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单极霍尔效应传感器 IC 基础

单极霍尔效应传感器 IC 基础

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提供数字输出的霍尔效应 IC 器件共有四大类：单极开关、双极开关、全极开关和锁存器。本应用说明将主要阐述单极开关。Allegro™公司的网站上提供了有关双极开关、全极开关和锁存器的类似应用说明。

单极霍尔效应传感器集成电路通常称为“单极开关”，它主要利用正极磁场工作。单独的磁体位于强度（磁通量密度）足够的南极（正极）磁场，会使器件切换至开启状态。开启后，单极 IC 将一直保持该状态，直至磁场移开，并且 IC 返回关闭状态。

图 1 显示了检测汽车变速杆位置的应用。变速杆内包含一个磁体（红色和蓝色圆柱体）。一组微型黑色方块表示一系列单极开关器件。当驾驶员移动变速杆时，磁体会经过单独的霍尔器件。靠近磁体的器件会受到磁场的影响并开启，但大部分位置较远的器件不会受到影响，并保持关闭。注意，磁体的南极（红色）朝向霍尔器件，放置霍尔器件时，应使器件的标记面朝向磁体的南极。

图 1

图 1.使用单极开关传感器 IC 的应用。在换挡过程中，当磁体（红色和蓝色圆柱体）经过微型霍尔效应 IC 时，它们会进行开关操作。

磁性开关点术语

以下是用于定义霍尔开关操作的转换点或开关点的术语：

图 2

图 2：霍尔效应是指在外加电流受垂直磁场影响时存在可测量的电压。

  • B− 磁通密度的符号，是用于确定霍尔器件开关点的一个磁场属性。单位是高斯 (G) 或特斯拉 (T)。转换关系是 1 G = 0.1 mT。

    B 有南极和北极之分，所以有必要记住它的代数约定，B 在用于北极磁场时为负数，用于南极磁场时为正数。该约定可以用于对北极与南极数值进行算术比较，其中磁场的相对强度以 B 的绝对值表示，符号表示磁场的极性。例如，一个 − 100 G（北极）磁场和一个 100 G（南极）磁场具有相同的强度，但是极性相反。同样地，一个 − 100 G 磁场的强度要高于一个 − 50 G 磁场的强度。

  • BOP− 磁场工作点；使霍尔器件开启的强化磁场强度。器件输出的结果状态取决于器件的独特电子设计。
  • BRP− 磁场释放点；使霍尔器件关断的弱化磁场强度（对于某些类型的霍尔器件而言，则是在给出正 BOP的情况下的强化负磁场的强度）。器件输出的结果状态取决于器件的独特电子设计。
  • BHYS− 开关点磁滞回差。霍尔器件的传输功能利用开关点之间的这个偏移值来过滤掉在应用中可能由机械振动或电磁噪声引起的磁场中的小的波动值。BHYS= | BOP− BRP|。

典型工作状态

当单极开关开启时，产生的输出信号可以在高逻辑电位，也可以在低逻辑电位，具体取决于器件 IC 输出级的设计。图 3 显示了单极开关可能的输出状态。顶部区域表示在一个南极强磁场中，以低逻辑电位（输出晶体管饱和电压 VOUT(sat)，通常为 <200 mV）输出的开关。底部区域表示在相同条件下，以高逻辑电位（最高为全电源电压 VCC）输出的开关。

图 3

图 3.单极开关输出特性。顶部区域显示了存在南极强磁场时，切换至低逻辑电位，底部区域显示了在南极磁场中，切换至高逻辑电位。

虽然器件能在任意强度的磁场中通电，为阐释图 3，从最左边开始，此处的磁通量（横轴上的 B）的正性小于 BRP或 BOP。此处的器件处于关闭状态，输出电压（纵轴上的 VOUT）取决于器件的设计：高压（顶部区域）或低压（底部区域）。

向右的箭头表示在此方向上磁场的正性逐渐增加。当与 BOP相比，磁场较为偏正时，器件开启。这使输出电压变为相反的状态（高压或低压，具体取决于器件的设计）。

若与 BRP相比，磁场仍偏正，则器件仍保持在开启状态且输出状态保持不变。即使在 B 的正性比 BOP略低（在开关磁滞 BHYS的内置区内）的情况下也是如此。

箭头转为向左表示在此方向上磁场的正性减少。当磁场再次降至 BRP以下时，器件关闭。这使输出变回初始状态。

上拉电阻器

上拉电阻器必须连接在电源正极和输出引脚之间（参阅图 4）。上拉电阻器的常用值范围在 1 - 10 kΩ之间。最小上拉电阻是霍尔传感器 IC 最大输出电流（器件的灌电流）和实际电源电压的函数。标准最大输出电流是 20 mA，在此情况下，最小上拉电阻为 VCC/ 0.020 A。

在需要考虑电流消耗的应用中，上拉电阻可高达 50 - 100 kΩ。但同时还要非常小心，因为较大的上拉电阻值可能产生外部接地的漏电流。这不是器件的问题，其根本原因在于上拉电阻器与传感器 IC 输出引脚之间的导体发生了电流泄露。这些电流能高到足以减小输出电压，不管磁场状态和器件的开关状态如何。严重的话，这会使传感器 IC 输出电压大幅降低，以至于使其丧失适当的外部逻辑功能。

图 4

图 4：典型应用图。

旁路电容器的使用

参考图 4 了解旁路电容的布局设计。一般来说：

  • 对于没有采用稳定斩波技术的设计 − ，建议在输出和接地引脚以及电源和接地引脚之间分别放置一个 0.01 µF 的电容器。
  • 对于采用了稳定斩波技术的设计， − 必须在电源和接地引脚之间放置一个 0.1 µF 的电容器，最好再在输出和接地引脚之间放置一个 0.01 µF 的电容器。

通电时间

通电时间在某种程度上取决于器件的设计。数字输出器件（如单极开关）会以下列近似延迟达到稳定状态：

器件类型 通电时间
无稳定斩波 <1µs
有稳定斩波 <25µs

从根本上来讲，这意味着：在通电之后、经历这段时间之前，器件的输出可能处于一个不正确的状态，但在经过这段时间之后，器件的输出肯定处于正确的状态。

功耗

总功耗是以下两个因素的总和：

  • 霍尔器件消耗的功率，不包括在输出端损耗的功率。该值的大小是 VCC与电源电流的乘积。VCC是器件电源电压，电源电流通常在数据表中指定。例如，假设 VCC= 12 V，电源电流 = 9 mA，功耗 = 12 × 0.009 或 108 mW。
  • 输出晶体管中的功耗。该值的大小是 V(sat)与输出电流（由上拉电阻器决定）的乘积。如果 V(sat)是 0.4 V（最坏情况下），输出电流是 20 mA（最坏情况下），功耗为 0.4 × 0.02 = 8 mW。如您所见，由于饱和电压的值非常小，所以在输出上的功耗也比较小。

在该例中，总功耗为 108 + 8 = 116 mW。将这个数字用在相关封装的数据表的降额图表中，检查是否有必要降低最大允许工作温度。

常见问题

问题：我如何根据霍尔器件的位置确定磁体的朝向？

回答：磁极面向器件封装的标记面。标记面上有器件的识别标志，例如部分型号或日期代码。

问题：北极或负极磁场如何影响单极开关？

回答：北极或负极磁场对单极开关没有影响。

问题：我可以将磁体靠近器件背面吗？

回答：可以，但要记住：如果磁铁的磁极朝着同一个方向，则从正面看，穿过器件的磁流场的方向保持不变（例如，如果从正面看，南磁极比较接近器件，那么若从背面看，北磁极比较接近器件）。然后，北磁极会针对霍尔元件产生一个正磁场，而南磁极会产生一个负磁场。

问题：有用于接近器件背面的权衡方法吗？

回答：有。由于霍尔元件与正面（封装标记面）之间的距离比较近（相对于背面而言），从封装正面接近时会出现一个“更清洁的”信号。例如，对于“UA”封装，带有霍尔元件的芯片位于封装标记面内 0.50 mm 处，距离背面大约 1.02 mm。（标记面与霍尔元件之间的距离称为“有效面积深度”。）

问题：一个很强的磁场会损坏霍尔效应器件吗？

回答：不会。一个很强的磁场不会损坏 Allegro 霍尔效应器件，也不会导致开关点的磁滞增加（计划内的磁滞除外）。

问题：我为什么需要一个稳定斩波型器件？

回答：与非斩波设计相比，稳定斩波型传感器 IC 具有更高的灵敏度和控制更为严密的开关点。它也许还能承受更高的工作温度。大多数新器件设计都采用了斩波型霍尔元件。

推荐的器件

Allegro 公司网站上的选型指南《霍尔效应单极开关》中列出了单极器件。

应用

相关器件类型的应用说明

参考：AN296069