多年來(lái)，設(shè)計(jì)人員一直在工業(yè)和汽車(chē)系統(tǒng)中使用霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行接近檢測(cè)、線性位移測(cè)量、旋轉(zhuǎn)編碼和許多其他應(yīng)用。隨著時(shí)間的推移，更高的系統(tǒng)性能要求促使集成電路供應(yīng)商提高靈敏度精度、集成更多功能、提供不同的傳感方向和更低的功耗，從而將霍爾效應(yīng)傳感器的使用范圍擴(kuò)大到未來(lái)幾十年。

本文將探討有關(guān)霍爾效應(yīng)傳感器的常見(jiàn)誤解，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)⑵渑c實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)。

許多機(jī)電設(shè)計(jì)需要使用傳感器檢測(cè)物體，該傳感器提供一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯信號(hào)來(lái)指示其存在或不存在。一個(gè)例子是筆記本電腦蓋的關(guān)閉和打開(kāi)，指示何時(shí)打開(kāi)或關(guān)閉它。另一個(gè)例子是門(mén)窗傳感器中的入侵事件。這些應(yīng)用通常使用一個(gè)簡(jiǎn)單的霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)，一旦超過(guò)內(nèi)部磁閾值，該開(kāi)關(guān)就會(huì)切換其輸出電壓。EETOP

雖然這些霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)非常有用，但它們并不是唯一可用的霍爾效應(yīng)傳感器類型——鎖存器和線性器件也很常見(jiàn)。與開(kāi)關(guān)相比，主要用于旋轉(zhuǎn)編碼的鎖存器只會(huì)在與之前經(jīng)歷的磁極性相反的情況下切換其輸出。

對(duì)于精確的位移測(cè)量，線性霍爾效應(yīng)傳感器更可取，因?yàn)樗鼈兛梢砸愿叻直媛识x物體相對(duì)于傳感器的位置。換句話說(shuō)，它們提供的不僅僅是開(kāi)和關(guān)信息。圖 1說(shuō)明了每種傳感器的傳遞函數(shù)，包括可用的變體。

線性霍爾效應(yīng)傳感器無(wú)疑是具有成本效益的解決方案，可提供可靠的磁信息。此類傳感器的用戶知道這一事實(shí)，但通常會(huì)考慮使用其他技術(shù)來(lái)滿足他們的高精度要求。EETOP

例如，在工業(yè)機(jī)器人中，移動(dòng)臂必須相對(duì)于目標(biāo)物體精確定位。使用高精度線性 3D 霍爾效應(yīng)傳感器，例如德州儀器 (TI)的TMAG5170，可提供此類應(yīng)用所需的精度（圖 2）。此外，該器件的高精度和低靈敏度隨溫度漂移可能消除了對(duì)系統(tǒng)級(jí)校準(zhǔn)的需要。

霍爾元件與霍爾效應(yīng)傳感器本質(zhì)上是不一樣的?；魻栐枰秒娐泛筒罘址糯笃鳎钱a(chǎn)生可用電壓所需的最基本結(jié)構(gòu)。與霍爾效應(yīng)傳感器相比，霍爾元件沒(méi)有將所有支持電路集成到單個(gè)封裝中。

圖 3顯示了這兩種傳感器的電路實(shí)現(xiàn)?；魻栐ǔＳ糜诰炔恢匾?、成本極其重要且附近有差分放大器以最大限度減少外部噪聲耦合的應(yīng)用。此外，霍爾元件具有隨溫度變化的固有非線性變化，而霍爾效應(yīng)傳感器具有內(nèi)置補(bǔ)償功能，可確保在 -40 至 125°C 的寬溫度范圍內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定測(cè)量。

4. 霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)不是簧片開(kāi)關(guān)的有用替代品

如今，簧片開(kāi)關(guān)在許多應(yīng)用中仍然很普遍，例如門(mén)窗傳感器。在安全警報(bào)系統(tǒng)中使用簧片開(kāi)關(guān)的主要缺點(diǎn)是無(wú)法檢測(cè)到篡改事件。通過(guò)使用線性 3D 霍爾效應(yīng)傳感器，設(shè)計(jì)人員可以利用任何未用于有源測(cè)量的通道來(lái)檢測(cè)此事件。

另一個(gè)例子是在冰箱門(mén)中控制打開(kāi)或關(guān)閉內(nèi)部燈的確切位置。鑒于其嚴(yán)格的閾值滯后規(guī)格，霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)提供一致的開(kāi)合距離檢測(cè)。

使用簧片開(kāi)關(guān)的第二個(gè)主要缺點(diǎn)是它們無(wú)法使用標(biāo)準(zhǔn)的印刷電路板 (PCB) 組裝程序。這些器件必須手工焊接到板上，從而使組裝過(guò)程復(fù)雜化并增加成本。表 1比較了這兩種技術(shù)。

雖然某些霍爾效應(yīng)傳感器消耗的電流確實(shí)在個(gè)位數(shù)毫安范圍內(nèi)，因此不適合電池供電的應(yīng)用，但其他霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)支持低采樣率（5 Hz 或更低）并且平均消耗的電流小于1微安。這些設(shè)備在高功率活動(dòng)測(cè)量狀態(tài)和超低功率睡眠狀態(tài)之間循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)低功耗。由于活動(dòng)狀態(tài) (t active ) 持續(xù)時(shí)間比睡眠間隔 (t s ) 短得多，因此總平均電流消耗非常低。

市場(chǎng)上絕大多數(shù)霍爾效應(yīng)傳感器只有三個(gè)引腳——V CC（電源）、輸出和 GND（地）——所以一般的想法是必須將三根線連接到傳感器，這并不準(zhǔn)確。如圖 5所示，一個(gè)漏極開(kāi)路、電壓輸出、三引腳霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)僅用兩根導(dǎo)線遠(yuǎn)程連接。

當(dāng)感應(yīng)到磁場(chǎng)時(shí)，器件會(huì)通過(guò) GND 引腳產(chǎn)生電流輸出。如果未檢測(cè)到磁場(chǎng)，則器件的輸出將不會(huì)產(chǎn)生任何電流，進(jìn)而不會(huì)通過(guò) GND 引腳產(chǎn)生輸出電流。請(qǐng)注意，確定電阻器的邏輯狀態(tài)需要一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，它可以集成到微控制器中，以及一個(gè)外部電阻器。這種配置的問(wèn)題是它會(huì)在嘈雜的條件下產(chǎn)生無(wú)效的電壓電平。

確?？煽康臄?shù)據(jù)傳輸需要電流輸出設(shè)備來(lái)減少或消除信號(hào)失真。例如，TMAG5124是一種雙引腳解決方案，僅需要電源電壓和接地即可運(yùn)行。圖 5顯示了如何通過(guò)使用 GND 引腳傳輸?shù)碗娖交蚋唠娖诫娏鳎ň诤涟卜秶鷥?nèi)）來(lái)實(shí)現(xiàn)該器件。

磁鐵相對(duì)于傳感器的位置取決于許多因素——一些是系統(tǒng)級(jí)因素，而另一些則是傳感器本身固有的。決定磁體放置的外部系統(tǒng)因素主要是磁體尺寸、磁體材料類型和工作溫度范圍。磁鐵越大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)就越大。

在最常用的磁體中，釹鐵硼 (NdFeB) 磁體產(chǎn)生最強(qiáng)的磁場(chǎng)。因此，它們的尺寸通常較小。

在選擇磁鐵時(shí)考慮熱量也很重要，因?yàn)樗ǔ?huì)降低產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

影響傳感器特定磁體放置的主要因素包括靈敏度水平、傳感方向（平面內(nèi)與平面外）、封裝產(chǎn)品、板載傳感器數(shù)量和可配置性。靈敏度更高的霍爾效應(yīng)傳感器可以檢測(cè)到更遠(yuǎn)的磁鐵。

大多數(shù)霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)和鎖存器檢測(cè)垂直于封裝表面的磁場(chǎng)，但有些可以檢測(cè)封裝的水平方向（或平面內(nèi)）。TMAG5123就是一個(gè)很好的例子，當(dāng)垂直位移不可能時(shí)，它可以在設(shè)計(jì)中提供更大的機(jī)械靈活性。另一個(gè)例子是使用能夠監(jiān)控多個(gè)軸的 2D 雙通道鎖存器。您幾乎可以將它們放置在與磁鐵相關(guān)的任何位置。

霍爾效應(yīng)傳感器在許多位移應(yīng)用中很受歡迎，但它們也用于絕對(duì)角度測(cè)量。通過(guò)策略性地將兩個(gè)單軸線性霍爾效應(yīng)傳感器圍繞旋轉(zhuǎn)偶極磁體放置，每個(gè)傳感器都可以拾取與另一個(gè)異相的磁場(chǎng)矢量。有了這些信息，使用反正切函數(shù)就可以很容易地計(jì)算出旋轉(zhuǎn)磁鐵的準(zhǔn)確角度。

圖 6顯示了在兩種不同封裝類型中使用線性傳感器的兩種實(shí)現(xiàn)方式。另一種更優(yōu)雅的角度測(cè)量方法是使用單個(gè)線性 3D 霍爾效應(yīng)傳感器（參見(jiàn)圖 6b了解各種配置）。要了解角度測(cè)量，請(qǐng)查看 TI 的“使用霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)角度測(cè)量”和“使用多軸線性霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行角度測(cè)量”。

還有一些人認(rèn)為霍爾效應(yīng)傳感器沒(méi)有很好的實(shí)際使用范圍，因?yàn)榇艌?chǎng)隨距離呈指數(shù)衰減。然而，具有高靈敏度的霍爾效應(yīng)傳感器可以從很遠(yuǎn)的距離檢測(cè)到有用的磁場(chǎng)。

以 TI 的DRV5032 為例。表 2顯示了使用小型低成本鐵氧體磁鐵 (12 × 12 × 6 mm) 提供的所有器件變體的正面感應(yīng)距離。TI 的最低靈敏度 DRV5032ZE 可以檢測(cè) 4.0 至 7.5 mm 的磁鐵，而 DRV5032FA 版本的范圍在 18.7 至 44.6 mm 之間。如果使用更堅(jiān)固、尺寸相同的 52 級(jí) NdFeB 磁體，該檢測(cè)距離將增加到近 3 英寸。

設(shè)計(jì)人員通常會(huì)考慮隧道磁阻 (TMR) 傳感器，因?yàn)樗鼈兙哂懈叽澎`敏度、高線性度和低功耗。此外，TMR 傳感器可以感應(yīng)與封裝水平（或平面內(nèi)）的磁場(chǎng)。當(dāng)今可用的大多數(shù)霍爾效應(yīng)傳感器都對(duì)垂直場(chǎng)敏感，但少數(shù)（例如TMAG5123）具有平面內(nèi)傳感能力。然而，使用霍爾效應(yīng)傳感器的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是較低的總系統(tǒng)成本。圖 7顯示了平面內(nèi)傳感器的靈敏度方向性。

這條確實(shí)是真的--使用干簧管和基本霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)的系統(tǒng)有可能被篡改。大的外部磁場(chǎng)可以欺騙系統(tǒng)，使其相信一切都在正常工作。

解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)好方法是使用一個(gè)線性三維霍爾效應(yīng)傳感器。一個(gè)軸監(jiān)測(cè)預(yù)定磁鐵的存在，而另外兩個(gè)通道檢測(cè)外部磁場(chǎng)。通過(guò)使用每個(gè)通道都有可配置的磁性閾值的線性三維傳感器，你在設(shè)置適當(dāng)?shù)?"篡改檢測(cè) "閾值方面有更大的靈活性。在圖8所示的例子中，一旦閾值被越過(guò)，MCU就會(huì)收到一個(gè)中斷信號(hào)。

霍爾效應(yīng)傳感器的使用如此廣泛，以至于我?guī)缀趺刻於寄苈?tīng)到一種新穎有趣的新應(yīng)用。我的期望是，這里給出的11個(gè)誤區(qū)將激發(fā)您對(duì)下一代設(shè)計(jì)的想法。