電子設計 發表於 2019-02-27 09:11:00
傳感的改進對於提供智慧型手機，相機和遊戲控制器等消費設備所需的改善用戶體驗至關重要，同時也需要充分發揮其潛力。物聯網（IoT）。在消費者應用程式中，需要具有多功能功能的智能按鈕來支持複雜的交互和基於手勢的控制。在物聯網中，感知微小移動或位置差異的能力使控制器能夠對資產狀態做出準確的推斷。例如，在用於智能建築的安全系統中，基本傳感器可能能夠檢測窗口是否關閉，而更智能的傳感器可以通知系統窗口是鎖定還是解鎖。
線性與機械開關等替代品相比，霍爾效應傳感器提供了實現更複雜感測的手段，機械開關通常是計算機配件（如操縱杆或遊戲控制器）中的現有技術。線性霍爾效應傳感器提供非接觸式位置傳感解決方案，該解決方案高度可靠，便於設計。此外，與其他非接觸式傳感設備（如光學傳感器）相比，線性霍爾效應器件不容易出錯。可能是由灰塵或其他汙染物遮擋光學窗口造成的。線性霍爾效應傳感器已廣泛應用於眾多工業應用中，例如用於檢測旋轉閥的位置。
霍爾效應和線性傳感器
霍爾效應指的是當磁場作用在導電材料中流動的電流時，導體上產生的可測量電壓。該電壓與流過的電流和垂直於導體的磁通量成比例，如圖1所示。霍爾效應傳感器IC集成了高增益放大和其他信號調理電路（如偏移消除），可在與其他邏輯或模擬電路兼容的電壓下生成代表檢測到的磁通量的輸出。
圖1：使用霍爾效應傳感器IC感應磁通量。
提供各種霍爾效應器件：帶傳感器的傳感器通過在蓋子中嵌入小磁鐵，數字輸出可以用作筆記本電腦的開/關檢測等應用中的接近開關。另一方面，線性霍爾效應傳感器能夠產生與磁體距傳感器的距離成比例的模擬輸出。這種類型的傳感器可用於滑動機構，以檢測移動經過傳感器的磁鐵的位置。例如，當條形磁鐵移過傳感器時，輸出電壓隨磁通密度從磁鐵遠離時的零變化到磁鐵北極附近的最大負磁通量而變化，當磁鐵位於中心時磁通密度變為零位於傳感器上方，由於靠近南極而達到最大值。隨著磁鐵繼續移動，傳感器輸出向零移動。
當磁鐵朝向或遠離傳感器的表面移動時，線性裝置的另一主要操作模式是正面感應。在這種情況下，當磁體最靠近傳感器時，磁通量和輸出電壓從零變為最大值。圖2顯示了線性霍爾效應傳感器IC的輸出電壓如何隨著磁場強度的變化而變化，因為磁體更靠近IC表面。
圖2：線性霍爾效應器件的傳遞曲線。
功耗敏感的應用
儘管霍爾效應最初是在19 th 世紀，商業霍爾效應傳感器IC最近已經實現，其中集成了低噪聲放大器和能夠產生可用輸出電壓的信號處理電路。隨後，霍爾效應傳感器（包括線性設備）已廣泛用於工業接近和位置傳感任務，如液位傳感和閥門位置控制。
在消費類可攜式設備中，線性霍爾效應傳感器提供有機會引入使用傳統機械開關難以實現的額外功能，因為傳感器不僅可以檢測按鈕已被按下，而且還可以準確地確定按鈕的位置。這允許在相機電話或數碼單眼相機等設備中使用多功能按鈕，這些按鈕具有半按功能可自動對焦，全按此按鈕可用於快門釋放。同樣，使用線性霍爾效應傳感器可以讓遊戲控制器的按鈕控制額外的功能或感知更複雜的玩家手勢。
另一方面，這些新興應用對線性提出了更嚴格的要求。霍爾效應傳感器。特別是，超低功耗已成為確保先進功能而不會影響電池壽命的絕對必要條件。例如，物聯網設備通常需要通過小型電池或能量收集系統自主運行5年，10年甚至20年。由傳統霍爾效應傳感器吸取的少量毫安可能足以防止設計人員實現所需的免維護使用壽命。就消費電子產品而言，任何明顯的電池壽命縮短都可能會損害市場吸引力。
真正的微功率傳感器
在線性霍爾效應傳感器可用於檢測按鈕位置的許多情況下，傳感器IC只需在位置短時間內完全運行信息是必需的。向IC引入電源管理有助於在不需要感應時避免不必要的能耗。
某些傳感器（如二極體AH8500和AH8501）具有啟用引腳，允許主機控制操作模式。默認情況下，內部下拉使傳感器保持在睡眠模式，典型電流僅為8.9μA。將使能引腳驅動為高電平會使器件進入工作模式，默認採樣頻率為6.25 kHz，典型電流消耗為1.16 mA。或者，PWM信號可用於設置高達7.14 kHz的自定義採樣率。
通過提供使能引腳，這些器件適用於各種物聯網應用，例如智能建築安全或入口控制系統，其中有信號可用於激活傳感器。另一方面，諸如照相機，行動裝置和遊戲終端之類的消費者設備可能無法預測用戶何時可能按下按鈕，因此將無法將Enable引腳驅動為高電平。然而，用戶期望瞬時響應。對於這種類型的應用，AH8502和AH8503默認工作在微功率模式下，默認採樣率為24 Hz，典型值僅為13μA。當檢測到活動時，傳感器可以在turbo模式下操作，並在需要時提高採樣率。提供一個控制引腳，允許系統將採樣速率調整到7.14 kHz的最大值，電流為1.16 mA。
增強電源管理，例如關閉模擬電路和ADC時閒置，並在循環之間應用正在申請專利的節能技術，與其他低功耗線性霍爾效應傳感器相比，這些器件可以在正常，睡眠和微功率模式下消耗更低的電流。
器件集成了信號調理電路，包括一個8位ADC和DAC，如圖3所示，因此可生成8位解析度的模擬輸出，適用於各種物聯網和消費類應用。
圖3：集成信號調理提供8位模擬解析度。
對於需要高精度的應用，AH8501（帶有使能引腳）和AH8503可用可選擇修剪輸出，確保精度靈敏度在±3％以內。結合±3％的極低溫度係數，可確保最大靈敏度變化在±6％以內。這明顯優於價格接近的替代品的靈敏度準確度，並且與目前市場上最昂貴的線性霍爾效應傳感器相比是有利的。未經修整的AH8500（帶有使能引腳）和AH8502的靈敏度精度在±15％以內，並且可以靈活地在生產線上執行校準。
線性霍爾效應傳感器通常可以集成I/O上的ESD保護，但提供的保護級別通常僅高達1 kV或2 kV。通過提供強大的保護，能夠承受高達6 kV的電壓，AH850x系列產品可以更好地抵抗生產過程中或最終用戶手中工廠所遇到的危險。
增強的ESD保護可以減輕需要外部保護元件，這些元件具有降低材料成本和節省PCB空間等優勢。除消費者手機外，增強保護還允許這些設備用於家用電器，如咖啡機以及工業應用。
結論
自從第一批商用IC進入市場以來，霍爾效應傳感器迅速普及，特別是在需要高可靠性，非接觸位置或接近檢測的工業應用中。
物聯網的出現，以及消費電子市場對改善用戶體驗的持續需求，是兩大趨勢，現在為霍爾效應傳感器提供了巨大的額外機會，特別是能夠支持多種複雜功能的線性傳感器功能按鈕。即使在某些微功率傳感器中，相對較高的功耗限制了這些器件的使用，但最新一代真正的微功率線性霍爾效應傳感器現在能夠以可接受的低功耗實現複雜的位置傳感。高精度，增強的集成ESD保護和操作靈活性進一步提升了這些先進設備的可用性。
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