汽车电子:霍尔效应传感器设计的技巧

文章来源:互联网 发布时间:2015-07-23
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作为汽车产业的一个组成部分,霍尔效应传感器用于在诸如底盘、安全、车身、保障及动力传动等极其广泛的一系列应用中检测端位置或测量线性或角运动。

作为汽车产业的一个组成部分,霍尔效应传感器用于在诸如底盘、安全、车身、保障及动力传动等极其广泛的一系列应用中检测端位置或测量线性或角运动。目前,主导汽车行业研发讨论的一个重要话题是功能安全。功能安全影响到所有应用系统组件的设计和功能设置,包括霍尔传感器。

由于霍尔传感器的非接触式测量原理和高可靠性,在许多应用中,用霍尔传感器实现的感知方案成为了首选。

例如,由于霍尔传感器对环境条件(如灰尘、湿度和振动)的不敏感性,即使在十分苛刻环境温度条件下(-40℃至150℃),其测量结果的一致性仍然很好,再加上其不受使用时间和使用次数,而影响测量精度的高品质等特性,霍尔效应传感器正逐步取代机械开关。

为了实现不断发展的安全和可靠性特性,开关阈值的最高精度成为了霍尔开关规范的基本参数。

在由一个磁信号通过开关阈值触发的实际开关操作中,其动作会受开关延迟、采样抖动和噪声阈值等各因素的影响。上述这些因素都是不希望的,一个理想的开关应在瞬间做出反应,但由于霍尔IC的内部信号处理,它们无法完全避免。

为了获得最佳开关性能, Micronas公司的霍尔效应开关系列的最新产品(HAL 15xy)内的信号处理对此进行了专门设计,以增强对这些负面影响的抑制能力。

本文分析了信号路径设计是如何影响输出信号的抖动性能的,并介绍了解决这一问题所采取的不同设计方法。

霍尔开关的信号路径

该集成霍尔传感器将磁通密度转换成电信号,可选的低通滤波器限制了信号带宽,采样或无采样比较器判定该信号是高于还是低于当前的作用阈值。

每次被采样时钟触发时,被采样的比较器都做出新决策;而未被采样的比较器无需触发持续运行。

在采用低通滤波器的情况下,它抑制高于有用信号带宽的频率分量,以降低这些频率范围产生的噪声。

许多霍尔传感器IC,包括Micronas的霍尔开关系列,采用著名的旋转电流(spinning-current)技术以实现优异的补偿性能。为简化,图1省略了所有与旋转电流相关的模块。

带滞后的静态开关行为

霍尔开关具有两种不同的磁阈值——Bon和Boff,它们形成磁滞回线。此行为对避免不必要的翻转或闪抖是必要的,若没有这种迟滞,则会发生这种不必要的麻烦。

在此,阈值噪声和采样抖动都存在,导致了组合开关抖动。B(t)缓慢穿过有效阈值,因此阈值噪声不能再忽略。在有效阈值周围绘制了噪声带。图8表示瞬时阈值可以被定位在哪里。噪声频带内,B(t)在时间轴上的投影只是给出了来自阈值噪声的时序抖动Δtthres.noise。这种时序抖动出现在滤波器输出电压Vfilter时是有延迟的。现在,当输出翻转时,最终的开关抖动包含来自阈值噪声的抖动以及始终存在的采样抖动。

注意,图8忽略了来自阈值噪声和采样抖动这两种抖动的不同概率密度,另外,这两者都会影响开关抖动。对高斜率来说,采样抖动占主导且可被用来估计开关抖动。对低斜率来说,采样抖动虽也存在,但有效阀值噪声是主导。

通过设置使采样抖动Δtsampling,rms=Bth,rms抖动(阀值噪声引入),可容易地发现高、低斜率之间的边界。

因此,当磁变化速率远低于124mT/ms时,所产生的开关抖动可仅根据来从阈值噪声的抖动进行评估,采样抖动可忽略不计。

结论

霍尔开关的抖动有两个来源。第一,霍尔板的热噪声和信号处理导致的阈值噪声;第二,采样引致因系统而异的采样抖动。通过Micronas专有技术的优化配置,HAL 15xy传感器系列工作于非常高的采样频率,因此,产生的采样抖动非常小。这种新的和优化的电路设计,可以在保证极低热噪声的同时保持低功耗,具有同类产品最佳的噪音表现。此外,可通过金属掩膜编程减少或增加模拟滤波器的带宽,使最小化噪声或延迟时间成为可能。

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