使用真正的微功率霍尔效应传感器使开关更智能

线性霍尔效应传感器可为消费者技术和物联网应用带来宝贵的优势,但必须实现功耗的显着降低,以满足设备设计人员和最终用户的期望

简介:更好的感知是进步的关键

感测的改进对于提供诸如智能电话,相机和游戏控制器之类的消费者设备所需的改进的用户体验是至关重要的,并且还需要实现物联网(IoT)的全部潜力。在消费者应用程序中,需要具有多功能功能的智能按钮来支持复杂的交互和基于手势的控件。在物联网中,感知微小移动或位置差异的能力允许控制器对资产状态做出准确的推断。例如,在用于智能建筑的安全系统中,基本传感器可以能够检测窗口是否关闭,而更智能的传感器可以通知系统窗口是锁定还是解锁。
与诸如操纵杆或游戏控制器等计算机配件中的现有技术相比,线性霍尔效应传感器提供了实现更复杂感测的手段,与机械开关等替代品相比。线性霍尔效应传感器提供非接触式位置传感解决方案,该解决方案高度可靠,便于设计。此外,与其他非接触式传感设备(如光学传感器)相比,线性霍尔效应器件不易出错。由于灰尘或其他污染物遮挡光学窗口造成的。线性霍尔效应传感器已广泛用于许多工业应用中,例如用于感测旋转阀的位置。

霍尔效应和线性传感器

霍尔效应是指当磁场作用于在导电材料中流动的电流时在导体上产生的可测量电压。该电压与流过的电流和垂直于导体的磁通量成比例,如图1所示。霍尔效应传感器IC集成了高增益放大和其他信号调理电路(如偏移消除),可在与其他逻辑或模拟电路兼容的电压下生成代表检测到的磁通量的输出。
霍尔效应诊断
图1.使用霍尔效应传感器IC检测磁通量。
A wide variety of Hall effect devices are available: sensors with a digital output can be used as proximity switches in applications such as open/close detection for laptop PCs, by embedding a small magnet in the lid. A linear Hall effect sensor, on the other hand, is capable of generating an analog output proportional to the distance of a magnet from the sensor. This type of sensor can be used in a slide-by mechanism, to detect the position of a magnet moving past the sensor. For example, as the bar magnet moves past the sensor the output voltage varies as the flux density changes from zero when the magnet is far away to maximum negative flux due to the proximity of the magnet North pole, through zero when the magnet is centrally located over the sensor, and to maximum positive due to proximity of the South pole. As the magnet continues to move past, the sensor output moves towards zero.
当磁铁朝向或远离传感器的表面移动时,线性装置的另一主要操作模式是正面感测。在这种情况下,当磁体最靠近传感器时,磁通量和输出电压从零变为最大值。图2显示了当磁体靠近IC表面时,线性霍尔效应传感器IC的输出电压如何随磁场强度变化。
MagFlux
图2.线性霍尔效应器件的传输曲线。

功率意识应用

尽管霍尔效应最初是在19世纪发现的,但是商业霍尔效应传感器IC最近已经实现,其中集成了低噪声放大器和能够产生可用输出电压的信号处理电路。随后,霍尔效应传感器(包括线性装置)已广泛用于工业接近和位置感测任务,例如液位传感和阀位控制。
在消费类便携式设备中,线性霍尔效应传感器提供了引入使用传统机械开关难以实现的额外功能的机会,因为传感器不仅可以检测按钮已被按下,而且还可以准确地确定按钮的位置。这允许在相机电话或数码单反相机等设备中使用多功能按钮,这些按钮具有半按功能可自动对焦,全按此按钮可用于快门释放。同样,使用线性霍尔效应传感器允许游戏控制器的按钮控制额外的功能或感知更复杂的玩家手势。
另一方面,这些新兴应用对线性霍尔效应传感器提出了更严格的要求。特别是,超低功耗已成为确保先进功能而不会影响电池寿命的绝对必要条件。例如,物联网设备通常需要通过小型电池或能量收集系统自主运行5年,10年甚至20年。由传统霍尔效应传感器吸取的少量毫安可能足以防止设计人员实现所需的免维护使用寿命。就消费电子产品而言,任何明显的电池寿命缩短都可能会损害市场吸引力。

真正的微功率传感器

在线性霍尔效应传感器可用于检测按钮位置的许多情况下,传感器IC仅需要在需要位置信息的短暂时间内完全运行。向IC引入电源管理有助于在不需要传感时避免不必要的能耗。
一些传感器,例如二极管的AH8500AH8501,都有一个启用引脚,允许主机控制工作模式。默认情况下,内部下拉使传感器保持在睡眠模式,典型电流仅为8.9μA。将使能引脚驱动为高电平会使器件进入工作模式,默认采样频率为6.25kHz,典型电流消耗为1.16mA。或者,PWM信号可用于设置高达7.14kHz的自定义采样率。
通过提供启用引脚,这些设备适用于各种物联网应用,例如智能建筑安全或入口控制系统,其中有信号可用于激活传感器。另一方面,诸如照相机,移动设备和游戏终端之类的消费者设备可能无法预测用户何时可能按下按钮,因此将无法将Enable引脚驱动为高电平。然而,用户期望瞬时响应。对于这种类型的应用,AH8502AH8503默认情况下,在微功率模式下工作时,默认采样率为24Hz,典型值仅为13μA。当检测到活动时,传感器可以在turbo模式下运行,并在需要时提高采样率。提供一个控制引脚,允许系统将采样率调整到7.14kHz的最大值,吸收1.16mA的电流。
增强的电源管理,例如在空闲时关闭模拟电路和ADC,以及在周期之间应用正在申请专利的节能技术,与其他低功耗线性相比,这些器件可在正常,睡眠和微功耗模式下消耗更低的电流霍尔效应传感器。
这些器件集成了信号调理电路,包括一个8位ADC和DAC,如图3所示,因此可生成8位分辨率的模拟输出,适用于各种物联网和消费类应用。
断路器
图3.集成信号调理提供8位模拟分辨率
对于需要高精度的应用,AH8501(带有使能引脚)和AH8503可选择修整输出,确保精度灵敏度在±3%以内。结合±3%的极低温度系数,可确保最大灵敏度变化在±6%以内。这明显优于价格接近的替代品的灵敏度精度,并且与目前市场上最昂贵的线性霍尔效应传感器相比更具优势。未经修整的AH8500(带有使能引脚)和AH8502的灵敏度精度在±15%以内,并且可以灵活地在生产线上执行校准。
线性霍尔效应传感器通常在I / O上集成ESD保护,但所提供的保护级别通常仅高达1kV或2kV。通过提供能够承受高达6kV的增强保护,AH850x系列可以更好地抵抗生产过程中或最终用户手中工厂车间遇到的危险。
增强的ESD保护减少了对外部保护元件的需求,从而提供诸如降低材料成本和节省PCB空间等优势。除了消费者手机之外,增强的保护还允许这些设备用于家用电器,例如咖啡机以及工业应用。

结论

自从第一批商用IC进入市场以来,霍尔效应传感器迅速普及,特别是在需要高可靠性,非接触位置或接近检测的工业应用中。
物联网的出现以及消费电子市场对改善用户体验的持续需求是两大趋势,现在为霍尔效应传感器带来了巨大的额外机会,特别是能够支持复杂功能的线性传感器,如多功能按钮。即使在某些微功率传感器中,相对较高的功耗也限制了这些器件的使用,但最新一代真正的微功率线性霍尔效应传感器现在能够以可接受的低功耗实现复杂的位置传感。高精度,增强的集成ESD保护和操作灵活性进一步提升了这些先进器件的可用性。

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