適合汽車應用中多種參數的霍爾感測器

作者 : Edgar Schaefer,儒卓力汽車產品現場應用工程師

在自動駕駛的進程中,汽車配備了越來越多的感測器。與使用其他測量原理和技術的感測器相比,基於霍爾效應來感應磁場變化的感測器擁有眾多優勢。最新的型號還滿足了ISO 26262:2018標準規範更嚴格的要求。

當磁場施加到與電流方向垂直的半導體上,霍爾感測器可檢測到其中產生的電壓差。由於霍爾電壓與磁場強度成正比,因此,這類感測器與永久磁鐵一起使用,可以間接測量到許多變數,例如旋轉、速度、距離、壓力、角度和填充水準。由於霍爾感測器可通過穩定的電流測量導體周圍的磁場強度,因此還可以在無接觸的情況下測量電流。同樣的原理,還可以無接觸地檢測到其他參數,這表示霍爾感測器在運行過程中不會發生任何磨損,即使在長時間運行下也能夠提供精確可靠的測量值。

人們通常將簡單的霍爾感測器用作開關,例如用於汽車的安全帶扣環、擋風玻璃雨刷或引擎開關系統。在這些情況下,將磁場強度的閾值保存在感測器中。如果檢測值達到該閾值,那麼感測器的開關狀態就會發生改變。例如,Melexis公司設計的MLX92241裝置有內置隔直流電容器,可直接以電纜線束操作,從而實現近端無電路板設計,用於偵測安全帶是否繫好等等。MLX92241的EEPROM記憶體可以儲存客戶特定的開關點閾值、輸出極性、Ioff電流和磁性材料的溫度補償係數。可編程設計的負溫度係數有助於補償永久磁鐵在高溫下磁力變弱的行為特性。霍爾感測器裝置配備安全機制,以防止靜電放電、反極性和熱超載現象。它們符合車輛安全完整性等級的ASIL-A安全等級要求。

線性霍爾感測器也測量距離和旋轉

具有線性輸出訊號的霍爾感測器是測量距離或旋轉運動所必需的裝置。它們不僅可以辨識「開」和「關」狀態,還可以輸出與磁場強度成正比的類比訊號。不管是整合在MCU內、或是整合在霍爾感測器中的A/D轉換器,會負責將類比訊號轉換為數位訊號。為了控制其他系統元件,MCU接著會輸出成比例的脈衝寬度調變(PWM)訊號或與SENT汽車感測器匯流排系統相容的資料流(data stream)。一些最新一代霍爾感測器具有內建的PWM介面和SENT介面。

如果使用僅僅感測垂直於晶片平面磁場的霍爾感測器,通常需要使用較大且成本較高的附加元件。更先進的解決方案因此集結了數量日益增多的感測器以及訊號處理和運算功能,通常不需要額外的元件並且可以測量其它附加的參數。

例如,垂直霍爾感測器不僅可以檢測出垂直於電流方向的磁場,還可以檢測出平行於電流方向或晶片平面的磁場。除了磁場的振幅外,2D感測器還可以檢測到磁場的方向。例如,它便可用於確定引擎的旋轉方向。英飛凌科技根據霍爾效應所開發的Xensiv TLE4988C裝置,可以快速測量到凸輪軸的位置。對模組製造商的一大好處是減少了對稀土反向偏置磁體的依賴;這款感測器針對例如Fe、SmCo和NdFe等材料磁體進行了最佳化。自動車載校準應用考慮了鐵磁輪和磁編碼器的公差以及感測器的安裝容差,從而確保在實際應用環境中實現極其精確的感測性能。TLE4988C採用帶有鍍錫的PG-SSO-3-52凸輪軸感測器封裝,具有3線電壓I/F和增加的220/1.8nF電源/輸出電容以實現更高的EMC穩健性。

英飛凌的Xensiv TLE5501類比角度感測器則是採用了穿隧式磁阻(TMR)技術,具有高感測靈敏度和高輸出電壓,無需內部放大器,感測器可直接和微控制器相連接。除此之外,TMR技術具有最小的溫度漂移,從而減少了對外部校準和補償的需要。TLE5501使用360°角測量,使用TMR元件測量正弦和餘弦角分量來檢測磁場的方向。該感測器以差分輸出訊號的形式輸出原始訊號。由於橋接輸出電壓較高,無需進行額外的訊號放大。TLE5501符合AEC-Q100標準和車輛的ASIL開發版本,適用於角位置感測、轉向角感測應用、安全應用和無刷直流電動(BLDC)馬達換向。

圖片來源︰英飛凌科技

第三維度

3D霍爾感測器技術結合了平面和垂直方向的霍爾感測器,因此可以檢測整個三維的磁場強度。這類感測器可以感測每個移動磁體的絕對旋轉或線性位置。例如MLX92256配備了平面方向感應,這是專為在車窗升降系統中使用而設計的,在單一封裝中整合了一個電壓調節器、兩個霍爾感測器(其中一個感測器具有集磁器IMC,兩者均具有先進的偏移消除系統),以及兩個漏極開路驅動器。這款裝置備有兩個版本。MLX92256LSE-AAA-000在平面或垂直磁場分量發生變化時切換脈衝訊號,而方向接腳僅在方向發生變化時改變。MLX92256LSE-ABA-000則配備了兩個速度輸出,分別用於垂直磁場和平面磁場。

Melexis的MLX90371/MLX90372 Triaxis定位感測器如今已推出第三代產品,它們結合了磁性Triaxis霍爾前端、類比/數位訊號調節器、用於訊號處理的DSP (數位訊號處理器)和輸出級驅動器。車輛(尤其是電動和混合動力車輛)的電氣化程度不斷提高,可產生高達4kA/m(或5mT)的雜散場,而這些感測器仍然不受影響。這些元件也可以在弱磁場下工作,而且使用更小、更便宜的磁鐵就足夠了,這不僅可以帶來成本效益,還可以節省空間。MLX90371是符合ISO 26262國際安全規範採用的ASIL-B標準獨立安全單元(SEooC)開發流程,並提供類比或PWM輸出;MLX90372則是符合ISO 26262規範下的ASIL-C標準SEooC開發流程,並具有SENT或PWM輸出。這兩款感測器均滿足汽車OEM廠商的EMC要求,並且指定工作溫度高達160°C。對於加速踏板位置感應等對安全要求特別嚴格的應用,MLX90372還通過TSSOP-16封裝提供全冗餘雙裸片,實現了冗餘感應功能。

TDK-Micronas提供用於位置感測的可編程設計3D感測器系列,該系列包含三型產品:具有SPI介面的HAL 3900、具有PWM/SENT介面和開關輸出(可配置為高側或低側開關)的HAL 3930,以及具有PSI5介面的HAL 3980。這些感測器可以使用霍爾板陣列來抑制外部雜散磁場。只需要使用一塊簡單的兩極磁鐵來測量旋轉角度,最好放置在軸端配置的敏感區域。這個感測器系列也可用於離軸測量,可以測量360°角度範圍、線性運動和3D位置,這些功能使其成為轉向角位置感測的理想選擇。根據產品不同,可以傳輸BX、BY、BZ的溫度補償值或最多兩個計算角度。HAL-39xy系列感測器在–40°至+160°C的環境溫度範圍內運作;它們依據汽車應用ISO 26262標準規範設計,符合ASIL B-ready標準的SEooC產品開發。

圖片來源︰TDK-Micronas

堅固可靠

這些例子表明,感測器技術不僅取得了長遠的進步以滿足汽車產業日益增加的需求,它們的設計也在不斷地發展演進。許多最新型號還符合更嚴格的ISO 26262:2018標準規範,其中有些是符合ASIL-C標準的SEooC產品開發。冗餘和安全功能及提升了的EMC性能,對此做出了很大的貢獻。採用相應的封裝可以確保感測器防潮、防塵和防污。為了在高溫環境中使用,霍爾感測器的工作溫度最高可達170°C。這些特性使它們成為實現自動駕駛的重要技術。

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