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设计技巧:霍尔传感器设计攻略

发布时间:2015-06-15 责任编辑:echolady

【导读】霍尔传感器作为汽车产业的一部分应用领域极其广泛,尤其在检测端位置或测量线性或角运动过程中。汽车的功能安全直接影响到应用系统组件的设计,以及霍尔传感器的功能设置。本文主要讲解霍尔传感器的设计攻略。

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。

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

霍尔开关的简化信号路径包括几个基本组件,如图1所描述:

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图1:简化的霍尔开关信号路径。

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。图2显示的是假设在非反向输出状态时的静态输出状态与磁通密度B的对比曲线图。

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图2:霍尔开关的静态磁滞回线。

在Bon和Boff之间,两个输出状态都是可能的。在B》Bon时,输出肯定为0;在Boff前,开关都将保持为0;在Boff时,输出变为1。
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阈值噪声和最小可靠滞后

现在可能有这个问题:磁滞回线可做得多小?为给出答案,必须考虑阈值噪声影响。实际上,Bon和Boff都不是限定为单一值的固定阈值,受由霍尔传感器本身和其它电路的热噪声所引起的阈值噪声的影响,这两个值变得飘忽不定。取决于电流消耗和滤波器带宽,噪声水平可通过设计进行调整。噪声添加到假定原本是恒定的阈值上。现在,图3显示了Bon和Boff的概率密度函数(不按比例)。

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图3:阈值噪声的概率密度函数

概率密度的高度是其在相应磁通密度B条件下,找到瞬时阈值可能性的一种标度。对热噪声来说,其概率呈正态(高斯)分布。该密度函数的宽度由标准偏差σBth给出,其值与阀值的均方根(RMS)噪声值Bth,rms相同。

因为密度不可能为0,Bon和Boff概率密度的尾线将总是在Bon和Boff的中点Bmid处趋合。这意味着,对于恒定磁通密度Bmid来说,Bon阀值有时可能(小概率)低于Bmid,从而打开开关。另外,Boff有时也可能高于Bmid,这又会关闭开关。这样,即便对恒定磁通密度,开关也可能开始翻转,这通常是不希望的。这种现象不可能完全避免,但应充分减小其发生概率。作为经验法则,如果Bon-Boff的差值大于等于10~12σBth,则这种情况可以忽略不计。

滤波的采样霍尔开关

HAL 15xy传感器家族的信号处理基于带低通滤波器的采样设计。这样,当对经滤波的输入进行新取样时,开关输出的翻转仅在时间上的特定等距点才会发生,对 HAL 15xy传感器来说,是每隔2μs。在B穿过翻转阈值的时间点与采样时钟不同步时,会导致采样抖动。图4给出了滤波采样开关(如HAL 15xy)的时序样例:

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图4:滤波采样霍尔开关的延迟。

此处,假设磁通密度B(t) 在通过Bon时完成一个非常快的迁跃,以保持阈值噪声影响在当下可忽略不计。霍尔信号正比于B(t),然后使该信号通过一个低通滤波器,以消除更高带宽的阈值噪声。

它需要一个恒定的系统延迟Δtsyst,直到穿过阈值的信号通过滤波器,例如,这里的Δtsyst为15~16μs。此外,将出现最长为2μs的随机延迟相位,直到下一次采样发生且比较器翻转。当霍尔开关反复翻转时,该随机延迟被称为采样抖动Δtsampling。

采样抖动可由峰-峰值或均方根(RMS)值描述。在2μs采样间隔内,由峰-峰值描述的HAL 15xy传感器的Δtsampling=±1μs。所有时间点被发现的几率是相同的(概率分布形状像个“盒子”)。这样,其RMS的典型值 Δtsampling为0.58μs、最大值为0.72μs,比竞争产品具有更好性能。

对HAL 15xy系列产品来说,其采样比较器选为工作在500 kHz采样速率,以保证典型的采样抖动被可靠地限制在±1μs。此类设计支持在比较器内采用动态补偿抑制,从而提升了HAL 15xy传感器磁性阈值的整体精度。

另外,该传感器有一个独特的前端设计,通过使用金属掩模编程,在不增加采样抖动的情况下,可实现对低通滤波器的带宽在3kHz和93kHz间的灵活定义。一方面,较小的带宽增大了信号路径的系统延迟;但另一方面,也降低了开关的阈值噪声、提高了精度。更高带宽的情况与上述正好相反。归功于该特性, HAL 15xy系列可针对具有快速动态或静态磁场要求的应用进行客户定制。
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无滤波的采样霍尔开关

像 Micronas的HAL 5xy系列等霍尔开关,采用的是没有滤波IC的设计。根据顾客喜好,没有滤波的低延迟特性对快速响应有吸引力,但代价是噪声阈值的增加。对这样的霍尔开关来说,采样抖动仍然存在,但因没有滤波器加入,其系统延迟没有了。图5显示了此类开关的一般动态行为。

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图5:没有滤波的采样霍尔开关的延迟。

这就是为什么HAL 5xy传感器随机延迟的峰-峰值Δtsampling,pp=±8μs,而RMS值Δtsampling,rms.=±4.6μs,这一对比,凸显了同样来自Micronas的其继任产品HAL 15xy的更佳性能。

HAL 15xy系列开关抖动的产生原因

最有趣的是霍尔开关开关抖动Δtswitch的产生原因。开关延迟的随机分布——开关抖动,可根据图6予以考虑。

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图6:由阈值噪声和采样抖动引发的开关抖动。

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6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。

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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。

结语

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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