锁存开关霍尔效应 IC 基础

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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锁存开关。Allegro™公司的网站上提供了有关 单极开关双极开关和 全极开关的类似应用说明。

锁存型霍尔效应传感器 IC 也称“锁存器”,它是一种能锁定输出状态的数字输出霍尔效应开关。锁存器与双极开关类似,它有正极 BOP 和负极 BRP,但却能精确控制开关动作。锁存器要求正负极磁场同时工作。单独的磁体位于强度(磁通量密度)足够的南极(正极)磁场,会使器件切换至开启状态。当器件开启时,它会锁定状态并保持开启,即时将磁场移开也是如此,直到出现一个强度足够的北极(负极)磁场。当出现负极磁场时,器件会关闭。它会锁定更改的状态并保持关闭,即时将磁场移开也是如此,直到出现一个强度足够的南极(正极)磁场。

图 1 显示了检测转轴位置的应用。多个磁体集中在一个被称为“环形磁铁”的简单结构内,它包含相反的磁极交替排列的区域。与每个环形磁体相邻的 IC 封装就是霍尔锁存器件。轴旋转时,磁场区向霍尔器件移动。器件将受到最近的磁场的影响,在与南极磁场相对时开启,在与北极磁场相对时关闭。请注意:器件的标记面应面向环形磁铁。

图 1

图 1.使用环形磁铁的两个锁存型器件。环形磁铁具有交替的 N(北)和 S(南)极性带,他们围绕霍尔器件旋转、使其开启和关闭。

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

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。

  •  −  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

锁存传感器 IC 的开关点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,如果工作点 BOP是 85 G(表示南极的正值),释放点 BRP是  − 85 G(表示北极的负值)。锁定最近的状态能防止器件在受到弱磁场影响时切换。

锁存开关会在强南极磁场中开启,产生的输出信号是低逻辑电位,(在输出晶体管饱和电压条件下,VOUT(sat),通常是 <200 mV)。锁存开关会在强北极磁场中关闭,产生的输出信号是低逻辑电位(最高为全电源电压, VCC)。由于开关状态已锁定,所以当磁场介于开关点的磁滞范围(在 BOP 和 BRP 之间)内时,这些器件不会切换。由于在两个方向进行切换前,必须穿过 0 G 点,所以磁滞范围相对要比其他类型的霍尔开关的更宽。

图 3

图 3.锁存开关的输出特性。存在强南极强磁场时,器件输出切换至低逻辑电位,存在强北极磁场时,它会切换至高逻辑电位。在弱磁场中,锁存器不会更改输出状态。

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,此处的磁通量(横轴上的 B)的正性小于 BRP 或 BOP。此时器件关闭,输出电压(VOUT,在垂直轴上)较高。

向右的箭头表示在此方向上磁场的正性逐渐增加。当与 BOP 相比,磁场较为偏正时,器件开启。这使输出电压转变为相反的状态(即,变低)。

若与 BRP 相比,磁场仍偏正,则器件仍保持在开启状态且输出状态保持不变。即使在 B 的正性比 BOP 略低(在开关磁滞 BHYS 的内置区内)的情况下也是如此。

箭头转为向左表示磁场正性减少、逐渐变负。当磁场再次降至 BRP 以下时,器件关闭。这使输出变回初始状态。

磁铁

一个磁铁可以提供两个相反的磁极,然而,用环形或条形磁铁材料更符合成本效益。环形和条形磁铁可以在指定间距的情况下使磁极交替变换。环形磁铁可以是环型或圆盘状的组件(见图  1),其径向或轴向磁极交替变化。条形磁铁是一个磁极交替变换的扁平条形结构。环形磁铁可以由多种材料制成,包括陶瓷、稀土材料和柔性材料。条形磁铁采用的几乎都是柔性材料,如丁腈橡胶粘合剂(包含定向钡铁氧体),或更高级的能源稀土材料。

环形磁铁通常有许多磁极,而条形磁铁一般用磁极/英寸来定义。一个四极环形磁铁包含两个北极和两个南极且这些磁极会交替转换 (N-S-N-S),而一个每英寸含 11  个磁极的条形磁铁每间隔 0.0909 英寸就有一个磁极转换。磁铁制造商可以满足各种极间距离要求。

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,锁存器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(如 A1210 系列)   <4 µs
  稳定斩波设计(如 A1220 系列)   <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

  • 速度感测
  • 旋转编码器
  • 转数记录
  • 流量计
  • 无刷电机换向
  • 防夹天窗/门窗升降机换向

相关器件类型的应用说明

参考:AN296067

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