一文讀懂汽車霍爾傳感器的原理和應用
霍爾傳感器是全球排名第三的傳感器產(chǎn)品，它被廣泛應用到工業(yè)、汽車業(yè)、電腦、手機以及新興消費電子領域。未來幾年，隨著越來越多的汽車電子和工業(yè)設計企業(yè)轉(zhuǎn)移到中國，霍爾傳感器在中國市場的年銷售額將保持20%到30%的高速增長。與此同時，霍爾傳感器的相關技術仍在不斷完善中，可編程霍爾傳感器、智能化霍爾傳感器以及微型霍爾傳感器將有更好的市場前景。隨著霍爾傳感器越來越廣泛地應用在汽車電子等領域，關心它的人也越來越多，這里我們將介紹汽車霍爾傳感器的原理和應用。
霍爾效應原理和霍爾元件
圖1
圖1中在一塊半導體薄片H上A+,A-兩電極之間通電，加上和片子表面垂直的磁場B，在薄片的橫向兩側電極C1,C2之間會出現(xiàn)一個電壓VH，這種現(xiàn)象就是霍爾效應，是由美國科學家愛德文·霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。(VH稱為霍爾電壓)
這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因為通電半導體片中的載流子在磁場產(chǎn)生的洛侖茲力的作用下，分別向片子橫向兩側偏轉(zhuǎn)和積聚，因而形成一個電場，稱作霍爾電場?；魻栯妶霎a(chǎn)生的電場力和洛侖茲力相反，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，直到霍爾電場力和洛侖茲力相等。這時，片子兩側建立起一個穩(wěn)定的電壓VH，這就是霍爾電壓，這個半導體薄片稱為霍爾元件。 霍爾元件可用多種半導體材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP等等。
霍爾集成電路
霍爾集成電路是汽車霍爾傳感器的核心部分，它將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進行檢測和控制。
霍爾集成電路是由霍爾元件、差分放大器等電子元器件集成到同一塊半導體芯片上組成，是一種磁敏傳感器?？梢詸z測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用。霍爾集成電路是以霍爾效應原理為基礎工作的。
霍爾集成電路具有許多優(yōu)點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。
按照霍爾集成電路的功能可將它們分為:霍爾線性集成電路和霍爾開關集成電路。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。
霍爾線性集成電路的精度高、線性度好;霍爾開關集成電路無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高。采用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達-55℃～150℃。
霍爾集成電路的分類如下：
1、霍爾線性集成電路
它由霍爾元件、差分放大器和射極跟隨器組成。其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強度B成比例，它的功能框圖和輸出特性示于圖2和圖3。 這類電路有很高的靈敏度和優(yōu)良的線性度，適用于各種磁場檢測，典型的霍爾線性集成電路的技術指標如表1所示。
圖2 霍爾線性電路的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線
圖3功能框圖
|
型號 |
Vcc |
線性范圍mT |
工作溫度 |
靈敏度 |
靜態(tài)輸出電壓Vo/V |
||||
|
V |
℃ |
S/mV/mT |
|||||||
|
min |
mid |
max |
min |
mid |
max |
||||
|
SS495 |
4.5～10 |
±70 |
-40～+125 |
15 |
-- |
35 |
2.4 |
2.5 |
2.6 |
|
A3503 |
4.5～6 |
±90 |
-40～+125 |
10 |
20 |
30 |
2.25 |
2.5 |
2.75 |
表1 霍爾線性電路的特性參數(shù)
2、霍爾開關集成電路
霍爾開關集成電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成。在外磁場的作用下，當磁感應強度超過導通閾值BOP時，霍爾電路輸出管導通，輸出低電平。之后，B再增加，仍保持導通態(tài)。若外加磁場的B值降低到BRP時，輸出管截止，輸出高電平。我們稱BOP為工作點，BRP為釋放點，BOP-BRP=BH稱為回差?；夭畹拇嬖谑归_關電路的抗干擾能力增強?；魻栭_關電路的功能框見圖4。圖4(a)表示集電極開路(OC)輸出，(b)表示雙輸出。它們的輸出特性見圖5，圖5(a)表示普通霍爾開關，(b)表示鎖定型霍爾開關的輸出特性。
(a) 單OC輸出 (b)雙OC輸出
圖4 霍爾開關集成電路的功能框圖
(a)開關型輸出特性 (b)鎖定型輸出特性
圖5 霍爾開關集成電路的輸出特性
一般規(guī)定，當外加磁場的南極(S極)接近霍爾電路外殼上打有標志的一面時，作用到霍爾電路上的磁場方向為正，北極接近標志面時為負。
鎖定型霍爾開關電路的特點是：
當外加場B正向增加，達到BOP時，電路導通，之后無論B增加或減小，甚至將B除去，電路都保持導通態(tài)，只有達到負向的BRP時，才改變?yōu)榻刂箲B(tài)，因而稱為鎖定型。 典型的霍爾開關電路的性能參數(shù)見表2。
|
型號 |
VCC |
Bop |
BRP |
BH |
Icc |
Io |
Vo |
Ioff |
備注 |
|
V |
mT |
mT |
mT |
mA |
mA |
V |
μA |
||
|
A3144 |
4.5～24 |
7～35 |
5～33 |
≥2 |
≤9 |
25 |
≤0.4 |
≤10 |
開關型 |
|
A3140 |
4.5～24 |
7～20 |
5～18 |
≥2 |
≤9 |
25 |
≤0.4 |
≤10 |
開關型 |
|
A3175 |
4.5～24 |
2～20 |
-20～-2 |
≥2 |
≤8 |
25 |
≤0.4 |
≤10 |
鎖定型 |
表2 霍爾開關電路的特性參數(shù)
3、霍爾集成電路的磁路設計原理
汽車霍爾傳感器除了它的核心部分霍爾集成電路以外，相對應的磁路設計是另一個相當重要的部分。
用磁場作為被傳感物體的運動和位置信息載體時，一般采用永久磁鋼來產(chǎn)生工作磁場。例如，用一個的釹鐵硼磁鋼，就可在它的磁極表面上得到約200~300mT的磁感應強度。在氣隙中，磁感應強度會隨距離增加而迅速下降。為保證霍爾集成電路的可靠工作，在應用中要考慮有效工作氣隙的長度。在計算總有效工作氣隙時，應從霍爾芯片表面算起。在封裝好的霍爾集成電路中，霍爾芯片的深度在產(chǎn)品手冊中會給出。
因為霍爾集成電路需要工作電源，在作運動或位置傳感時，一般令磁體隨被檢測物體運動，將霍爾集成電路固定在工作系統(tǒng)的適當位置，用它去檢測工作磁場，再從檢測結果中提取被檢信息。
工作磁體和霍爾集成電路間的運動方式有：(a)對移;(b)側移;(c)旋轉(zhuǎn);(d)遮斷。如圖7所示，圖中的TEAG即為總有效工作氣隙。
圖7 霍爾器件和工作磁體間的運動方式
在遮斷方式中，工作磁體和霍爾集成電路以適當?shù)拈g隙相對固定，用一軟磁(例如軟鐵)翼片作為運動工作部件，當翼片進入間隙時，作用到霍爾器件上的磁力線被部分或全部遮斷，以此來調(diào)節(jié)工作磁場。被傳感的運動信息加在翼片上。這種方法的檢測精度較高，遮斷用的翼片根據(jù)不同的功能要求可以設計成不同的形狀, 圖8就是一些翼片的外形。
圖8
圖9在霍爾集成電路背面放置磁體
也可將工作磁體固定在霍爾集成電路背面(外殼上沒打標志的一面)，如圖9所示讓被檢的鐵磁物體(例如鋼齒輪)從它們近旁通過，檢測出物體上的特殊標志(如齒、凸緣、缺口等)，得出物體的運動參數(shù)。
4、霍爾集成電路與外電路的接口
霍爾開關集成電路的輸出級一般是一個集電極開路的NPN晶體管，其使用規(guī)則和一般的NPN開關管相同。輸出管截止時，輸漏電流很小，一般只有幾nA，可以忽略，輸出電壓和其電源電壓相近，但電源電壓最高不得超過輸出管的擊穿電壓(即規(guī)范表中規(guī)定的極限電壓)。輸出管導通時，它的輸出端和線路的公共地導通。因此，必須外接一個電阻器(即負載電阻器)來限制流過管子的電流，使它不超過最大允許值(一般為20mA)，以免損壞輸出管。
以與發(fā)光二極管的接口為例，對負載電阻器的選擇作一估計。若在Io為20mA(霍爾電路輸出管允許吸入的最大電流)，發(fā)光二極管的正向壓降VLED=1.4V，當電源電壓VCC=12V時，所需的負載電阻器的阻值(4)， 和這個阻值最接近的標準電阻為560Ω，因此，可取560Ω的電阻器作為負載電阻器。
圖10表示與各種電路的接口：(a)與TTL電路;(b)與CMOS電路;(c)與LED。
圖10 霍爾開關與電路接口舉例
霍爾傳感器在汽車電子領域的應用
霍爾曲軸和凸輪軸位置傳感器
1、功用與類型
曲軸位置傳感器(Crankshaft Position Sensor，CPS)又稱為發(fā)動機轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)角傳感器，其功用是采集曲軸轉(zhuǎn)動角度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，并輸入電子控制單元(ECU)，以便確定點火時刻和噴油時刻。
凸輪軸位置傳感器(Cylinder Identification Sensor，CIS)又稱為氣缸識別傳感器，為了區(qū)別于曲軸位置傳感器(CPS)，凸輪軸位置傳感器一般都用CIS表示。也叫同步信號傳感器，它是一個氣缸判別定位裝置，向ECU輸入凸輪軸位置信號，是點火控制的主控信號。
2、結構和工作原理
霍爾曲軸和凸輪軸位置傳感器內(nèi)部都釆用了一個由霍爾開關集成電路和遮斷方式的磁路設計(圖7中d的磁路方式)制成的霍爾翼片傳感器，該傳感器主要由霍爾集成電路、永久磁鐵和導磁片組成?；魻柤呻娐放c永磁鐵之間有1mm的間隙，導磁片又稱信號轉(zhuǎn)子安裝在進氣凸輪上，用螺栓和座圈固定。信號轉(zhuǎn)子的隔板又叫做葉片，在隔板上有一個窗口，窗口對應產(chǎn)生的信號為低電平信號，隔板對應產(chǎn)生的信號為高電平信號。當信號轉(zhuǎn)子隨進氣凸輪軸一同轉(zhuǎn)動時，隔板和窗口從集成電路與永磁鐵之間的間隙中轉(zhuǎn)過。當信號轉(zhuǎn)子的隔板進入間隙時，霍爾集成電路中的磁場被旁路，霍爾元件上沒有磁力線穿過，霍爾電壓UH為零，集成電路輸出級三極管截止，傳感器輸出的信號電壓為高電位，約4.8V;當信號轉(zhuǎn)子的隔板離開間隙時，永磁鐵的磁通經(jīng)導磁片和霍爾元件集成電路構成回路，集成電路輸出級三極管導通，傳感器輸出的信號電壓為0.2V，為低電位?；魻杺鞲衅鞴ぷ髟淼牧Ⅲw結構圖見圖11。
圖11霍爾傳感器工作原理的立體結構圖
發(fā)動機工作時，曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器產(chǎn)生的信號不斷地輸人ECU。當ECU同時接收到曲軸位置傳感器大齒缺對應的低電位信號(15°)和凸輪軸位置傳感器窗口對應的低電位信號時，可以識別出1缸活塞在壓縮上止點、4缸活塞處于排氣行程，并根據(jù)曲軸位置傳感器小齒缺對應輸出的信號控制點火提前角。由于凸輪軸位置傳感器與曲軸位置傳感器同時輸出信號，凸輪軸位置傳感器信號作為判缸信號，所以凸輪軸位置傳感器也叫做同步信號傳感器，它的安裝位置見圖12，結構見圖13。
桑塔納2000Gli轎車的霍爾式凸輪軸位置傳感器與ECU的連接電路如圖14所示。該傳感器G40導線連接器有三個接線端子，1為傳感器電源正極端子;2為傳感器信號輸出端子;3為傳感器電源負極端子。這三個端子分別與ECU的62、76和67 端子相連。
圖12霍爾式凸輪軸位置傳感器安裝位置
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