差分霍爾效應傳感器:使未來的兩輪車應用更安全、更可靠

在兩輪和三輪車輛應用中，對於發動機、變速器和車輪速度等進行控制的電子設備使用正在快速增長，特別是在發展中國家。這一趨勢主要由改善全球空氣品質，提高燃油效率和車輛安全性等要求驅動。tXSednc

這些系統的控制需要能夠在惡劣環境下工作的可靠的磁傳感器和目標，其中常見的挑戰是在車輛運行期間存在由電機和線圈引起的共模噪聲和雜散場幹擾。齒輪磨損、損壞以及目標輪混入鐵屑都會導致控制信號的減小或丟失。tXSednc

車輛控制中使用的兩種常見傳感器類型是單霍爾和差分霍爾效應傳感器。雖然可以使用單霍爾效應傳感器，但差分霍爾效應傳感器可針對下列各種系統可靠性挑戰提供卓越的解決方案。tXSednc

單霍爾與差分霍爾效應傳感器對比

單霍爾效應傳感器產生的信號與目標齒/谷的形狀有關，其中在目標輪齒形比較大時峰值場水平最好。信號基線取決於齒距和磁體設計，並且可能隨著氣隙和齒輪尺寸的變化而發生偏差或漂移，結果往往體現在對發動機正時控制非常重要的邊緣精度降低（圖1。為了減輕這些影響，需要複雜的磁體系統來提供接近零的基線場（baseline field）。另一種方法是在傳感器設計中添加複雜的電路，以最小化和校正偏差或漂移。tXSednc

在一些基本的兩輪和三輪車輛應用中，這些傳感器已經成功地用於基本的發動機或變速器控制系統，一個不斷加強的趨勢是某些車型正在具有更高的電氣化水平，包括發動機正時和變速器控制。在這些應用中，單霍爾效應傳感器通常缺乏抗雜散場和抑制噪聲能力，因而不能滿足較新的車型要求。tXSednc

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圖1：單霍爾效應傳感器tXSednc

單霍爾效應傳感器可檢測大目標輪，需要注意窄小目標輪的偏差偏移。tXSednc

差分霍爾效應傳感器提供在目標齒/谷上進行邊緣感測的信號，信號形狀大致為正弦波，最高為峰-峰值磁場的兩倍（圖2）。tXSednc

差分信號的偏差可以被補償，所用差分信號相對零高斯對稱。因而差分磁體系統可以是具有高共模磁場的簡單磁體，與單霍爾效應傳感器相比，這有助於改善整體氣隙性能。tXSednc

差分霍爾效應傳感器及其相關的信號處理電路能夠針對噪聲和雜散場提供出色的抗幹擾和共模抑制能力。通過減法和偏移降低電路可以減少由於安裝公差或氣隙變化引起的基線漂移。這些技術的組合能夠為車輛提供所需的性能和可靠性，增強了電氣化以及複雜發動機正時和變速箱控制。此外，這些傳感器的邊緣檢測能力使它們可用於各種目標幾何形狀，特別是在大多數兩輪車輛應用中較多的小尺寸目標輪。tXSednc

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圖2：差分霍爾效應傳感器tXSednc

差分霍爾效應傳感器能夠檢測目標邊緣，目標特徵沒有偏差偏移。tXSednc

抗雜散場能力

交流（AC）和直流（DC）產生的雜散場可存在於車輛動力傳動系統和控制系統中，這對於速度或方向感測是一個很大挑戰。單霍爾效應傳感器無法補償或抑制DC和AC雜散場。在圖3中，水平虛線表示器件開關點電平（例如625 G和635 G），在無雜散場條件下能夠輸出切換。在有DC雜散場時，由DC雜散磁場帶來的信號漂移使磁場水平漂移到切換點閾值之外，導致沒有切換和輸出平坦線。同樣，如果存在AC雜散場，也不能充分地抑制噪聲，並使器件圍繞噪聲頻率「顫動」，如輸出開關波形所示（圖3）。這種增大的噪聲可能導致系統控制和時序錯誤，因而可能會影響車輛的可靠性和性能。tXSednc

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圖3：雜散場幹擾對單霍爾效應器件的影響。tXSednc

單霍爾效應傳感器無法充分消除或抑制雜散場幹擾。tXSednc

能夠減輕雜散磁場影響並減少或消除AC和DC幹擾信號的解決方案是差分霍爾效應傳感器。差分配置和電路能夠取消施加到傳感器霍爾探頭的共模場。 Allegro的獨特差分架構進一步提高了傳感器性能和抗外部幹擾的穩定性。tXSednc

圖4顯示了正常運行與存在AC和DC雜散場幹擾條件下的比較。在DC雜散場存在時，上兩條跡線顯示施加到每個霍爾效應元件的DC場，下部的跡線則是後續的差分輸出，這顯示了消除和保持基線接近零高斯的效果。在AC雜散場示例中，AC共模噪聲施加於每個霍爾效應元件，由於傳感器差分輸入和共模噪聲消除（抑制），能夠得到乾淨的差分輸出（下部跡線）。在兩種雜散場情況下，都能保持信號完整性和正確的輸出切換。此外，差分霍爾效應傳感器還可以同時處理DC和AC都同時存在的情況。tXSednc

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圖4：雜散場幹擾對差分霍爾效應器件的影響。tXSednc

差分霍爾效應傳感器能夠消除並抑制雜散場幹擾。tXSednc

抗安裝公差影響的能力

雖然單霍爾效應傳感器的運行與安裝方向無關，但安裝後可能會發生位置變化，這種位置變化或許引起偏移和信號幅度減小。圖5顯示了可能的傳感器位移情況，這些位置變化導致與絕對（安裝）值產生偏差，從而出現DC偏移。圖6例證顯示了偏差可以導致信號電平下降到低於開關閾值（虛線），導致沒有切換和輸出平坦線。tXSednc

通過使用差分傳感器，可以消除由於安裝位置變化引起的任何偏移，並保持基線接近零高斯。這可確保信號保持在器件切換閾值範圍內，從而無論位置如何變化，都能保持正常切換（圖7）。tXSednc

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圖5：霍爾效應傳感器針對目標的方位。tXSednc

安裝後可能的位置變化。tXSednc

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圖6：安裝引起的偏移對單霍爾效應傳感器的影響。tXSednc

單霍爾效應傳感器容易出現輸出平坦線，沒有切換tXSednc

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圖7：安裝引起的偏差偏移對差分霍爾效應傳感器的影響。tXSednc

差分霍爾效應傳感器能夠保持正常輸出切換。tXSednc

抗突然氣隙變化影響的能力

「突然」是指從一個目標特徵（齒輪齒和谷）到下一個目標特徵的氣隙變化，而這種變化並不是給定目標輪正常特徵的一部分。例如，突然的氣隙變化可能是由齒彎曲或缺失造成的損壞或鐵質物體和碎屑侵入目標輪表面引起的。圖8示出了由於齒彎曲導致目標輪氣隙減小以及單霍爾效應傳感器和差分霍爾效應傳感器產生的相關磁場信號示例。tXSednc

在採用單霍爾效應傳感器時，氣隙變化導致偏差偏移和幅度變化超出切換閾值（虛線）。一旦信號到達此點，傳感器就會停止切換並輸出平坦線。tXSednc

差分霍爾效應傳感器能夠消除偏差偏移量，並可測量信號幅度變化，結果信號保持基線接近零高斯。這能夠使信號在器件切換閾值內，從而確保器件繼續提供輸出切換，而不受偏差偏移和氣隙減小影響。tXSednc

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圖8：突然氣隙變化引起的偏移對霍爾效應傳感器的影響。tXSednc

單霍爾效應傳感器對氣隙變化非常敏感， 差分霍爾效應傳感器對氣隙變化靈敏度較低。tXSednc

抗動態氣隙變化影響的能力

在目標輪旋轉時，可以發生逐漸的或突然的氣隙變化，導致動態氣隙變化。 目標輪每轉一圈這種不連續性通常一致，， 最終結果是信號振幅的變化體現多個目標輪信號特性。 這種情況下，要求傳感器能夠適當地適應變化的信號，以便可以繼續切換。tXSednc

對於兩輪和三輪車輛應用，一種形式的氣隙動態變化是目標輪跳動或擺動。 跳動是一種與目標輪每次旋轉相關的氣隙變化，並且是逐漸地（在多個齒上）發生，如圖9所示。一些常見的原因包括軸位置偏心、目標輪偏心、目標輪損壞/翹曲或在軸/軸承上產生了其他載荷。tXSednc

總有效 氣隙（TEAG）tXSednc

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圖9：跳動/擺動對總有效氣隙（TEAG）的影響。tXSednc

使用單霍爾效應傳感器發生跳動或擺動時，通過測量偏差和幅度變化，信號可能會降至開關點閾值以下並丟失，致使速度脈衝丟失（圖10），導致出現系統錯誤或故障。tXSednc

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圖10：跳動/擺動對單霍爾效應傳感器的影響。tXSednc

單霍爾效應傳感器對氣隙變化非常敏感。tXSednc

差分霍爾效應傳感器能夠消除偏差，防止基線偏移（圖11），使信號保持在器件切換點閾值的中心，即使在信號變化的情況下也能繼續正確切換。tXSednc

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圖11：跳動/擺動對差分霍爾效應傳感器的影響。tXSednc

差分霍爾效應傳感器對氣隙變化不太敏感。tXSednc

改進信號完整性和系統性能的其他方法

兩輪和三輪車輛的電氣化程度將繼續變得越來越高，為了實現發動機、變速箱和輪速電子控制的最安全、最可靠性能，差分霍爾效應傳感器是優於單霍爾效應傳感器的出色解決方案。tXSednc

為了進一步改善信號完整性和系統性能，請考慮以下建議：tXSednc

1. 使用封裝內集成有電容的傳感器，通過減小電容和其他器件電路之間的電阻來改進EMC性能。這種方法還能夠減少裝配分立元件的輔助印刷電路板（PCB），從而降低系統總體成本。
2. 採用IC和優化的背磁磁體一體成型封裝，可以使得生產製造簡單，，且在整個溫度範圍內具有一致的性能和增強的可靠性。
3. 使用經過驗證的抗幹擾能力強的峰值檢測算法。

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