关于霍尔传感器的五个误区解读

本文编译自德州仪器e2e社区

霍尔效应传感器通常用于汽车和工业系统，用于接近检测、线性位移检测和旋转编码器等应用。目前，现代应用对系统性能的高要求，需要IC 制造商推出高灵敏度精度、集成更多功能、扩展可用的传感方向并降低其功耗——这有助于将霍尔效应传感器的使用范围扩大到未来几十年。

本文讨论了有关霍尔效应传感器以及实际应用的各种常见误解。

误区 1：霍尔效应传感器仅提供简单的开关信息。

许多机电设计需要使用传感器检测物体，该传感器提供一个简单的逻辑信号来指示其存在或不存在。一个示例是打开和关闭笔记本电脑盖子时，霍尔传感器可以感知并决定何时打开或关闭电源。另一个例子是门窗传感器中的入侵事件。这些应用通常使用一个简单的霍尔效应开关，一旦超过内部磁阈值，该开关就会切换其输出电压。虽然这些霍尔效应开关很有用，但它们并不是唯一可用的霍尔效应传感器类型——锁存器和线性器件也很常见。与开关相比，主要用于旋转编码的锁存器仅在存在与其先前经历的相反磁极性时才会切换其输出。对于精确的位移测量，则需要线性霍尔效应传感器，因为它们可以以高分辨率定义物体相对于传感器的位置——提供的信息远不止开关信息。图 1 说明了每种传感器的传递函数。

图 1：霍尔效应开关 (a) 和 (b)、锁存器 (c) 和线性传感器 (d) 和 (e) 输出响应。

误区 2：霍尔效应传感器无法实现低功耗解决方案

虽然某些霍尔效应传感器确实会消耗个位数毫安范围内的电流，因此不适合电池供电的应用，但也有其他霍尔效应开关支持低采样率（5 Hz 或更低）并将平均电流降低至小于1 µA。这些设备在高功率活动测量状态和超低功率睡眠状态之间循环，以实现低功耗。由于活动状态 (tactive) 持续时间比睡眠间隔 (ts) 短得多，因此总平均电流消耗非常低（参见图 2）。

图 2：功耗时序图。

误区 3：霍尔效应传感器的工作范围非常有限

还有一些人认为霍尔效应传感器没有很好的实际使用范围，因为磁场随距离呈指数衰减。然而，具有高灵敏度的霍尔效应传感器可以从很远的距离检测到有用的磁场。以 DRV5032 为例。表 1 显示了使用小型低成本铁氧体磁铁（12 mm x 12 mm x 6 mm）提供的所有器件变体的正面感应距离。灵敏度最低的 DRV5032ZE 可以检测到 4.0 mm 到 7.5 mm 的磁铁，而 DRV5032FA 的检测范围在 18.7 mm 到 44.6 mm 之间。如果使用更坚固、尺寸相同的 52 级 NdFeB 磁体，该检测距离将增加到近 3 英寸。

表 1：两个 DRV5032 霍尔效应开关变体的正面感应距离。

误区 4：霍尔效应传感器至少需要三根线

市场上绝大多数霍尔效应传感器只有三个引脚——VCC（电源）、输出和 GND（接地）——因此一般认为必须将三根线连接到传感器。如图 3a 所示，一个漏极开路、电压输出、三针霍尔效应开关仅用两根电线就可以实现远程连接。当感应到磁场时，器件会通过 GND 引脚产生电流输出。如果未检测到磁场，则器件的输出将不会产生任何电流，进而不会通过 GND 引脚产生输出电流。请注意，确定电阻器的逻辑状态需要一个模数转换器（可以集成到微控制器中）和一个外部电阻器。但是这样会受到干扰产生无效的电压电平。

确保可靠的数据传输需要电流输出，来减少或消除信号失真。TMAG5124 是一种双引脚解决方案，仅需电源电压和接地即可运行。图 3b 显示了如何通过使用 GND 引脚来传输低电平或高电平电流（均在毫安范围内）。

图 3：使用电压输出霍尔效应开关 (a) 和电流输出 TMAG5124 (b) 的两线制遥感。

误区 5：使用霍尔效应传感器时，磁铁放置不灵活。

磁铁相对于传感器的位置取决于许多因素——一些是系统级因素，而另一些是传感器本身固有的。决定磁体放置的外部系统因素主要是磁体尺寸、磁体材料类型和工作温度范围。磁铁越大，产生的磁场就越大。在最常用的磁铁中，钕铁硼 (NdFeB) 磁铁产生最强的磁场，因此它们的尺寸通常较小。在选择磁铁时散热也很重要，因为它通常会降低产生的磁场。

影响传感器特定磁体放置的主要因素是灵敏度水平、传感方向（平面内与平面外）、封装产品、板载传感器数量和可配置性。灵敏度更高的霍尔效应传感器可以检测到更远的磁铁。大多数霍尔效应开关和锁存器检测垂直于封装表面的磁场，但有些可以检测封装的水平方向。 TMAG5123 就是一个很好的例子，当垂直放置不方便时，水平放置设计就提供了更大的机械灵活性。另一个例子是使用能够监控多轴的二维双通道锁存器；您几乎可以将它们放置在与磁铁相关的任何位置。

结论

霍尔效应传感器的使用如此广泛，以至于我几乎每天都听到一种新颖有趣的新应用。我的期望是，TI创新的霍尔传感器可以激发您对下一代设计的想法。