磁性位置傳感器,已在功耗問題上大幅改善

磁性位置傳感器，已在功耗問題上大幅改善

工程師周亮 發表於 2018-10-13 10:33:00

在行動裝置和消費性應用領域，低功耗無疑是最主流的設計思維。不過，對許多其他應用領域的系統產品來說，低功耗也是產品設計時的重點。例如對不易接近地區安裝在偏遠地區的儀器、或是安裝在地下、海底等人類難以接近地點的感測系統來說，功耗越低，則維護的財務成本與作業難度就可以大幅降低。

在這類的應用中，系統不僅要低功耗，而且還必須極為強固，因為這類產品可能在溫度變化劇烈、高溼度、高壓或是有汙染物存在的環境下運作，其環境條件極為嚴苛。

在各種感測應用中，位置感測是很常見的應用需求，但過往的位置感測方法不是強固性有疑慮，就是功耗相對較高。不過，隨著技術進步，要實現兼具高強固性與低功耗特性的位置感測已經不再是問題。

位置感測應用無所不在 電位/光學編碼強固性有缺失

無論是在最簡單或最複雜的應用中，旋轉和線性位置感測都是很常見的需求。

一般而言，如果是要開發比較簡單的應用，設計人員通常傾向採用典型的電位器（Potentiometer）做為位置傳感器，要求較高的應用則通常會使用光學編碼器。然而，若將強固性和嚴苛條件耐受度加進需求列表中，則這些裝置都不是最理想的選擇。電位器容易發生各種電器及機械故障，造成組件失效。此外，不管是光學編碼器或電位器，其運作都很容易受到灰塵、汙垢、油脂和液體等汙染物的影響；劇烈撞擊或震動也會使這些裝置無法維持精確的測量輸出。

將傳感器加以密封，可以避免受到環境物質的汙染，然而這種方式很昂貴，而且可能會犧牲主機產品的組裝或機構設計，而且密封體的任何損壞或老化，可能會縮短傳感器系統的運作壽命。

磁性位置感測強固性佳 功耗問題已有大幅改善

除了光學編碼器之外，還有一種可以實現非接觸式感測的方式，亦即磁性位置感測。然而，以往對功耗要求較為嚴格的應用，大多不喜歡採用磁性位置傳感器，因為這類組件給人功耗很高的刻板印象。從磁性位置傳感器的運作模式來說，這樣的刻板印象並沒有錯，但是隨著技術進步，這樣的看法現在已經過時了。

儘管如此，磁性感測的原理還是值得研究，以便了解為何功率問題是引發設計人員疑慮的原因。由Edwin Hall發現的霍爾效應（Hall Effect），解釋了磁場如何影響流過導體的電流。簡單來說，霍爾效應電磁傳感器的工作原理，就是垂直作用於某導體的磁場（B）會影響流過導體的電流（I）（圖1）。一個兩極磁鐵的旋轉，會讓附近的導體感受到磁場強度隨著極性從N極擺蕩到S極並再次返回而有所變化。這種磁場的變化會成比例地影響流過導體的電流，這種持續變化的電流會形成導體的電壓 （VH），很容易測量。

圖1　霍爾效應解釋磁場如何影響流過導體的電流

在磁性位置傳感器（MPOS）中，電壓訊號可經數學運算轉換成角度或直線位移的測量結果。但為了使傳感器運作，需要有電流流過導體來啟動霍爾組件。

由於霍爾傳感器以這種方式汲取電流，所以相較其他技術，例如電位器及光學編碼器，霍爾傳感器一般會使用更多電流。現今的霍爾感測是使用矽組件來產生電壓，並將訊號處理和運算功能整合在單一電路中。然而，這種會被磁場影響的電流，仍是整個組件運作的核心。

MPOS有一個能勝過電位器的優點，有助於緩解功耗問題。電位器是一種被動式機電裝置，無法讓設計工程師配置其功率設定。電位器總是在開啟狀態，總是汲取相同的電流。而MPOS則是一種具有內建控制及配置電路的智能型裝置，可以實現各種低功耗設定。

MPOS最顯著的省電方式是電力循環，在停機（Stop）模式時，可以將功耗降至0。然而，MPOS在啟動時的確需要相較穩定運行時更多的電流，而且在啟動時也需要處理時間。如此一來，某個動作開始的時間，與MPOS提供位移量測的時間之間是有延遲，就成為一個問題。這點在某些應用中無法被接受。

還有另外一種降低MPOS耗電量的方法，也就是將傳感器中不重要的組件斷電，只有在需要量測時才提供電力給它們。越多的電路組件被斷電，則傳感器從斷電到可以開始採樣所需的時間就越長。

為協助設計師在任何特定應用中達成速度和功率之間的正確平衡，奧地利微電子最近發表了一系列旋轉MPOS，能提供使用者深度和淺度斷電的模式選擇。兩種低功率狀態以及「正常（Always On）」模式，各自支持不同的採樣速率。這讓設計師可以選擇適合整體系統功率需求的採樣速率。

在深度斷電模式，傳感器僅汲取3μA電流，最大功耗為9.9μW。另一種低功率模式會讓電源啟動（Power-On）重置電路保持作用；在這個模式中，晶片會汲取33μA 電流，最大功耗則是108.9μW。在「正常」模式，最大功耗是28mW。啟動此裝置所需的額定時間是580μs，而在樣本擷取以及產生中斷輸出至微控制器之間的延遲是500μs。

水下馬達驅動案例探究

說了這麼多關於MPOS的理論與操作，它們在嚴苛環境中實際運作的可靠性如何？

為了回答這個問題，筆者利用奧地利微電子的AS5055A標準型MPOS設計了一個簡單的水下馬達驅動應用。該組件會產生數字輸出，雖然無法立刻在示波器上看到，但是能顯示在圖形用戶接口（GUI）中。

AS5055A被安裝在標準型轉接板上，它的電源及輸出接腳和電線連接。整個電路板以DIY商店中常見的現成橡膠塗料塗覆（圖2）。

圖2　經過防護塗布的AS5055A位置傳感器轉接板。

準備完成後，將一個簡單型直流（DC）馬達和這個夾具連接，與馬達底端連接的一個直徑6mm的磁鐵，要位於轉接板上的AS5055A晶片的正上方（圖3）。

圖3　安裝在馬達上的磁鐵，位於AS5055A磁性位置傳感器的正上方。

組裝完成後，接著安裝背襯板並浸於2.5公分深的水中（圖4）。將電力傳送給馬達及轉接板電路，就可從圖5的GUI中看到來自AS5055A的感測輸出結果：由於連接AS5055A的接口是數字的，所以只會顯示實時的截圖。MPOS如預期地動作，GUI顯示的是被擷取到的角位移測量值。

圖4　AS5055A轉接板完全浸沒在水中。

圖5　來自浸於水中的AS5055A輸出數值

使用相同的塗布及沉浸方式，一個類似的測試輸出也顯示在示波器的顯示屏幕上（圖6）。這個三角波形顯示這個磁鐵持續進行360°旋轉。在0°時，來自MPOS的模擬輸出電壓為最小；在360°時為最大。這兩個測試顯示，該解決方案能可靠地運作。

圖6　在示波器上顯示AS5055A的輸出訊號

這種防護塗布能提供硬化MPOS的效果，使其能在嚴苛環境中運作。有趣的是，它的影響就如一些外來物，例如灰塵、油脂或汙垢的汙染作用一樣。這樣的硬化處理會讓電位器或光學編碼器完全失效，但MPOS的功能絲毫不會被影響。

低功率MPOS打開應用新領域

該如何使用這個新一代的低功率MPOS呢？電位器的接觸點以及光學編碼器的光學系統很容易因表面受損或變髒而影響到功能正常運作，磁性解決方案則不會受到這些因素影響。MPOS的功用是感測磁鐵的旋轉運動，而這個磁鐵和傳感器之間隔著1.5~3mm的空隙，沒有接觸點和移動部件，所以不會發生機械式耗損，也不會有灰塵、油脂或液體進入旋轉機構及弄髒光學碼轉盤（Optical Code Wheel）的情況發生。整體來說，在汙染較為嚴重的環境下，以MPOS取代電位器或光學編碼器，是較為可靠的選擇。

非接觸式感測方法的另一個好處是本質安全（Intrinsic Safety）。本質安全是一種防護技術，藉由限制可用來點火的能量，確保電子設備在危險區域的安全運作。由於是採用無摩擦式設計，所以非接觸式解決方案原本就不會有火花產生，可輕鬆實現符合本質安全需求的電路。

對於水下石油勘探和開採領域的電子設備製造商而言，低功耗運作也大有益處。在深水石油和天然氣設施中，遠程遙控和本質安全的傳感器是必要的。在這樣的應用中，低功耗以及不受高壓及浸沒於石油環境影響的磁性位置感測技術，有相當顯著的優勢。

在遠程或電池供電的設備，以及像是本質安全電路此類系統中，低功耗操作是基本要求，若還必需不受壓力、液體、塵土或髒汙的影響，則類似的位置傳感器，如電位器及光學編碼器，在沒有複雜及昂貴的屏遮和防護的情況下，都是不適用的。

因此，能提供可選擇支持低功率模式的新一代磁性位置傳感器，將可讓工程計師得以開發出精確、穩固的位置感測系統，同時滿足極低功耗的系統要求。

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