雖然傳統線性霍爾感測器、霍爾開關及角度感測器僅偵測垂直於晶片表面的磁場分量(GMR 角度感測器僅偵測平面方向的磁場元件),但是TLV493D-A1B6感測器可同時偵測磁場的x、y和z座標(圖1)。藉由提供所有三軸的磁場分量,客戶可在感測器上獲得整體的磁場3D圖像。磁性的任何動作至少會改變一個磁場分量,並由 3D 感測器加以偵測。

20160719 Infineon NP21P1 圖1:TLV493D-A1B6 3D感測器原理

在感測器晶片上整合垂直與水平霍爾感測元件,即可感測3D。垂直霍爾感測器可感測磁場元件的x和y方向的平面。水平霍爾感測器可感測磁場元件的垂直方向(z方向)。

主要的開發目標之一是低耗電量。利用創新的設計技術,例如低功耗振盪器可使感測器提供創紀錄的低功耗,達到數奈米安培的程度。專注於核心需求的開發,準確的3D磁感測與低功耗的結果是小尺寸晶片,適用於小型封裝。採用的TSOP-6封裝尺寸僅2.9mm x 1.6mm,小於目前市場上的任何3D磁感測器。

由於採用小型封裝及低功耗,TLV493D-A1B6可用於至今尚未採用磁感測器的各種應用,取代電位計與光學解決方案。利用非接觸式位置感測以及磁閾值的高溫穩定性,系統概念可更加精巧、準確且耐用。

此感測器透過2線標準I2C介面提供數位輸出,可提供高速通訊、匯流排模組,以及感測器與微控制器之間的雙向通訊。

TLV493D-A1B6符合RoHS及JESD47規範,因此客戶的系統可符合最高標準及各種環境規範。

架構與主要功能

此感測器的架構設計與製造包含三個主要功能單元:電源模式控制單元、感測單元及通訊單元(圖2)。電源模式控制單元負責IC內部的配電。同時也負責處理感測器的啟動。

20160719 Infineon NP21P2 圖2:TLV493D-A1B6與主要功能單元的方塊圖:電源模式控制系統,感測部份與I2C介面

此感測單元包含垂直與水平霍爾感測器與溫度感測器。此感測單元以x、y和z方向執行磁場的測量。每個x、y和z霍爾感測器皆依序連接至多工器,多工器則連接至類比數位轉換器(ADC)。溫度感測器亦連接至多工器,並可判斷做為選擇性配備。停用溫度測量時,整體電流消耗可降低約 25%。

通訊單元包含I2C介面與暫存器檔案,可由微控制器在任何電源模式下存取以讀出暫存器值。三軸的值與溫度儲存於個別的暫存器中。介面符合I2C快速模式規格(400kBit/s),但可達到特定的電子設定資料速率1Mbit/s以上。依據I2C通訊協定的準則,感測器可與其他裝置共同使用I2C匯流排。操作通訊匯流排系統以降低線路數,並啟用微控制器的控制機制(匯流排主控器)。TLV493D-A1B6感測器的標準匯流排位址為原廠設定。在開機過程中,可透過位址腳位變更此位址。新的位址在運作過程中為有效,只有在移除電源供應器時才會恢復為原廠設定。

在3D磁感測方面,TLV493D-A1B6為每個測量方向提供12位元的資料解析度。如此一來,每位元可提供0.098mT(LSB)的高解析度。因此,可測量到最微小的磁移動。

可進行+/-150mT廣線性磁場範圍的Bx、By和Bz線性磁場(B)測量。這樣一來,客戶就能測量並涵蓋較長的磁移動。其作業範圍相當廣大,使磁電路設計具備簡單、耐用及彈性等特色。

藉由在兩個平面磁場分量(x及y方向)上使用霍爾感測器,使感測器可達到+/-2%的優異磁性匹配。如此即可達到準確的角度測量。

TLV493D-A1B6以工業和消費產品應用為目標,可在2.3及3.5V之間的供應電壓運作,作業溫度範圍則介於-40°C至125°C之間。本產品符合工業標準 JESD47。

彈性的電源模式達到最低電流消耗

在每次測量週期之後,感測器會將中斷訊號提供至所連接的微控制器。微控制器現在可從暫存器讀出磁與溫度值。感測器中斷訊號可用於喚醒處於睡眠模式的微控制器系統。由於系統處於睡眠模式,並且僅在讀取階段進行運作,因此可大幅降低整體系統的耗電量。

TLV493D-A1B6提供五種可由使用者選擇的電源模式:關機模式、快速模式、功率模式」、超低功耗模式及主控模式(表1)。電源模式可在透過 I2C 介面運作時進行設定。

20160719 Infineon NP21T1 表1:電源模式與相應的電流消耗量及取樣率

在開機時,感測器將以原廠設定啟動。短時間內,所有的功能區塊就會啟用。接著感測器將進入「關機模式」,所有的功能區塊都將關閉。在此期間,不會進行任何磁測量。耗電量降低至7nA。此感測器以兩個AA電池(各2,400mAh)供電,在此模式下可運作超過 39,000 年。

在「快速模式」時,會以最佳化的速度進行讀出。當上一次轉換的測量取樣可供讀取時,下一次的轉換已開始執行。此模式很適合需要偵測快速磁移動的應用,例如搖桿。感測器的耗電峰值為3.7mA,以最大取樣率10kHz運作,相當於每秒 10,000 次測量週期。

在「低功率模式」中,感測器會每隔10ms就會從「關機模式」中喚醒,以便執行磁測量。「低功率模式」的耗電量為100μA。此模式很適合控制元件等需要以低耗電量定期執行磁測量的應用(例如多功能按鈕)。

在「超低功率模式」下可達到10倍的低耗電量。喚醒週期延長至100ms,耗電量降低至10μA。特別是電池供電的應用將可透過此模式獲益,例如電表的防止篡改,因為它的耗電量極低。

在「主控模式」中,您可依據應用需求彈性調整來讀出感測器。在每次測量之後,感測器會等待微控制器 (主控裝置) 讀取暫存器。依據不同的應用情況,可立即完成讀出或稍微延遲之後再讀出。一旦微控制器收集磁數值之後,就會觸發新的測量週期。當多個 TLV493D-A1B6 感測器透過 2C匯流排連接以偵測較大的線性移動時,此模式特別有用。如此一來,微控制器 (主控裝置) 即可決定哪個感測器資料與其最為相關,並觸發各個感測器。

20160719 Infineon NP21P3 圖3:電流消耗量與溫度的比較

應用:防止電表篡改

傳統電表無法偵測或處理篡改的問題,因為這些電表僅依據流經輸入與輸出端子之間的電壓與電流來測量能源。這樣的電表很容易篡改,而且不易偵測。然而,當今部署的電表具備偵測篡改的能力,並可採取適當的措施。

磁干擾可能是最常見也最容易的電表篡改手法。磁電流感測器如變流器(CT)最容易受到此類干擾。當強力的永久磁鐵放在靠近CT的外殼上,可產生強烈的磁場並快速滲透至核心,因而導致電流感測器失效。當CT失效時,電流讀數將變成零,並導致能源讀數也變成零。

部署磁感測以防止篡改的傳統方式是採用兩個霍爾感測器(一個焊接於相關的PCB,另一個在另外的小型PCB上並垂直於第一個PCB,圖4)。此方式有一些缺點,例如不易處理的機械結構、校正及調校。另外,耗電量及成本較高。

20160719 Infineon NP21P4 圖4:TLV493D-A1B6很適合用於智慧型電表的防止篡改功能

使用新款3D感測器,則無需額外的PCB,可降低系統的複雜性並帶來更高的可靠性。此外,TLV493D-A1B6滿足此類應用的所有其他需求,例如較大的磁場範圍、高解析度、溫度測量、極低的功耗、數位輸出、無額外的元件、小型封裝及低成本。

搖桿與控制元件

準確的12位元解析度與快速通訊速度,使TLV493D-A1B6成為搖桿應用的首選。非接觸式磁感測、高溫穩定性,以及基本上無老化效應,可供創造工業應用搖桿的全新世代設計(例如人機介面)。

此外,全新3D感測器可為白色家電或家用電器提供具有成本效益及能源效益的控制元件,例如易用的轉動按壓按鈕。準確的角度測量與小型系統架構可供設計全新的使用者觸覺體驗。

若要進行快速設計並縮短工程設計時間,客戶可線上訂購低價的評估。「3D Magnetic Sensor 2Go」評估板採用TLV493D-A1B6感測器及英飛凌32位元微控制器XMC1100。若與隨附的磁鐵及感測器軟體搭配使用,可於數分鐘內完成第一次磁測量。採用XMC1100做為微控制器,亦可利用免費開發平台DAVE開發感測器系統。

瞄準汽車業前景

TLV493D-A1B6感測器可為各種應用提供精密且具有能源效率的3D磁感測。彈性的運作模式可提供專屬且可擴充的系統設計,並具備廣測量範圍以進行準確的位置感測,同時保持最低的電流消耗量。

TLV493D-A1B6工程樣品將於2015年7月起開始供應,預計於2016年1月進行量產。英飛凌為了服務汽車市場客戶,將拿掉偵測器的全部AEC-Q100認證,預計於 2016年中開始量產符合汽車業標準的TLE493D-A1B6。

英飛凌的第一款3D感測器,奠定了3D磁感測器產品組合的起點。未來幾個月將推出更多的3D感測器版本。