適合汽車應(yīng)用中多種參數(shù)的霍爾傳感器

在自動駕駛的進(jìn)程中，汽車配備了越來越多的傳感器。相比使用其他測量原理和技術(shù)的傳感器，基于霍爾效應(yīng)的磁場傳感器擁有諸多優(yōu)勢。當(dāng)前的型號還滿足了ISO 26262:2018標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格的要求。

當(dāng)磁場施加到與電流方向垂直的半導(dǎo)體時，霍爾傳感器可檢測到其中產(chǎn)生的電壓差。由于霍爾電壓與磁場強(qiáng)度成正比，因此，這類傳感器與永磁體一起使用，可以間接測量許多變量，例如旋轉(zhuǎn)、速度、距離、壓力、角度和填充水平。由于傳感器通過穩(wěn)定的電流測量導(dǎo)體周圍的磁場強(qiáng)度，因此還可以在無接觸的情況下測量電流。同樣原理，還可以無接觸地檢測其他的參數(shù)，這意味著霍爾傳感器在運(yùn)行時沒有任何磨損，即使在長期運(yùn)行的情況下也能夠提供精確可靠的測量值。

人們通常將簡單的霍爾傳感器用作開關(guān)，例如用于汽車安全帶扣、擋風(fēng)玻璃刮水器或發(fā)動機(jī)開關(guān)系統(tǒng)。在這些情況下，將磁場強(qiáng)度的閾值保存在傳感器中。如果檢測值達(dá)到該閾值，則傳感器的開關(guān)狀態(tài)就會發(fā)生改變。例如，邁來芯(Melexis)的MLX92241內(nèi)置隔直電容器，可直接使用電纜線束操作，從而實(shí)現(xiàn)近端無電路板設(shè)計(jì)，用于檢測安全帶是否系好等等。MLX92241的EEPROM存儲器可以存儲客戶特定的開關(guān)點(diǎn)閾值、輸出極性、Ioff電流和磁性材料的溫度補(bǔ)償系數(shù)。可編程的負(fù)溫度系數(shù)可用于補(bǔ)償永磁體在高溫下變?nèi)醯男袨樘匦?。霍爾傳感器元件配備安全機(jī)制，以防止靜電放電、反極性和熱過載現(xiàn)象。它們符合ASIL A安全等級要求。

線性霍爾傳感器測量距離和旋轉(zhuǎn)
具有線性輸出信號的霍爾傳感器是測量距離或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動所必需的器件。它們不僅可以識別“開”和“關(guān)”狀態(tài)，還可以輸出與磁場強(qiáng)度成正比的模擬信號。集成到 MCU 或霍爾傳感器中的A/D轉(zhuǎn)換器則將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。為了控制其他系統(tǒng)組件，其后，MCU輸出成比例的脈寬調(diào)制(PWM)信號或與SENT汽車傳感器總線系統(tǒng)兼容的數(shù)據(jù)流。一些最新一代霍爾傳感器具有內(nèi)置的 PWM接口和SENT接口。

如果使用僅僅檢測垂直于芯片平面的磁場的霍爾傳感器，通常需要使用較大且成本較高的附加組件。更先進(jìn)的解決方案集成了數(shù)量日益增多的傳感器以及信號處理和計(jì)算功能，通常不需要額外的組件并且可以測量其它附加的參數(shù)。

例如，垂直霍爾傳感器不僅可以檢測垂直于電流方向的磁場，還可以檢測平行于電流方向或芯片平面的磁場。除了磁場的振幅外，2D傳感器還可以檢測其方向。例如，這可用于確定發(fā)動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。英飛凌基于霍爾效應(yīng)的 Xensiv TLE4988C可以快速測量凸輪軸的位置。模塊制造商的一大好處是減少了對稀土反向偏置磁體的依賴；例如這款傳感器針對Fe、SmCo和NdFe進(jìn)行了優(yōu)化。自動車載校準(zhǔn)應(yīng)用考慮了鐵磁輪和磁編碼器的公差以及傳感器的安裝容差，從而確保在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中實(shí)現(xiàn)極其精確的傳感性能。TLE4988C采用帶有鍍錫的PG-SSO-3-52凸輪軸傳感器封裝，具有3 線電壓 I/F和增加的220/1.8nF電源/輸出電容以實(shí)現(xiàn)更高的EMC穩(wěn)健性。

英飛凌的Xensiv TLE5501模擬角度傳感器基于隧道磁阻(TMR)技術(shù)，具有高檢測靈敏度和高輸出電壓，無需內(nèi)部放大器，并允許傳感器直接連接到單片機(jī)。此外，TMR技術(shù)具有最小的溫度漂移，從而減少了對外部校準(zhǔn)和補(bǔ)償?shù)男枰?。TLE5501使用360°角測量，通過使用TMR元件測量正弦和余弦角分量來檢測磁場的方向。該傳感器以差分輸出信號的形式輸出原始信號。由于橋接輸出電壓較高，無需進(jìn)行額外的信號放大。TLE5501通過AEC-Q100和汽車ASIL型款提供，適用于角位置感測、轉(zhuǎn)向角感測、安全應(yīng)用和BLDC電機(jī)換向。

圖片: 英飛凌科技

第三維度
3D霍爾傳感器技術(shù)結(jié)合了橫向和垂直霍爾傳感器，因此可以檢測所有三個維度的磁場強(qiáng)度。這類傳感器可以檢測每個移動磁鐵的絕對旋轉(zhuǎn)或線性位置。例如MLX92256配備了側(cè)向感應(yīng)，這是專為在車窗升降系統(tǒng)中使用而設(shè)計(jì)的，在單一封裝中集成了一個電壓調(diào)節(jié)器、兩個霍爾傳感器(其中一個傳感器帶有集成磁集中器(IMC)，兩者均具有先進(jìn)的偏移消除系統(tǒng))，以及兩個開漏型輸出驅(qū)動器。這款器件備有兩個型款。MLX92256LSE-AAA-000型款在橫向或垂直磁場分量發(fā)生變化時切換脈沖信號，而方向引腳僅在方向發(fā)生變化時改變。MLX92256LSE-ABA-000則配備兩個速度輸出，分別用于垂直磁場和橫向磁場。

Melexis的MLX90371/MLX90372 Triaxis位置傳感器現(xiàn)已推出第三代產(chǎn)品，它們結(jié)合了磁性Triaxis霍爾前端、模擬/數(shù)字信號調(diào)節(jié)器、用于信號處理的 DSP(數(shù)字信號處理器)和輸出級驅(qū)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(chǎn)生高達(dá)4 kA/m (或5 mT) 的雜散磁場，而這些傳感器仍然不受影響。這些器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(jié)省空間。MLX90371是符合 ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)的ASILB SEooC(不涉及安全性)，并提供模擬或PWM輸出；MLX90372則是符合 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的 ASIL-C SEooC，并具有SENT或PWM輸出。兩款傳感器均滿足汽車OEM廠商的EMC要求，并且指定工作溫度高達(dá)160°C。對于加速踏板位置感應(yīng)等對安全要求特別嚴(yán)格的應(yīng)用，MLX90372 還提供“雙芯片”(完全冗余)TSSOP-16封裝，實(shí)現(xiàn)冗余感應(yīng)功能。

TDK-Micronas提供用于位置感測的可編程 3D 傳感器系列，該系列包含三個型款：具有 SPI 接口的 HAL 3900、具有 PWM/SENT 接口和開關(guān)輸出(可配置為高/低側(cè)開關(guān))的 HAL 3930，以及具有 PSI5 接口的 HAL 3980。這些傳感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(zhuǎn)角度，最好放置在軸端配置的敏感區(qū)域。這個傳感器系列也可用于離軸測量，可以測量 360°角度范圍、線性運(yùn)動和 3D 位置，這些功能使其成為轉(zhuǎn)向角位置感測的理想選擇。根據(jù)產(chǎn)品不同，可以傳輸 BX、BY、BZ的溫度補(bǔ)償值或最多兩個計(jì)算角度。HAL-39xy傳感器在–40° +160°C的環(huán)境溫度范圍內(nèi)運(yùn)行；它們根據(jù)汽車應(yīng)用 ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，符合ASIL B要求并設(shè)計(jì)為SEooC產(chǎn)品。

圖片：TDK-Micronas

堅(jiān)固可靠
這些示例表明，傳感器技術(shù)不僅取得了巨大進(jìn)步以滿足汽車行業(yè)日益增長的需求，它們的設(shè)計(jì)也在不斷地發(fā)展演進(jìn)。許多最新型號還符合更嚴(yán)格的 ISO 26262:2018 標(biāo)準(zhǔn)，其中有些是ASIL-C SEooC。冗余和安全功能以及改善 EMC的措施，對此做出了很大的貢獻(xiàn)。采用相應(yīng)的封裝可以確保傳感器防潮、防塵和防污。為了在高溫環(huán)境中使用，霍爾傳感器的工作溫度最高可達(dá) 170°C。由于這些特性，它們是實(shí)現(xiàn)自動駕駛的重要技術(shù)。
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作者：儒卓力汽車產(chǎn)品現(xiàn)場應(yīng)用工程師Edgar Schaefer