發布日期：2022-04-26 點擊率：98
下載 PDF 版
共有四大類提供數字輸出的霍爾效應 IC 器件：單極開關、雙極開關、全極開關和鎖存器。本應用說明將主要闡述雙極開關。如需了解關于單極開關、全極開關和 鎖存器的類似應用說明，請訪問 Allegro? 網站。
雙極傳感器 IC 旨在設計成為靈敏開關。（請注意：“雙極”指的是磁極性，與雙極半導體芯片結構無關。）雙極開關具有一致的磁滯性，但個別器件的開關點發生在相對偏正極或偏負極的范圍內。因為磁場極性的交替確保了開關點的切換并且一致的磁滯性確保了周期性，故而這些器件適用于需要緊密排列、南北兩極交替使用的情況，從而導致所需的磁信號幅度 ΔB 最小。
圖 1 展示了應用于檢測旋轉軸的位置（例如在無刷直流電動機 (BLDC) 中）的情況。多個磁鐵并入一個簡單的結構，稱為“環形磁鐵”，它包含相對磁極性的交替區域。與每個環形磁鐵相鄰的 IC 封裝就是霍爾雙極開關器件。軸旋轉時，磁場區向霍爾器件移動。器件將受到最近的磁場的影響，在與南極磁場相對時開啟，在與北極磁場相對時關閉。請注意：器件的標記面應面向環形磁鐵。
圖 1：兩個使用環形磁鐵的雙極器件應用范例。環形磁鐵具有交替的 N（北）和 S（南）極性帶，他們圍繞霍爾器件旋轉、使其開啟和關閉。
以下是用于定義霍爾開關操作的轉換點或開關點的術語：
圖 2：霍爾效應是指在外加電流受垂直磁場影響時存在可測量的電壓。
B ? 磁通密度的符號，是用于確定霍爾器件開關點的一個磁場屬性。單位是高斯 (G) 或特斯拉 (T)。轉換關系是 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約定，B 在用于北極磁場時為負數，用于南極磁場時為正數。該約定可以用于對北極與南極數值進行算術比較，其中磁場的相對強度以 B 的絕對值表示，符號表示磁場的極性。例如，一個 ? 100 G（北極）磁場和一個 100 G（南極）磁場具有相同的強度，但是極性相反。同樣地，一個 ? 100 G 磁場的強度要高于一個 ? 50 G 磁場的強度。
BOP ? 磁場工作點；使霍爾器件開啟的強化磁場強度。器件輸出的結果狀態取決于器件的獨特電子設計。
BRP ? 磁場釋放點；使霍爾器件關斷的弱化磁場強度（對于某些類型的霍爾器件而言，則是在給出正 BOP 的情況下的強化負磁場的強度）。器件輸出的結果狀態取決于器件的獨特電子設計。
BHYS ? 開關點磁滯回差。霍爾器件的傳輸功能利用開關點之間的這個偏移值來過濾掉在應用中可能由機械振動或電磁噪聲引起的磁場中的小的波動值。BHYS = | BOP ? BRP |。
雙極開關通常有一個正值 BOP 和一個負值 BRP，但這些開關點出現時的磁場強度水平并不是正好關于中性水平 B = 0 G 對稱的。憑借這一特點，雙極開關比鎖存型開關更靈敏、BHYS 也更小（雙極開關最初一直被當作是一個替代早期鎖存器的低成本選擇）。僅有一小部分 (≈10%) 雙極開關的開關點范圍完全在正（南）極或完全在負（北）極。所有這些典型范圍都可以通過正（南）極和負（北）極磁場的交替變化穩定得到。在磁場被移除時，開關通常會關閉，但是為了確保釋放，需要外加一個相反的磁場。
例如，雙極開關可以是一個最大工作點 BOP(max) 為 45 G、最小釋放點 BRP(min) 為 –40 G、最小磁滯 BHYS(min) 為 15 G 的器件。但其最小工作點 BOP(min) 可以低至 –25 G、最大釋放點 BRP(max) 可以高至 30 G。圖 3 展示了具有此類開關點的假想器件單元的特征。圖 3 頂部的曲線“最小 ΔB”展示了一個小的振幅如何引起開關的切換。
圖 3：一個雙極開關可能的開關點范圍展示（與低磁通振幅、窄間距磁極交替目標一起使用）
圖 3 闡明了雙極開關的三個常用工作模式之間的差異：
“鎖存模式”描述的是任何一個有正值 BOP 和負值 BRP、像霍爾鎖存型開關那樣需要兩個磁場來完成操作（但實際上并未鎖存該器件的狀態）的雙極開關單元
“單極模式”描述的是任何一個 BOP 和 BRP 均為正值（南極）的雙極開關單元
“負單極模式”（有時也稱為“負開關”模式）描述的是任何一個 BOP 和 BRP 均為負值（北極）的雙極開關單元
如果在磁極經過并且磁通密度接近中性水平 B = 0 G 時霍爾開關沒有切換，那么在下一個磁極開始增加相反極性的磁通密度時，該開關必將關閉，因此，釋放點的磁通密度就變得沒有那么重要了。雙極霍爾開關利用這個額外的釋放點磁通量余量來實現更低的工作點通量密度，在環形磁鐵應用中，這是一個明顯的優勢。
從圖 3 底部的 VOUT 曲線可以看出，對于這些模式，每個磁極的轉換都是可靠的，而在不同的工作模式下輸出的占空比也有所不同。在鎖存模式下工作的雙極開關具有近乎對稱的開關點。當它與等間距的環形磁鐵磁極配合工作時，它的占空比將趨向完美。話雖如此，即使開關點被扭曲，它的占空比仍然會接近 50%、關斷時間所占比例為另外的 50%。對于電動機換相來說，這是非常理想的，能夠實現較高的效率。具有單極模式的單元在南磁極經過時執行開啟和關閉操作，在北磁極經過時沒有反應。在這種模式下，這些單元擁有大概 40% 的占空比、關斷時間所占比例為 60%。在負單極模式下工作的單元在北磁極經過時執行開啟和關閉操作，在南磁極經過時沒有反應。在這種模式下，這些單元擁有大概 60% 的占空比、關斷時間所占比例為 40%。
圖 4 的三個面板顯示了雙極傳感器 IC 的工作模式的轉換特征。
圖 4A：鎖存模式的特征。請注意：開關點磁滯區 BHYS 包括中性通量密度水平 B = 0 G。
為了解釋圖 4A，假設器件通電時磁通密度在最左邊，其中磁通量（B，在水平軸上）的負性比 BRP 或 BOP 要高。此時器件關閉，輸出電壓（VOUT，在垂直軸上）較高。
向右的箭頭表示在此方向上磁場的正性逐漸增加。當與 BOP 相比，磁場較為偏正時，器件開啟。這使輸出電壓轉變為相反的狀態（即，變低）。
若與 BRP 相比，磁場仍偏正，則器件仍保持在開啟狀態且輸出狀態保持不變。即使在 B 的正性比 BOP 略低（在開關磁滯 BHYS 的內置區內）的情況下也是如此。
箭頭轉為向左表示磁場正性減少、逐漸變負。當磁場再次降至 BRP 以下時，器件關閉。這使輸出變回初始狀態（即，變高）。
為了解釋圖 4B，假設器件通電時磁通密度在最左邊，其中磁通量（B，在水平軸上）的正性比 BRP 或 BOP 要低。此時器件關閉，輸出電壓（VOUT，在垂直軸上）較高。
向右的箭頭表示在此方向上磁場的正性逐漸增加。當與 BOP 相比，磁場較為偏正時，器件開啟。這使輸出電壓轉變為相反的狀態（即，變低）。
若與 BRP 相比，磁場仍偏正，則器件仍保持在開啟狀態且輸出狀態保持不變。即使在 B 的正性比 BOP 略低（在開關磁滯 BHYS 的內置區內）的情況下也是如此。
箭頭轉為向左表示在此方向上磁場的正性減少。當磁場再次降至 BRP 以下時，器件關閉。這使輸出變回初始狀態（即，變高）。
圖 4C：負單極（負開關）模式的特征。請注意：相對于中性通量密度水平 B = 0 G 而言，開關點磁滯區 BHYS 的磁性完全更偏向北極。南極磁場雖然可以在北極磁場經過后通過消散剩余的磁通量來幫助切換，但它不會對器件產生任何影響。
為了解釋圖 4C，假設器件通電時磁通密度在最左邊，其中磁通量（B，在水平軸上）的負性比 BRP 或 BOP 要高。此時器件關閉，輸出電壓（VOUT，在垂直軸上）較高。
向右的箭頭表示在此方向上磁場的負性減少。當磁場的負性比 BOP 要低時，器件開啟。這使輸出電壓轉變為相反的狀態（即，變低）。
若磁場的負性仍比 BOP 要低，則器件仍保持在開啟狀態且輸出狀態保持不變。即使在 B 的正性比 BOP 略低（在開關磁滯 BHYS 的內置區內）的情況下也是如此。
箭頭轉為向左表示在此方向上磁場的正性減少。當磁場再次降至 BRP 以下時，器件關閉。這使輸出變回初始狀態（即，變高）。
一個磁鐵可以提供兩個相反的磁極，然而，用環形或條形磁鐵材料更符合成本效益。環形和條形磁鐵可以在指定間距的情況下使磁極交替變換。環形磁鐵可以是環型或圓盤狀的組件（見圖 1），其徑向或軸向磁極交替變化。條形磁鐵是一個磁極交替變換的扁平條形結構。環形磁鐵可以由多種材料制成，包括陶瓷、稀土材料和柔性材料。條形磁鐵采用的幾乎都是柔性材料，如丁腈橡膠粘合劑（包含定向鋇鐵氧體），或更高級的能源稀土材料。
環形磁鐵通常有許多磁極，而條形磁鐵一般用磁極/英寸來定義。一個四極環形磁鐵包含兩個北極和兩個南極且這些磁極會交替轉換 (N-S-N-S)，而一個每英寸含 11 個磁極的條形磁鐵每間隔 0.0909 英寸就有一個磁極轉換。磁鐵制造商可以滿足各種極間距離要求。
上拉電阻器必須連接在電源正極和輸出引腳之間（見圖 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）和實際電源電壓的函數。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 的負載。在擔心電流消耗的情況下，上拉電阻最高可達 50~100 kΩ。注意：如果上拉電阻較大，可能會導致外部漏電流接地，而由于接地漏電流過高，即使器件處于磁關斷狀態，輸出電壓也可能會下降。這不是器件的問題，其根本原因在于上拉電阻器與傳感器 IC 輸出引腳之間的導體發生了電流泄露。嚴重的話，這會使傳感器 IC 輸出電壓大幅降低以至于使其喪失適當的外部邏輯功能。
圖 5：典型應用圖。
參考圖 5 了解旁路電容器的布局設計。一般來說：
對于沒有采用穩定斬波技術的設計， ? 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 0.01 μF 的電容器。
對于采用了穩定斬波技術的設計， ? 必須在電源和接地引腳之間放置一個 0.1 μF 的電容器，最好再在輸出和接地引腳之間放置一個 0.01 μF 的電容器。
在接通電源時，只有在磁場強度大于 BOP 或小于 BRP 的情況下，雙極器件才能有效通電。如果磁場強度處于磁滯帶，即在 BOP 和 BRP 之間，則器件最初處于開啟或關閉狀態，然后在首次經過一個開關點之后達到正確的狀態。可以為器件設計上電邏輯，以確保器件在到達開關點之前一直處于關閉狀態。
| 通電狀態 | |
|---|---|
| 傳感器 IC 類型 | 通電狀態（0 G 磁場） |
| 單極開關 | 關閉 |
| 鎖存 | 任一狀態 1、2 |
| 負開關 | 開啟 2 |
| 1 除非設計中采用了上電邏輯。 2 除非器件在磁場處于它的指定磁滯區內時通電。 | |
通電時間在某種程度上取決于器件的設計。數字輸出傳感器 IC（例如雙極器件）在初始通電時可在如下時間內達到穩定狀態。
| 器件類型 | 通電時間 |
|---|---|
| 非斬波設計 | <4 μs |
| 穩定斬波 | <25 μs |
從根本上來講，這意味著：在通電之后、經歷這段時間之前，器件的輸出可能處于一個不正確的狀態，但在經過這段時間之后，器件的輸出肯定處于正確的狀態。
總功耗是以下兩個因素的總和：
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，電源電流如數據表中所示。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。
在這個例子中，總功耗為 108 + 8 = 116 mW。將這個數字用在相關封裝的數據表的降額圖表中，檢查是否有必要降低最大允許工作溫度。
問題：我如何確定磁鐵的方向？
回答：磁極面向器件的標記面。標記面上有器件的識別標志，例如部分型號或日期代碼。
問題：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方向，則從正面看，穿過器件的磁流場的方向保持不變（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，北磁極會針對霍爾元件產生一個正磁場，而南磁極會產生一個負磁場。
問題：有用于接近器件背面的權衡方法嗎？
回答：有。由于霍爾元件與正面（封裝標記面）之間的距離比較近（相對于背面而言），從封裝正面接近時會出現一個“更清潔的”信號。例如，對于“UA”封裝，帶有霍爾元件的芯片位于封裝標記面內 0.50 mm 處，距離背面大約 1.02 mm。（標記面與霍爾元件之間的距離稱為“有效面積深度”。）
問題：一個很大的磁場會損壞霍爾效應器件嗎？
回答：不會。一個很大的磁場不會損壞 Allegro 霍爾效應器件，也不會導致磁滯增加（計劃內的磁滯除外）。
問題：我為什么需要一個穩定斬波型器件？
回答：與非斬波設計相比，穩定斬波型傳感器 IC 具有更高的靈敏度和控制更為嚴密的開關點。它也許還能承受更高的工作溫度。大多數新器件設計都采用了斬波型霍爾元件。
Allegro 雙極開關載列于公司網站的選擇指南中，詳情請參考“霍爾效應鎖存器與 雙極開關”。
無刷直流電動機的轉動
速度感測
脈沖計數器、編碼器
汽車
單極 開關
全極 開關
鎖存型 開關 （鎖存器）
參考：AN27705
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 索爾維全系列Solef?PV
