适合汽车应用中多种参数的霍尔传感器
作者：Edgar Schaefer，Rutronik儒卓力汽车产品现场应用工程师
在自动驾驶的进程中，汽车配备了越来越多的传感器。相比使用其他测量原理和技术的传感器，基于霍尔效应的磁场传感器拥有诸多优势。当前的型号还满足了ISO 26262:2018标准更严格的要求。
当磁场施加到与电流方向垂直的半导体时，霍尔传感器可检测到其中产生的电压差。由于霍尔电压与磁场强度成正比，因此，这类传感器与永磁体一起使用，可以间接测量许多变量，例如旋转、速度、距离、压力、角度和填充水平。由于传感器通过稳定的电流测量导体周围的磁场强度，因此还可以在无接触的情况下测量电流。同样原理，还可以无接触地检测其他的参数，这意味着霍尔传感器在运行时没有任何磨损，即使在长期运行的情况下也能够提供精确可靠的测量值。
人们通常将简单的霍尔传感器用作开关，例如用于汽车安全带扣、挡风玻璃刮水器或发动机开关系统。在这些情况下，将磁场强度的阈值保存在传感器中。如果检测值达到该阈值，则传感器的开关状态就会发生改变。例如，迈来芯(Melexis)的MLX92241内置隔直电容器，可直接使用电缆线束操作，从而实现近端无电路板设计，用于检测安全带是否系好等等。MLX92241的EEPROM存储器可以存储客户特定的开关点阈值、输出极性、Ioff电流和磁性材料的温度补偿系数。可编程的负温度系数可用于补偿永磁体在高温下变弱的行为特性。霍尔传感器元件配备安全机制，以防止静电放电、反极性和热过载现象。它们符合ASIL A安全等级要求。
线性霍尔传感器测量距离和旋转
具有线性输出信号的霍尔传感器是测量距离或旋转运动所必需的器件。它们不仅可以识别“开”和“关”状态，还可以输出与磁场强度成正比的模拟信号。集成到 MCU 或霍尔传感器中的A/D转换器则将模拟信号转换为数字信号。为了控制其他系统组件，其后，MCU输出成比例的脉宽调制(PWM)信号或与SENT汽车传感器总线系统兼容的数据流。一些最新一代霍尔传感器具有内置的 PWM接口和SENT接口。
如果使用仅仅检测垂直于芯片平面的磁场的霍尔传感器，通常需要使用较大且成本较高的附加组件。更先进的解决方案集成了数量日益增多的传感器以及信号处理和计算功能，通常不需要额外的组件并且可以测量其它附加的参数。
例如，垂直霍尔传感器不仅可以检测垂直于电流方向的磁场，还可以检测平行于电流方向或芯片平面的磁场。除了磁场的振幅外，2D传感器还可以检测其方向。例如，这可用于确定发动机的旋转方向。英飞凌基于霍尔效应的 Xensiv TLE4988C可以快速测量凸轮轴的位置。模块制造商的一大好处是减少了对稀土反向偏置磁体的依赖；例如这款传感器针对Fe、SmCo和NdFe进行了优化。自动车载校准应用考虑了铁磁轮和磁编码器的公差以及传感器的安装容差，从而确保在实际应用环境中实现极其精确的传感性能。TLE4988C采用带有镀锡的PG-SSO-3-52凸轮轴传感器封装，具有3 线电压 I/F和增加的220/1.8nF电源/输出电容以实现更高的EMC稳健性。
英飞凌的Xensiv TLE5501模拟角度传感器基于隧道磁阻(TMR)技术，具有高检测灵敏度和高输出电压，无需内部放大器，并允许传感器直接连接到单片机。此外，TMR技术具有最小的温度漂移，从而减少了对外部校准和补偿的需要。TLE5501使用360°角测量，通过使用TMR元件测量正弦和余弦角分量来检测磁场的方向。该传感器以差分输出信号的形式输出原始信号。由于桥接输出电压较高，无需进行额外的信号放大。TLE5501通过AEC-Q100和汽车ASIL型款提供，适用于角位置感测、转向角感测、安全应用和BLDC电机换向。
图片来源:英飞凌科技
第三维度
3D霍尔传感器技术结合了横向和垂直霍尔传感器，因此可以检测所有三个维度的磁场强度。这类传感器可以检测每个移动磁铁的绝对旋转或线性位置。例如MLX92256配备了侧向感应，这是专为在车窗升降系统中使用而设计的，在单一封装中集成了一个电压调节器、两个霍尔传感器(其中一个传感器带有集成磁集中器(IMC)，两者均具有先进的偏移消除系统)，以及两个开漏型输出驱动器。这款器件备有两个型款。MLX92256LSE-AAA-000型款在横向或垂直磁场分量发生变化时切换脉冲信号，而方向引脚仅在方向发生变化时改变。MLX92256LSE-ABA-000则配备两个速度输出，分别用于垂直磁场和横向磁场。
Melexis的MLX90371/MLX90372Triaxis位置传感器现已推出第三代产品，它们结合了磁性Triaxis霍尔前端、模拟/数字信号调节器、用于信号处理的DSP(数字信号处理器)和输出级驱动器。车辆(尤其是电动和混合动力车辆)的电气化程度不断提高，可产生高达4kA/m (或5mT) 的杂散磁场，而这些传感器仍然不受影响。这些器件也可以在弱磁场下工作，而且使用更小、更便宜的磁铁就足够了，这不仅可以带来成本效益，还可以节省空间。MLX90371是符合ISO 26262标准的ASILBSEooC(不涉及安全性)，并提供模拟或PWM输出；MLX90372则是符合ISO 26262 标准的ASIL-C SEooC，并具有SENT或PWM输出。两款传感器均满足汽车OEM厂商的EMC要求，并且指定工作温度高达160°C。对于加速踏板位置感应等对安全要求特别严格的应用，MLX90372还提供“双芯片”(完全冗余)TSSOP-16封装，实现冗余感应功能。
TDK-Micronas提供用于位置感测的可编程3D 传感器系列，该系列包含三个型款：具有 SPI 接口的 HAL 3900、具有PWM/SENT 接口和开关输出(可配置为高/低侧开关)的HAL 3930，以及具有PSI5 接口的HAL 3980。这些传感器可以使用霍尔板阵列来抑制外部杂散磁场。只需要使用一块简单的两极磁铁来测量旋转角度，最好放置在轴端配置的敏感区域。这个传感器系列也可用于离轴测量，可以测量360°角度范围、线性运动和 3D 位置，这些功能使其成为转向角位置感测的理想选择。根据产品不同，可以传输BX、BY、BZ的温度补偿值或最多两个计算角度。HAL-39xy传感器在–40°+160°C的环境温度范围内运行；它们根据汽车应用 ISO 26262标准设计，符合ASILB要求并设计为SEooC产品。
图片来源：TDK-Micronas
坚固可靠
这些示例表明，传感器技术不仅取得了巨大进步以满足汽车行业日益增长的需求，它们的设计也在不断地发展演进。许多最新型号还符合更严格的ISO 26262:2018 标准，其中有些是ASIL-C SEooC。冗余和安全功能以及改善EMC的措施，对此做出了很大的贡献。采用相应的封装可以确保传感器防潮、防尘和防污。为了在高温环境中使用，霍尔传感器的工作温度最高可达170°C。由于这些特性，它们是实现自动驾驶的重要技术。
