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共有四大類(lèi)提供數(shù)字輸出的霍爾效應(yīng) IC 器件：?jiǎn)螛O開(kāi)關(guān)、雙極開(kāi)關(guān)、全極開(kāi)關(guān)和鎖存器。本應(yīng)用說(shuō)明將主要闡述全極開(kāi)關(guān)。Allegro?公司的網(wǎng)站上提供了有關(guān) 雙極開(kāi)關(guān)、單極開(kāi)關(guān)和 鎖存器的類(lèi)似應(yīng)用說(shuō)明。
全極霍爾效應(yīng)傳感器 IC 也稱“全極開(kāi)關(guān)”，它是一種能利用強(qiáng)正極磁場(chǎng)或強(qiáng)負(fù)極磁場(chǎng)工作的數(shù)字輸出霍爾效應(yīng)鎖存開(kāi)關(guān)。這就簡(jiǎn)化了應(yīng)用組裝工作，因?yàn)榘惭b運(yùn)行的磁體時(shí)，可將其任意的磁極朝向全極器件。單獨(dú)的磁體位于強(qiáng)度（磁通量密度）足夠的磁場(chǎng)，會(huì)使器件切換至開(kāi)啟狀態(tài)。開(kāi)啟后，全極 IC 將一直保持該狀態(tài)，直至磁場(chǎng)移開(kāi)，并且 IC 返回關(guān)閉狀態(tài)。它能鎖定更改的狀態(tài)，并一直保持關(guān)閉，直至再次出現(xiàn)強(qiáng)度足夠的磁場(chǎng)。
圖 1 顯示了檢測(cè)汽車(chē)變速桿位置的應(yīng)用。變速桿內(nèi)包含一個(gè)磁體（紫色圓柱體）。一組微型黑色方塊表示一系列全極開(kāi)關(guān)器件。當(dāng)駕駛員移動(dòng)變速桿時(shí)，磁體會(huì)經(jīng)過(guò)單獨(dú)的霍爾器件。靠近磁體的器件會(huì)受到磁場(chǎng)的影響并開(kāi)啟，但大部分位置較遠(yuǎn)的器件不會(huì)受到影響，并保持關(guān)閉。磁體的南極或北極都能朝向霍爾器件，霍爾器件的標(biāo)記面朝向磁體。
圖 1.使用全極開(kāi)關(guān)傳感器 IC 的應(yīng)用。在換擋過(guò)程中，當(dāng)磁體（紫色圓柱體）經(jīng)過(guò)超小型霍爾 IC 時(shí)，它們會(huì)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。
磁性開(kāi)關(guān)點(diǎn)術(shù)語(yǔ)
以下是用于定義霍爾開(kāi)關(guān)操作的轉(zhuǎn)換點(diǎn)或開(kāi)關(guān)點(diǎn)的術(shù)語(yǔ)：
圖 2：霍爾效應(yīng)是指在外加電流受垂直磁場(chǎng)影響時(shí)存在可測(cè)量的電壓。
B – 磁通密度的符號(hào)，是用于確定霍爾器件開(kāi)關(guān)點(diǎn)的一個(gè)磁場(chǎng)屬性。單位是高斯 (G) 或特斯拉 (T)。轉(zhuǎn)換關(guān)系是 1 G = 0.1 mT。
B 有南極和北極之分，所以有必要記住它的代數(shù)約定，B 在用于北極磁場(chǎng)時(shí)為負(fù)數(shù)，用于南極磁場(chǎng)時(shí)為正數(shù)。該約定可以用于對(duì)北極與南極數(shù)值進(jìn)行算術(shù)比較，其中磁場(chǎng)的相對(duì)強(qiáng)度以 B 的絕對(duì)值表示，符號(hào)表示磁場(chǎng)的極性。例如，一個(gè) ?100 G（北極）磁場(chǎng)和一個(gè) 100 G（南極）磁場(chǎng)具有相同的強(qiáng)度，但是極性相反。同樣地，一個(gè) ?100 G 磁場(chǎng)的強(qiáng)度要高于一個(gè) ?50 G 磁場(chǎng)的強(qiáng)度。
BOP – 磁場(chǎng)工作點(diǎn)；使霍爾器件開(kāi)啟的強(qiáng)化磁場(chǎng)強(qiáng)度。器件輸出的結(jié)果狀態(tài)取決于器件的獨(dú)特電子設(shè)計(jì)。
BRP – 磁場(chǎng)釋放點(diǎn)；使霍爾器件關(guān)斷的弱化磁場(chǎng)強(qiáng)度（對(duì)于某些類(lèi)型的霍爾器件而言，則是在給出正 BOP 的情況下的強(qiáng)化負(fù)磁場(chǎng)的強(qiáng)度）。器件輸出的結(jié)果狀態(tài)取決于器件的獨(dú)特電子設(shè)計(jì)。
BHYS – 開(kāi)關(guān)點(diǎn)磁滯回差。霍爾器件的傳輸功能利用開(kāi)關(guān)點(diǎn)之間的這個(gè)偏移值來(lái)過(guò)濾掉在應(yīng)用中可能由機(jī)械振動(dòng)或電磁噪聲引起的磁場(chǎng)中的小的波動(dòng)值。BHYS = | BOP ? BRP |。
典型工作狀態(tài)
全極傳感器 IC 的開(kāi)關(guān)點(diǎn)范圍以對(duì)稱方式圍繞中性磁場(chǎng) (B = 0 G)，如圖 3 所示。開(kāi)關(guān)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度相等，但磁極相反。例如，假設(shè)正（南）極開(kāi)關(guān)點(diǎn)是工作點(diǎn) BOP(S) 60 G，釋放點(diǎn) BRP(S) 為 30 G。那么，負(fù)（北）極開(kāi)關(guān)點(diǎn)是工作點(diǎn) BOP(N) ?60 G，釋放點(diǎn) BRP(N) 為 ?30 G。鎖定最近的狀態(tài)能防止器件在受到弱磁場(chǎng)影響時(shí)切換。
全極開(kāi)關(guān)能在任意極性的強(qiáng)磁場(chǎng)中開(kāi)啟，產(chǎn)生的輸出信號(hào)既可以是高邏輯電位（最高為全電源電壓 VCC），也可以是低邏輯電位（在輸出晶體管飽和電壓條件下，VOUT(sat)，通常是<200 mV），具體取決于器件 IC 輸出級(jí)的設(shè)計(jì)。全極開(kāi)關(guān)會(huì)在一個(gè)中等強(qiáng)度的磁場(chǎng)中關(guān)閉，產(chǎn)生的輸出信號(hào)與開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)的極性相反。與其他類(lèi)型的霍爾數(shù)字開(kāi)關(guān)一樣，這些器件不會(huì)在磁場(chǎng)強(qiáng)度處于開(kāi)關(guān)點(diǎn)磁滯范圍 (BHYS) 內(nèi)時(shí)開(kāi)關(guān)。此外，鎖定開(kāi)關(guān)狀態(tài)還能防止器件在磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較弱（處于釋放點(diǎn) BRP(N) 和 BRP(S) 之間）時(shí)開(kāi)關(guān)。在再次切換前，不必非要穿過(guò) 0 G 點(diǎn)。指定開(kāi)關(guān)事件的后面可以是極性相同或相反的開(kāi)關(guān)事件。
圖 3.全極開(kāi)關(guān)的輸出特性。頂部區(qū)域顯示了存在強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，切換至高邏輯電位，底部區(qū)域顯示了在強(qiáng)磁場(chǎng)中，切換至低邏輯電位。
雖然器件能在任意強(qiáng)度的磁場(chǎng)中通電，為闡釋圖 3，從最左邊開(kāi)始，與北極工作點(diǎn) BOP(N) 相比，此處的磁通量（橫軸上的 B）更偏負(fù)性。此處的器件處于開(kāi)啟狀態(tài)，輸出電壓（縱軸上的 VOUT）取決于器件的設(shè)計(jì)：高壓（頂部區(qū)域）或低壓（底部區(qū)域）。
向右的箭頭表示在此方向上磁場(chǎng)的負(fù)性減少。當(dāng)與 BRP(N) 相比，磁場(chǎng)更弱時(shí)，器件關(guān)閉。這使輸出電壓變?yōu)橄喾吹臓顟B(tài)（高壓或低壓，具體取決于器件的設(shè)計(jì)）。
當(dāng)磁場(chǎng)一直比 BOP(N) 和 BOP(S) 弱時(shí)（接近 B = 0 G，圖 3 的中心），器件會(huì)保持關(guān)閉，鎖定的輸出狀態(tài)會(huì)保持不變。即使在 B 的強(qiáng)度比 BRP(N) 或 BRP(S) 略高（在開(kāi)關(guān)磁滯 BHYS 的內(nèi)置區(qū)內(nèi)）時(shí)也是如此。
如果下一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)是負(fù)極磁場(chǎng)，向右的箭頭表示在此方向上磁場(chǎng)的正性逐漸增加。當(dāng)與 BOP(S) 相比，磁場(chǎng)更強(qiáng)時(shí)，器件開(kāi)啟。這使輸出電壓變?yōu)橄喾吹臓顟B(tài)（高壓或低壓，具體取決于器件的設(shè)計(jì)）。如果下一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)是負(fù)極磁場(chǎng)，向左的箭頭表示在此方向上磁場(chǎng)的負(fù)性逐漸增加。當(dāng)與 BOP(N) 相比，磁場(chǎng)更強(qiáng)時(shí)，器件開(kāi)啟。這使輸出電壓變回初始狀態(tài)。
上拉電阻器
上拉電阻器必須連接在電源正極和輸出引腳之間（見(jiàn)圖 4）。上拉電阻器的阻值一般是 1 至 10 kΩ。最小上拉電阻是傳感器 IC 最大輸出電流（灌電流）和實(shí)際電源電壓的函數(shù)。20 mA 是最大輸出電流的典型值，在這種情況下，最少可拉 VCC / 0.020 A 的負(fù)載。在擔(dān)心電流消耗的情況下，上拉電阻最高可達(dá) 50~100 kΩ。注意：如果上拉電阻較大，可能會(huì)導(dǎo)致外部漏電流接地，而由于接地漏電流過(guò)高，即使器件處于磁關(guān)斷狀態(tài)，輸出電壓也可能會(huì)下降。這不是器件的問(wèn)題，其根本原因在于上拉電阻器與傳感器 IC 輸出引腳之間的導(dǎo)體發(fā)生了電流泄露。嚴(yán)重的話，這會(huì)使傳感器 IC 輸出電壓大幅降低以至于使其喪失適當(dāng)?shù)耐獠窟壿嫻δ堋?/p>
圖 4：典型應(yīng)用圖。
旁路電容器的使用
參考圖 4 了解旁路電容器的布局設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)：
對(duì)于沒(méi)有采用穩(wěn)定斬波技術(shù)的設(shè)計(jì) – ，建議在輸出和接地引腳以及電源和接地引腳之間分別放置一個(gè) 0.01 μF 的電容器。
對(duì)于采用了穩(wěn)定斬波技術(shù)的設(shè)計(jì)， – 必須在電源和接地引腳之間放置一個(gè) 0.1 μF 的電容器，最好再在輸出和接地引腳之間放置一個(gè) 0.01 μF 的電容器。
通電狀態(tài)
只有當(dāng)加電時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò) BOP 或 BRP 時(shí)，全極開(kāi)關(guān)才會(huì)在有效狀態(tài)下通電。如果磁場(chǎng)強(qiáng)度處于磁滯帶，即在 BOP 和 BRP 之間，則器件最初處于開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)，然后在首次經(jīng)過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)點(diǎn)之后達(dá)到正確的狀態(tài)。可以為器件設(shè)計(jì)上電邏輯，以確保器件在到達(dá)開(kāi)關(guān)點(diǎn)之前一直處于關(guān)閉狀態(tài)。
通電時(shí)間
通電時(shí)間在某種程度上取決于器件的設(shè)計(jì)。在初始通電時(shí)，數(shù)字輸出傳感器 IC（例如鎖存型器件）可在如下時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
| 器件類(lèi)型 | 通電時(shí)間 |
|---|
| 非斬波設(shè)計(jì) | <4 μs |
| 穩(wěn)定斬波 | <25 μs |
從根本上來(lái)講，這意味著：在通電之后、經(jīng)歷這段時(shí)間之前，器件的輸出可能處于一個(gè)不正確的狀態(tài)，但在經(jīng)過(guò)這段時(shí)間之后，器件的輸出肯定處于正確的狀態(tài)。
功耗
總功耗是以下兩個(gè)因素的總和：
傳感器 IC 消耗的功率，不包括在輸出端損耗的功率。這個(gè)值的大小是 VCC 與電源電流的乘積。VCC 是器件電源電壓，電源電流如數(shù)據(jù)表中所示。例如，已知 VCC = 12 V 并且電源電流 = 9 mA，則功耗 = 12 × 0.009 or 108 mW。
在輸出晶體管中消耗的功率。這個(gè)值的大小是 V(on)(sat) 與輸出電流（由上拉電阻器決定）的乘積。如果 V(on)(sat) 為 0.4 V（最壞的情況）、輸出電流為 20 mA（通常是最壞的情況），則消耗的功率為 0.4 × 0.02 = 8 mW。正如你所看到的，由于飽和電壓的值非常小，所以在輸出上的功耗也比較小。
在這個(gè)例子中，總功耗為 108 + 8 = 116 mW。將這個(gè)數(shù)字用在相關(guān)封裝的數(shù)據(jù)表的降額圖表中，檢查是否有必要降低最大允許工作溫度。
常見(jiàn)問(wèn)題
問(wèn)題：我如何確定磁鐵的方向？
回答：磁極面向器件的標(biāo)記面。標(biāo)記面上有器件的識(shí)別標(biāo)志，例如部分型號(hào)或日期代碼。
問(wèn)題：我可以將磁鐵靠近器件背面嗎？
回答：可以，但要記住：如果磁鐵的磁極朝著同一個(gè)方向，則從正面看，穿過(guò)器件的磁流場(chǎng)的方向保持不變（例如，如果從正面看，南磁極比較接近器件，那么若從背面看，北磁極比較接近器件）。然后，北磁極會(huì)針對(duì)霍爾元件產(chǎn)生一個(gè)正磁場(chǎng)，而南磁極會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)磁場(chǎng)。
問(wèn)題：有用于接近器件背面的權(quán)衡方法嗎？
回答：有。由于霍爾元件與正面（封裝標(biāo)記面）之間的距離比較近（相對(duì)于背面而言），從封裝正面接近時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“更清潔的”信號(hào)。例如，對(duì)于“UA”封裝，帶有霍爾元件的芯片位于封裝標(biāo)記面內(nèi) 0.50 mm 處，距離背面大約 1.02 mm。（標(biāo)記面與霍爾元件之間的距離稱為“有效面積深度”。）
問(wèn)題：一個(gè)很大的磁場(chǎng)會(huì)損壞霍爾效應(yīng)器件嗎？
回答：不會(huì)。一個(gè)很大的磁場(chǎng)不會(huì)損壞 Allegro 霍爾效應(yīng)器件，也不會(huì)導(dǎo)致磁滯增加（計(jì)劃內(nèi)的磁滯除外）。
問(wèn)題：我為什么需要一個(gè)穩(wěn)定斬波型器件？
回答：與非斬波設(shè)計(jì)相比，穩(wěn)定斬波型傳感器 IC 具有更高的靈敏度和控制更為嚴(yán)密的開(kāi)關(guān)點(diǎn)。它也許還能承受更高的工作溫度。大多數(shù)新器件設(shè)計(jì)都采用了斬波型霍爾元件。
推薦的器件
Allegro 公司網(wǎng)站上的選型指南 《霍爾效應(yīng)鎖存器/雙極開(kāi)關(guān)》中列出了標(biāo)準(zhǔn)鎖存器。
《微功率開(kāi)關(guān)/鎖存器》中列出了低功率鎖存器。
可能的應(yīng)用
手機(jī)
無(wú)繩電話
尋呼機(jī)
掌上電腦
相關(guān)器件類(lèi)型的應(yīng)用說(shuō)明
雙極 開(kāi)關(guān)
單極 開(kāi)關(guān)
鎖存型 開(kāi)關(guān) （鎖存器）
參考：AN296070
