垂直霍尔技术实现有效干扰检测

垂直霍尔技术实现有效干扰检测

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作者:Joseph Hollins 和 Ryan Metivier,
Allegro MicroSystems, LLC

各种机械和电子系统可能受到电磁干扰。不法之徒可能攻击部署的电子产品,如智能电表、自动取款机、赌博/游戏机、自动售票机或电子锁等,他们希望能够改变、停用这些设备,或是窃取产品和服务。此文重点介绍智能电表,但讨论的原理同样适用于其他系统。

智能电表在世界各地得到广泛,可用于更高效、更精确地报告并监视能源使用。很多水表、煤气表和电表都包含能够自动收集并传输使用数据的智能电子元件。根据 Navigant Research1 所述,到 2018 年,全球每年智能电表发货量将达 1.31 亿只。窃电是电力公司和政府监管部门面临的主要问题。用磁铁破坏并欺骗智能电表,使电表的用电量读数为零或是大幅减少2。据估计,每年干扰智能电表导致的窃电量接近 900 亿美元2

图 1 

图 1:典型智能电表

干扰电表使用的一种方法是使用强力磁体破坏电表检测耗电量的功能3。使用的磁体通常磁性很强,并且相对较大并且沉重。这种磁体能够网购获得,或只需从废弃电子产品和电脑(电子垃圾)中拆卸。如果将这些磁体靠近电表,则会使侦测电表电流的电流互感器出现磁饱和。磁芯饱和会导致电表基本察觉不到通过的电流。

虽然电表制造商很难阻止在使用场所出现这种行为,但检测干扰的可性性很大,以便采取补救措施,比如派遣服务工作人员或远程禁用此电表。全球有多个组织正在制定智能调表规范,包括针对电表的干扰检测要求。请参阅“表 2:智能电表行业标准”(下文),了解更多详情。

为了实现有效的检测,用于检测干扰的电磁传感器必须具有以下特性:

  • 高灵敏度:虽然用于系统外部的磁体可能很强,但磁体远离时,其磁场强度会呈指数级衰减。传感器内部位置的磁场强度可能比磁体表面的磁场强度低得多。电表使用的某些组件可能扭曲施加磁场,如果灵敏度不够高,可能导致传感器检测区域出现“阴影”或“空洞”。
  • 高动态范围:某些电磁传感技术有磁场上边界。霍尔效应技术对施加磁场没有上限要求。全极灵敏度:试图干扰电表的犯罪分子不大可能关注施加到系统外壳的磁体的磁极,他们只会尝试找到能发挥作用的磁极。该传感器应能检测到磁场,而和磁体方向无关。
  • 全向灵敏度:很多老式电磁传感器只在单个方向或平面上对磁场灵敏。由于外部磁体可能在任何方向上施加到电表表面上的任何暴露点(正面、顶面、底面或侧面),传感器应在所有三个方向上(X, Y, 和 Z)同样敏感。

通常而言,磁体远离时,其磁场强度会呈指数级衰减。作为示例,如果从 50mm 以外(1 倍磁体厚度)测量表面磁场强度为 6000 G (600 mT) 的大型稀土磁体 (50 mm × 50 mm × 50 mm),其磁场强度大致为 600 G (60 mT)。图 2 描述了这种现象。较小磁体的“范围”小于较大的磁体。根据经验而言,距离磁体一个厚度距离的位置具有十分之一磁场强度。

图 2

图 2:磁场与磁极距离 (mm),50 mm × 50 mm × 50 mm N45 磁体

如果传感器安装在电表内部,必须考虑距电表侧面和表面的距离,才能确定传感器对置于电表外部表面任意位置磁体的灵敏度。

电磁传感最常用的传统解决方案一直是霍尔效应传感器 IC。这些 IC 使用霍尔效应检测磁场,该效应是以埃德温·霍尔 (Edwin Hall) 的名字命名的,他在 1879 年发现:当一个磁场沿垂直于金属板平面的方向穿过金属板时,载流导电板4上会产生电势。如图 3 所示,电流施加于导电板。垂直于导电板(电流)的磁场会在导电板形成差分电压。传感器测量此电压作为施加磁场的指示。注意,传统平面霍尔效应传感器只能测量垂直于传感片或平面的磁场。如果是表面安装 IC,导电板通常与安装传感器的 PCB 平面平行。只有 Z 轴方向的磁场能有效检测,而与传感器的方位/转动无关。

有效感测 X 和 Y 磁场需要在单独 PCB 上安装更多传感器,并且传感器之间以及和主板或已安装和可能形成引导的传感器之间保持适当角度,从而使用霍尔板指向正确。这两种方法都会增加组件数量和成本、系统复杂性和装配成本。用户可以安装大量传统平面霍尔传感器,并依靠“边缘”场将其激活,但这也会增加系统成本和复杂性。

技术人员使用各种磁阻技术制造电磁传感器 IC。这些传感器通常具有平面响应,即可以检测 X-Y 平面磁场,但对 Z 轴磁场的响应有限。此外,极高磁场可能导致传感器饱和和故障(有限动态范围)。由于干扰行为应该使用较大的磁场,因此这就是很大的局限。

图 3

图 3:平面霍尔效应传感器

借助霍尔效应传感技术的最新突破,已能够生产满足所有干扰检测要求的全向磁性传感器 IC。IC 设计和制造的进步能够支持构建垂直霍尔传感器(参阅图 4)垂直和平面传感器基于相同的物理现象,但结构方法不同:

平面:在芯片的整个宽度和长度上布置只会感测 Z 轴向磁场,而和指向无关。

垂直:沿芯片高度方向从顶部向底部布置能够定向感测 X, Y 或其他方向。

平面霍尔元件对垂直于 IC 封装表面的磁场灵敏,垂直霍尔效应器件在平行于 X 或 Y 尺寸的晶片轴线上灵敏。图 4 是垂直霍尔板的结构细节。两个垂直霍尔传感器在单个 IC 中与平面霍尔传感器相结合形成的电磁传感器能够感测磁场,而和方向 (X, Y, 和 Z) 无关,而且不受高强度磁场的影响。过去这种解决方案需要三个分离 IC,这些 IC 最多需要 56 mm2 PCB 面积。Allegro MicroSystems, LLC 最近推出的 A1266 就是此类器件(参阅图 5)的示例,它们使用的小型平面安装 SOT-23W 封装只需 9 mm2 的 PCB 面积。A1266 还具有极高的灵敏度(工作点,BOP),因此它能检测大面积或大体积范围内的干扰5。表 1 比较了现有技术。

图 4 

图 4:垂直霍尔效应传感器

图 5 

图 5:A1266 具有 3D 全极响应能力,是干扰检测的理想选择

表 1:现有电磁传感器 IC 比较

技术 极性 方向性
(最高灵敏度)
备注
平面霍尔 全极 仅 Z 轴 最常见的传统方法
垂直霍尔 全极 X、Y 或其他平面内方向 先进的电磁传感 IC 技术
磁阻(MR) 全极 X-Y 平面 可能在高磁场翻转

 

不同传感器响应的映射清晰显示高灵敏度、全向、全极性传感器的优越性。以下映射假定使用大矩形电表,其表面尺寸最高为 290 mm × 165 mm;并使用 50 mm × 50 mm × 50 mm N45 磁体(参阅图 6、7)

接受测试的传感器在电表正面以下 35mm 的中部位置。使用机器人映射站在电表正面以上 10mm 位置,沿电表的长度和宽度方向移动磁体。图 8 显示映射站映射传感器响应的映射站装置。

图 6 

图 6:假设仪表尺寸和传感器气隙

图 7 

图 7:磁体方向(南极指向电表表面)

图 8 

图 8:机器人映射站

图 9 显示使用传统平面霍尔传感器检测磁场时,映射此假定仪表的结果(该霍尔传感器具有 Z 轴方向的最高灵敏度)。蓝色区域是接受测试传感器能够检测磁体存在的磁体位置区域。磁体在传感器正上方时,传感器能够轻松检测到磁体。随着磁体在 X-Y 平面移动,气隙增加并且磁场方向可能不再沿最高灵敏度轴线 (Z)。但是,传感器依然能在大致 148 mm × 148 mm 范围内检测到磁体。

图 10 显示使用全向 (3D) 霍尔传感器检测磁场时,映射相同假设电表的结果(此霍尔传感器在单个 IC 封装内安装 2 个垂直霍尔元件和一个平面霍尔元件)。蓝色区域是测试传感器能够检测磁体存在的磁体位置区域。磁体在传感器正上方时,传感器能够轻松检测到磁体。随着磁体在 X-Y 平面移动,气隙增加,但磁场出现离轴,工作效果降低。在此情况下,传感器能够在大得多的面积内检测到磁体,几乎涵盖整个假设电表表面(大致覆盖 280 mm × 165 mm)。

在任一情况下,可以使用多个传感器覆盖较大面积或体积。但是,只需更少的 3D 传感器即可覆盖大面积/体积。在所示示例中,磁体在使用传统平面霍尔 (1D) 传感器进行检测的理想方向上。图 9 所示性能可能有所下降(磁体用于电表其他方向或侧部)。

这突出了三维传感器的另一个优势,即可以检测随机施加于电表外侧的磁场。如果是较小的电表,比如典型的单向住宅电表,单个 3D 传感器 IC 能够完全覆盖整个电表。通过结合使用平面和垂直霍尔元件,Allegro MicroSystems, LLC生产的 A1266 等器件能够检测较大面积/体积的电磁干扰,而且几乎不用考虑磁体方向。这显著简化了系统设计,并能使用最少的传感器进行最灵敏干扰检测。

图 9 

图 9:1D 平面霍尔效应传感器的干扰覆盖面积(43%,蓝色表示检测区域)

图 10 

图 10:3D 平面霍尔效应传感器的干扰覆盖面积(92%,蓝色表示检测区域)

智能电表标准

全球有多个组织正在制定并标准化智能电表规范。这些标准越来越多地包含针对电表的干扰检测要求。一些组织是政府机构,有些则是专业团体。独立电力公司可能还要为采购和部署的电表制定自己的标准。如果涉及磁体干扰,有关具体规范的细节水平和测试方法随不同的标准而差异巨大。表 2 是列出了制定智能电网系统标准的一些组织。

表 2:智能电表行业标准

区域 机构/标准 链接
 中国  中国电力科学研究院 www.cepri.com.cn
 南瑞集团公司 www.narigroup.com
 国家电网公司 www.sgcc.com.cn/ywlm/index.shtml
 德国  DIN www.din.de/en
 VDE/FNN www.vde.com/en/Pages/Homepage.aspx
 印度  工业标准局 www.bis.org.in
 中央电力管理局 www.cea.nic.in/regulations.html
 IEEE(印度) smartgrid.ieee.org/resources/public-policy/india
 电力部 indiasmartgrid.org/en/technology/Pages/Advanced-Metering-Infrastructure.aspx
 Multiple  IEEE – 智能电网 smartgrid.ieee.org
 IEC www.iec.ch/index.htm
 Prime Alliance www.prime-alliance.org/?p=68
 美国  ANSI www.ansi.org
 NEMA www.nema.org

参考资料

1 全球智能电表年出货量到 2018 年将达到 1.31 亿只峰值,2013 年7 月 11 日, Richard Martin, Navigant Research (https://www.navigantresearch.com/newsroom/global-smart-meter-unit-shipments-will-peak-at-131-million-annually-in-2018)

2全球因窃电年损失 893 亿美元,其中新兴市场为 587 亿美元,2014 年 12 月 9 日, PRNewswire (www.prnewswire.com/news-releases/world-loses-893-billion-to-electricity-theft-annually-587-billion-in-emerging-markets-300006515.html), Source:Northeast Group, LLC (www.northeast-group.com)

3 FBI:智能电表黑客很可能要蔓延, 2019 年 4 月 9 日, Krebs on Security (http://krebsonsecurity.com/2012/04/fbi-smart-meter-hacks-likely-to-spread/)

4 Allegro 霍尔效应传感器 IC, Shaun Milano, Allegro MicroSystems, LLC (http://www.allegromicro.com/en/Design-Center/Technical-Documents/Hall-Effect-Sensor-IC-Publications/Allegro-Hall-Effect-Sensor-ICs.aspx)

5 A1266 微功率超灵敏 3D 霍尔效应开关数据表, Allegro MicroSystems, LLC (http://www.allegromicro.com/en/Products/Magnetic-Digital-Position-Sensor-ICs/Micropower-Switches-Latches/A1266.aspx)


于 2016 年 1 月首发于 EDN China。经许可后方能转载。