霍尔传感器的开关应用

作者：Shuang Feng

Abstract

传统的开关具有许多功能，例如可以实现ON/OFF开关，可以改变部件的运动方向，可以通过旋钮的形式用角度做量程控制等等。 这些传统的开关主要是机械方案，成本很低，但机械结构件都会存在磨损问题，频繁使用会缩短系统的寿命。针对这类问题， TI 的霍尔效应传感器可以在许多开关应用中替代机械开关，从而实现稳健的设计，与机械开关相比，系统寿命更长。本应用文档介绍了四种 TI 霍尔传感器的开关解决方案。涵盖了市面上开关常用的ON/OFF功能，方向控制功能，旋转控制功能，以及一些要求严格的系统方案。TI的霍尔传感器的产品规划很好的覆盖了传统开关的绝大多数类型，优良的性能和极低的成本也引领了传统开关由机械化往电子化转变的趋势

1. ON/OFF开关的解决方案

大多数 ON/OFF 开关都是基于机械的。 机械开关用于许多应用，包括工业、楼宇的自动化以及各种电器中。 即使这样的解决方案具有许多优点，它仍然存在一些不足之处。 例如会限制系统的使用寿命。

如果系统对产品的使用寿命有要求或者提升的需求，那么这类产品就可以考虑使用霍尔感应开关来替代原有的机械部件以实现这种ON/OFF开关的功能。 TI的明星产品DRV5032，兼具了性能和低成本并且有单极霍尔效应开关和双极霍尔效应开关。 DRV5032 器件是一款超低功耗数字开关霍尔效应传感器，专为最紧凑和针对小型化和电池供电的系统设计的系统。该器件提供多个磁阈值、采样率、输出驱动器和封装，以适应各种应用。

下面是霍尔感应开关的原理， DRV5032 可根据磁铁与霍尔传感器的距离向系统控制单元发出触发信号。当施加的磁通密度超过操作的阈值时，该设备可以直接输出一个低电压，或通过开漏结构输出配置拉至低电平状态。 输出会保持低电平状态，直到磁通密度降低到小于阈值，然后输出会变成高电平，或者高阻抗状态。关于磁铁的放置以及设计，TI的Application Report SLVAEH3 有详细的介绍，可以作为参考来进行设计。DRV5032的阈值提供了3.9mT，4.8mT，9.5mT，63mT四个版本。 芯片内部集成振荡器电路，并有两个频率版本可选。如果对采样实时性要求高，可以选择20Hz版本，如果对功耗敏感，可以选择5Hz版本。该器件在 1.65 V 至 5.5 V 的 VCC 范围内工作，拥有标准的 SOT-23，TO-92 封装以及更小的X2SON封装。

Figure 1. DRV5032 ON/OFF 开关方案

2. 有方向选择的开关方案

许多应用场景需要使用 3 位置开关来选择电机的旋转方向。 例如很多电器或者工控产品会需要一些电机实现正反转的方向选择，主要分为电机的正向旋转、反向旋转还有待机状态。 传统的解决方案主要是基于接触式机械结构实现的，由于多方向摩擦或者接触的原因，机械损耗会加剧。霍尔感应方案可以很好的解决这个问题，同时也可以通过以下方案来实现三个方向的选择。 由于 DRV5032 具有两个单极输出，可响应磁体的不同极性，因此只需使用一个磁体和一个霍尔开关即可实现方向选择。 它可以感应两个不同方向的磁场。 这是只有一个 DRV5032 的低成本解决方案。下面是实现方式以及对应的选择逻辑描述。

Figure 2. 单芯片方向选择的开关模型

Table 1. 方向选择的开关逻辑

Figure 3. 双芯片方向选择的开关方案

但是这个解决方案有一个设计难点。 它需要将霍尔传感器安装在磁铁的正中间的位置以确保准确的触发控制逻辑，这在大规模量产的生产中是个难点，很难确保生产的一致性问题。关于这种痛点，另一种方案是用两片DRV5032去实现3位置控制。一片DRV5032对S极进行触发，另一片对对N极进行触发。这样，就可以降低生产对磁铁位置的苛刻要求，降低了一致性的难度，从而实现三位置的控制逻辑。

3. 旋钮开关的解决方案

市面上还有很多开关是用角度或位置来进行控制的，这就需要开关可以做旋转等操作。传统的机械结构为了使开关可以360度的旋转会需要更复杂的结构件，这无疑是给成本和寿命带来了更大的挑战。 TI 的 3D 霍尔传感器可以检测三轴磁感应值并计算不同轴的角度值，进而可以帮助旋转类型的开关实现控制。 TI的明星产品 TMAG5710 和 TMAG5273 都有适用于该应用的参考设计。TMAG5710的评估板设计了一个旋转开关，旋钮内部镶嵌了一块圆形的磁铁，TMAG5710会对磁铁的旋转进行磁感应强度的检测，进而将线性的信号传递给控制单元。控制单元可以针对这三轴的磁感应值进行计算，最终得到相应的角度和位置信息。

Figure 4. 旋转开关的完整解决方案

此外，TI的3D霍尔传感器还有相应的GUI软件，配合着评估版可以直接在电脑端评估3D霍尔传感器的性能。可视化界面可以直接动态监测出对应的角度和磁感应强度。

4. 可靠性增强型的方案

有些产品是需要过很多安全认证的，这种类型的产品会对系统的可靠性以及抗干扰性有很高的要求。因为霍尔传感器在一定程度上都会受到外部磁场的影响，如果系统只使用单个或者两个霍尔传感器，这样的系统是无法规避所有的外部干扰的。针对这个问题，TI 有一套完整的解决方案。如下，两片DRV5032可以配合磁铁实现开关和方向控制功能。同时还有两片DRV5032做信号检测辅助系统识别外来的干扰信号。当系统有这样四个有效信号后，控制单元就可以充分的用逻辑判断出绝大多数的风险， 进而实现了增强系统可靠性的功能。TI的参考设计TIDA-060032详细的介绍了这套方案设计，可以根据系统需求进行参考。

同时方案中的线性霍尔传感器DRV5056可以实现对磁铁距离的线性监测并输出一个线性信号给到控制单元，进而可以实现调速等控制功能。

Figure 5. 可靠性增强型方案的模型

5. 参考文献

Designing Single and Multiple Position Switches Using TI Hall Effect Sensors (SLVAEH3)
DRV5032 Ultra-Low-Power Digital-Switch Hall Effect Sensor Data Sheet (SSLVSDC7E)
Contactless, Hall-Effect Variable-Speed Trigger Reference Design With External Field Protection (TIDA-060032)