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霍爾效應感測器設計技巧

上網時間: 2015年05月07日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:霍爾感測器  汽車電子  開關抖動  霍爾效應  霍爾開關 

作者:David Muthers、Thomas Kauther,Micronas公司

霍爾感測器由於其非接觸式測量原理和高可靠性,成為許多應用中越來越受歡迎的首選感測解決方案。例如,由於霍爾感測器對環境情況(如灰塵、濕度和振動)並不靈敏,即使在最嚴苛的環境溫度條件下(-40℃至150℃),其測量結果的一致性仍然很好,再加上它不受使用時間和次數而影響測量精確度的高品質特性,霍爾效應感測器正逐步取代機械開關。

為了實現不斷發展的安全和可靠性,開關閾值的最高精確度成為霍爾開關規格的基本參數。在一個由磁訊號透過開關閾值觸發的實際開關操作中,其動作會受開關延遲、採樣抖動和雜訊閾值等各種因素的影響。這些因素並不可取,一個理想的開關應該在瞬間做出反應,但由於霍爾IC的內部訊號處理,使其無法完全避免。

為了獲得最理想的開關性能, Micronas霍爾效應開關系列最新產品(HAL 15xy)的內部訊號處理為此進行專門設計,以增強對這些負面影響的抑制能力。本文分析訊號路徑設計如何影響輸出訊號的抖動性能,並介紹解決這一問題所採取的不同設計方法。

霍爾開關的訊號路徑

霍爾開關的簡化訊號路徑包括幾個基本元件,如圖1。整合的霍爾感測器將磁通密度轉換成電訊號,可選的低通濾波器限制了訊號頻寬,採樣或無採樣比較器則判定該訊號是高於還是低於當前的作用閾值。


圖1:簡化的霍爾開關訊號路徑。

被採樣比較器在每次被採樣時脈觸發時,都會產生新的決策;而未被採樣的比較器無需觸發即可持續運行。在採用低通濾波器時,它抑制高於有用訊號頻寬的頻率分量,以降低這些頻率範圍產生的雜訊。

許多霍爾感測器IC,採用著名的旋轉電流技術來實現優異的補償性能,如Micronas的霍爾開關系列。為求簡化,圖1省略了與旋轉電流相關的模組。

具有遲滯的靜態開關行為

霍爾開關具有兩種不同的磁閾值——Bon和Boff,可形成磁滯曲線。這種磁滯對於避免不必要的翻轉或閃抖是必要的。圖2顯示在非反向輸出狀態時,靜態輸出狀態與磁通密度B的對比曲線圖。


圖2:霍爾開關的靜態磁滯曲線。

在Bon和Boff之間,兩種輸出狀態都是可能的。在B>Bon時,輸出為0;在B< Boff前,開關都保持為0;但在B< Boff時的輸出變為1。

雜訊閾值和最小可靠磁滯

現在可能的這個問題是:磁滯曲線可做得多小?為了找到答案,必須考慮閾值雜訊的影響。實際上,Bon和Boff都不是限定為單一值的固定閾值,受到霍爾感測器本身和其它電路的熱雜訊所引起的閾值雜訊影響,這兩個值變得飄忽不定。取決於電流消耗和濾波器頻寬,可透過設計調整雜訊級。雜訊添加在假定原本是恆定的閾值上。


圖3:閾值雜訊的概率密度函數。

概率密度的高度是在相應磁通密度B條件下找到暫態閾值可能性的一種指標。對於熱雜訊來說,其概率呈常態(高斯)分佈。該密度函數的寬度由標準差σBth給出,其值與閥值的均方根(RMS)雜訊值Bmid,rms相同。

因為密度不可能為0,Bon和Boff概率密度的尾線將會在Bon和Boff的中點Bmid處趨合。這表示對於恆定磁通密度Bmid來說,Bon閥值有時可能(小概率)低於Bmid,從而啟動開關。另外,Boff有時也可能高於Bmid,從而關閉開關。這樣,即便對恆定磁通密度,開關也可能開始翻轉,這通常並不理想。這種現象不可能完全避免,但應儘量減少發生概率。以經驗法則來看,如果Bon-Boff的差值大於等於10~12σBth

(下一頁繼續:動態行為:採樣抖動)


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