霍爾效應感測器(Hall-effect sensor)根據磁場改變其輸出電壓。霍爾效應元件被用作鄰近感測器,用於檢測定位、速度和電流,它們廣泛應用於馬達控制系統中。因為機械零件不會隨時間而磨損,所以霍爾效應感測器是長期的解決方案,整合的封裝還可以減少系統尺寸、降低實施的相對複雜性。隨著各種各樣的技術解決方案可用於計算位置、速度和電流感測,設計師可以選擇最佳的解決方案來實現他們的目標。設計決策中的關鍵要素包括成本、解析度、精確度、可靠性和上市時間的要求。

霍爾效應檢測

霍爾效應是當流過導體或半導體的電流受到磁場影響時所產生的可測量電壓。在這些條件下,由於Lorentz(電磁)和電力的平衡,產生垂直於施加電流的橫向電壓,磁場會影響導體(或半導體)內部流動的電荷。圖1顯示了在磁場中,穿過半導體的電荷所發生的變化。運動中的電子(q)在導體的一側受到磁力作用,在另一例留下一個淨正電荷,這種電荷分離產生了霍爾電壓。

20200106TA31P1 圖1 n型方型封裝(尺寸為wxw)的霍爾效應。(圖片來源:Allegro Microsystems)

霍爾電壓(Vh)垂直於電流流向,表示為:

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其中J是電流密度,Bz是沿z方向的磁場,w是如圖1所示的外形尺寸,Rh是霍爾常數,若大多數載流子是電子,霍爾常數為負;若大多數載流子是空穴,則霍爾常數為正。載流速度為統計測量的結果,且磁場的非線性效應可以改變實驗結果。因此,常數中包含一個修正項rh,rh的值通常在1~1.5之間。

霍爾效應的一個基本特徵是,在一個方向上移動的正電荷與在相反方向上移動的負電荷之間存在壓差。霍爾效應元件會產生一個淺訊號電平,因此需要放大級數,而許多裝置都將感測器晶片和高增益放大器電路整合在一個封裝中。

設計任何霍爾效應檢測設備,都需要一個能夠回應透過電子輸入介面檢測到的物理參數磁性系統。霍爾效應感測器檢測到磁場,並根據電子系統的要求,適當地將類比或數位訊號轉換成標準訊號。圖2所示的檢測裝置由四個模組構成,設計階段的目標是定義其中每一個模組。

20200106TA31P2 圖2 霍爾效應感測器設計佈局。

在單一封裝中,最新的技術中進一步增加了一種類比數位轉換器,以及用於直接連接到微控制器I/O的I2C通訊協定。

元件與應用

在包括液位測量和馬達控制的各種應用中,霍爾效應技術取代了許多傳統的探測技術,如何選擇適當的元件取決於精準度水準和所需的檢查指標。

對於高精確度應用,線性元件可以與處理器結合使用。線性元件提供絕對類比位置,作為磁場隨霍爾元件變化的函數,而微處理器的搜索演算法可解釋磁鐵的位置。選擇哪種線性元件取決於所需的精確度,元件可能包括Allegro Microsystem可程式設計的A13x或A138。

Allegro垂直霍爾效應技術(AVHT)與傳統平面霍爾效應技術結合,創造出了可以在單個晶片上感測二維空間的元件。Allegro的A1262和APS12626輸出檢測到的正交訊號,以進行進一步處理,進而確定目標的速度和方向(圖3)。

20200106TA31P3 圖3 APS12626框架圖。(圖片來源:Allegro Microsystems)

德州儀器(TI)的DRV5057是一款線性霍爾效應感測器,可以採用3.3或5伏特的電源供電。若沒有磁場,輸出則會產生一個工作週期為50%的時脈,而且會檢測到垂直於封裝頂部的磁通量。這兩個封裝選項提供了不同的感測方向(圖4)。

20200106TA31P4 圖4 DRV5057應用電路。

霍爾效應IC是一種用來監測馬達電流的控制和保護(IC電流感測)方法,簡單有效。馬達的電流消耗與所施加的馬達轉矩成正比,因此,控制速度和施加到馬達上的力典型方法,就是測量微處理器中的電流消耗。然後微處理器可以計算出是否必須為馬達施加電流才能達到所需的速度,霍爾效應電流感測器的銅引線框架電阻非常低,因此可以直接與馬達串聯。

防鎖死煞車系統(ABS)是一種車輛安全系統,能讓車輪繼續與路面相互作用,避免車輪鎖定、打滑。在乾燥和光滑的路面,ABS通常能讓駕駛更好地控制車輛,縮小停車距離。ABS的主要輸入是車速度感測器介面,利用比較輪速感測器的輸入,可以確定單個車輪是否容易打滑。

輪速感測器通常是霍爾效應元件,需要預先調節以產生數位脈衝寬度調變(PWM)輸入,並由微控制器讀取。利用微控制器對車速感測器資料進行比較,控制煞車油缸壓力,還負責診斷、警報通知,以及與其他感測器之間進行通訊。

為了有效調節馬達轉矩,基於微控制器的控制單元需要瞭解馬達在每個控制週期的相電流暫態資訊。這些電流,特別是扭矩值較高的電流,可以達到甚至超過幾百安培。因此,使用帶電流隔離的電流互感器,將其放置在初級電路(在大電流)和次級電路(電子電路)之間。轉換器基於霍爾效應運作,並在次級繞組上提供與測量電流成比例的輸出電壓。

使用這種電流轉換器的優點是,這些轉換器可以放在電線外面,並且不會干擾訊號。使用基於並聯電阻測量的替代方法可能會導致過熱和損耗,而且在大電流的情況下,測量結果會不準確。

(參考原文: Motor Speed Control Using Hall-Effect Sensors,by Maurizio Di Paolo Emilio)

本文同步刊登於EE Times Taiwan 2020年1月號雜誌