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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品,它被廣泛應用到工業、汽車業、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設計企業轉移到中國,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之間會出現一個電壓VH,這種現象就是霍爾效應,是由美國科學家愛德文·霍爾在1879年發現的。(VH稱為霍爾電壓)
這種現象的產生,是因為通電半導體片中的載流子在磁場產生的洛侖茲力的作用下,分別向片子橫向兩側偏轉和積聚,因而形成一個電場,稱作霍爾電場?;魻栯妶霎a生的電場力和洛侖茲力相反,它阻礙載流子繼續堆積,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、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等,轉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。可以檢測磁場及其變化,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
2、霍爾開關集成電路
霍爾開關集成電路又稱霍爾數字電路,由穩壓器、霍爾元件、差分放大器,斯密特觸發器和輸出級組成。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。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。回差的存在使開關電路的抗干擾能力增強。霍爾開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,只有達到負向的BRP時,才改變為截止態,因而稱為鎖定型。 典型的霍爾開關電路的性能參數見表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
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;(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的間隙相對固定,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,以此來調節工作磁場。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。
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(即規范表中規定的極限電壓)。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)又稱為發動機轉速與曲軸轉角傳感器,其功用是采集曲軸轉動角度和發動機轉速信號,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,導磁片又稱信號轉子安裝在進氣凸輪上,用螺栓和座圈固定。信號轉子的隔板又叫做葉片,在隔板上有一個窗口,窗口對應產生的信號為低電平信號,隔板對應產生的信號為高電平信號。當信號轉子隨進氣凸輪軸一同轉動時,隔板和窗口從集成電路與永磁鐵之間的間隙中轉過。當信號轉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;當信號轉子的隔板離開間隙時,永磁鐵的磁通經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
發動機工作時,曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器產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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