用中可能由机械振动或电磁噪声引起的磁场中的小的波动值。BHYS= | BOP− BRP|。

典型工作状态

全极传感器 IC 的开关点范围以对称方式围绕中性磁场 (B = 0 G)，如图 3 所示。开关点的磁场强度相等，但磁极相反。例如，假设正（南）极开关点是工作点 BOP(S)60 G，释放点 BRP(S)为 30 G。那么，负（北）极开关点是工作点 BOP(N)−60 G，释放点 BRP(N)为 −30 G。锁定最近的状态能防止器件在受到弱磁场影响时切换。

全极开关能在任意极性的强磁场中开启，产生的输出信号既可以是高逻辑电位（最高为全电源电压 VCC），也可以是低逻辑电位（在输出晶体管饱和电压条件下，VOUT(sat)，通常是 <200 mV），具体取决于器件 IC 输出级的设计。全极开关会在一个中等强度的磁场中关闭，产生的输出信号与开启状态时的极性相反。与其他类型的霍尔数字开关一样，这些器件不会在磁场强度处于开关点磁滞范围 (BHYS) 内时开关。此外，锁定开关状态还能防止器件在磁场强度相对较弱（处于释放点 BRP(N)和 BRP(S)之间）时开关。在再次切换前，不必非要穿过 0 G 点。指定开关事件的后面可以是极性相同或相反的开关事件。

图 3

图 3.全极开关的输出特性。顶部区域显示了存在强磁场时，切换至高逻辑电位，底部区域显示了在强磁场中，切换至低逻辑电位。

虽然器件能在任意强度的磁场中通电，为阐释图 3，从最左边开始，与北极工作点 BOP(N)相比，此处的磁通量（横轴上的 B）更偏负性。此处的器件处于开启状态，输出电压（纵轴上的 VOUT）取决于器件的设计：高压（顶部区域）或低压（底部区域）。

向右的箭头表示在此方向上磁场的负性减少。当与 BRP(N)相比，磁场更弱时，器件关闭。这使输出电压变为相反的状态（高压或低压，具体取决于器件的设计）。

当磁场一直比BOP(N)和 BOP(S)弱时（接近 B = 0 G，图 3 的中心），器件会保持关闭，锁定的输出状态会保持不变。即使在 B 的强度比BRP(N)或 BRP(S)略高（在开关磁滞 BHYS的内置区内）时也是如此。

如果下一个强磁场是负极磁场，向右的箭头表示在此方向上磁场的正性逐渐增加。当与 BOP(S)相比，磁场更强时，器件开启。这使输出电压变为相反的状态（高压或低压，具体取决于器件的设计）。如果下一个强磁场是负极磁场，向左的箭头表示在此方向上磁场的负性逐渐增加。当与 BOP(N)相比，磁场更强时，器件开启。这使输出电压变回初始状态。

上拉电阻器

上拉电阻器必须连接在电源正极和输出引脚之间（见图 4）。上拉电阻器的阻值一般是 1 至 10 kΩ。最小上拉电阻是传感器 IC 最大输出电流（灌电流）和实际电源电压的函数。20 mA 是最大输出电流的典型值，在这种情况下，最少可拉 VCC/ 0.020 A 的负载。在担心电流消耗的情况下，上拉电阻最高可达 50~100 kΩ。注意：如果上拉电阻较大，可能会导致外部漏电流接地，而由于接地漏电流过高，即使器件处于磁关断状态，输出电压也可能会下降。这不是器件的问题，其根本原因在于上拉电阻器与传感器 IC 输出引脚之间的导体发生了电流泄露。严重的话，这会使传感器 IC 输出电压大幅降低以至于使其丧失适当的外部逻辑功能。

图 4

图 4：典型应用图。

旁路电容器的使用

参考图 4 了解旁路电容器的布局设计。一般来说：

  • 对于没有采用稳定斩波技术的设计,建议在输出和接地引脚以及电源和接地引脚之间分别放置一个 0.01 µF 的电容器。
  • 对于采用了稳定斩波技术的设计， – 必须在电源和接地引脚之间放置一个 0.1 µF 的电容器，最好再在输出和接地引脚之间放置一个 0.01 µF 的电容器。

通电状态

只有当加电时，磁场强度超过 BOP或 BRP时，全极开关才会在有效状态下通电。如果磁场强度处于磁滞带，即在 BOP和 BRP之间，则器件最初处于开启或关闭状态，然后在首次经过一个开关点之后达到正确的状态。可以为器件设计上电逻辑，以确保器件在到达开关点之前一直处于关闭状态。

通电时间

通电时间在某种程度上取决于器件的设计。在初始通电时，数字输出传感器 IC（例如锁存型器件）可在如下时间内达到稳定状态。

器件类型 通电时间
非斩波设计 <4 µs
稳定斩波 <25 µs

从根本上来讲，这意味着：在通电之后、经历这段时间之前，器件的输出可能处于一个不正确的状态，但在经过这段时间之后，器件的输出肯定处于正确的状态。

功耗

总功耗是以下两个因素的总和：

  • 传感器 IC 消耗的功率，不包括在输出端损耗的功率。这个值的大小是 VCC与电源电流的乘积。VCC是器件电源电压，电源电流如数据表中所示。例如，已知 VCC= 12 V 并且电源电流 = 9 mA，则功耗 = 12 × 0.009 or 108 mW。
  • 在输出晶体管中消耗的功率。这个值的大小是 V(on)(sat)与输出电流（由上拉电阻器决定）的乘积。如果 V(on)(sat)为 0.4 V（最坏的情况）、输出电流为 20 mA（通常是最坏的情况），则消耗的功率为 0.4 × 0.02 = 8 mW。正如你所看到的，由于饱和电压的值非常小，所以在输出上的功耗也比较小。

在这个例子中，总功耗为 108 + 8 = 116 mW。将这个数字用在相关封装的数据表的降额图表中，检查是否有必要降低最大允许工作温度。

常见问题

问题：我如何确定磁铁的方向？

回答：磁极面向器件的标记面。标记面上有器件的识别标志，例如部分型号或日期代码。

问题：我可以将磁铁靠近器件背面吗？

回答：可以，但要记住：如果磁铁的磁极朝着同一个方向，则从正面看，穿过器件的磁流场的方向保持不变（例如，如果从正面看，南磁极比较接近器件，那么若从背面看，北磁极比较接近器件）。然后，北磁极会针对霍尔元件产生一个正磁场，而南磁极会产生一个负磁场。

问题：有用于接近器件背面的权衡方法吗？

回答：有。由于霍尔元件与正面（封装标记面）之间的距离比较近（相对于背面而言），从封装正面接近时会出现一个“更清洁的”信号。例如，对于“UA”封装，带有霍尔元件的芯片位于封装标记面内 0.50 mm 处，距离背面大约 1.02 mm。（标记面与霍尔元件之间的距离称为“有效面积深度”。）

问题：一个很大的磁场会损坏霍尔效应器件吗？

回答：不会。一个很大的磁场不会损坏 Allegro 霍尔效应器件，也不会导致磁滞增加（计划内的磁滞除外）。

问题：我为什么需要一个稳定斩波型器件？

回答：与非斩波设计相比，稳定斩波型传感器 IC 具有更高的灵敏度和控制更为严密的开关点。它也许还能承受更高的工作温度。大多数新器件设计都采用了斩波型霍尔元件。

推荐的器件

Allegro 公司网站上的选型指南《霍尔效应锁存器/双极开关》中列出了标准锁存器。

《微功率开关/锁存器》中列出了低功率锁存器。

可能的应用

  • 手机
  • 无绳电话
  • 寻呼机
  • 掌上电脑

相关器件类型的应用说明

参考：AN296070