摘要：本文簡要介紹霍耳傳感器，特別是汽車和工業(yè)領(lǐng)域的2線、霍耳數(shù)字開關(guān)的應(yīng)用。詳細(xì)介紹了利用完全集成的霍耳傳感器接口在汽車和工業(yè)應(yīng)用中增加診斷功能和可靠保護(hù)的方法，本文提供了對地電位偏差承受能力的測試結(jié)果。

引言

霍耳效應(yīng)的原理是磁場與導(dǎo)體中流過的電流相垂直時，流過電流的導(dǎo)體兩側(cè)會出現(xiàn)電勢差。

霍耳效應(yīng)傳感器基于這一原理檢測磁場的變化，輸出與之成比例變化的電壓，可以實(shí)現(xiàn)無接觸檢測，因此能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的封裝，不受環(huán)境因素的影響。

由于在惡劣環(huán)境中具有較高的可靠性，霍耳傳感器被普遍用于工業(yè)和汽車領(lǐng)域，從車窗升降和天窗控制電機(jī)速度的調(diào)節(jié)到車門開/關(guān)檢測及鑰匙點(diǎn)火系統(tǒng)。

霍耳傳感器的類型

目前有各種類型的霍耳傳感器，例如3線和2線數(shù)字傳感器、線性傳感器、電流傳感器以及雙極性或單極性數(shù)字開關(guān)等。2線傳感器有兩個連接點(diǎn)：電源/輸出和地，3線傳感器的電源和輸出采用單獨(dú)的連接點(diǎn)。

2線霍耳數(shù)字開關(guān)通常用于汽車和工業(yè)領(lǐng)域，在這類應(yīng)用中，抗噪聲能力非常關(guān)鍵，要求霍耳傳感器與相關(guān)電子器件之間的電氣隔離。霍耳傳感器工作時總會吸收一定的電流，這種電流模式信號抗噪聲能力較強(qiáng)，有助于進(jìn)行簡單診斷。

這些傳感器提供兩種不同的電流電平，具體取決于是否有磁場。電流電平會因?yàn)椴煌膫鞲衅鲝S商而有所差異，但低電平范圍一般在5mA至8mA (沒有磁場)，高電平范圍在11mA至14mA (有磁場)。

霍耳傳感器接口

MAX9921是首款用于2線霍耳數(shù)字開關(guān)與微控制器接口的集成方案。它具有兩個獨(dú)立通道，為兩個傳感器提供電流通路，監(jiān)測電流電平，每個通道通過開漏輸出為微控制器產(chǎn)生一路數(shù)字輸出，圖1所示為器件結(jié)構(gòu)圖和典型應(yīng)用電路。


圖1. MAX9921結(jié)構(gòu)圖和典型應(yīng)用電路

作為一款高靠性IC，MAX9921設(shè)計(jì)用于惡劣的工作環(huán)境，例如工業(yè)和汽車等應(yīng)用。器件工作在6V至18V電池電壓范圍，可以承受最高60V的瞬變電壓(拋負(fù)載)。霍耳輸入端集成了對地短路保護(hù)、電源短路保護(hù)以及高達(dá)±15kV的靜電放電(ESD)保護(hù)功能。內(nèi)部輸入保護(hù)電路省去了外部電路，從而降低成本和空間。

MAX9921的兩個通道獨(dú)立工作，器件對每路輸入提供診斷和故障保護(hù)。診斷模式下，診斷輸出結(jié)合兩個獨(dú)立通道輸出，提供基本的診斷信息，監(jiān)視傳感器的工作狀態(tài)。診斷功能包括：輸入開路(沒有接傳感器)、輸入短路至地、輸入短路至電池電壓(VBAT)以及VBAT超出范圍等。診斷功能可以識別出兩路輸入中的哪一路受到以上故障的影響。集成的診斷輸出電路無需固件執(zhí)行這一功能，也不需要微控制器的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)測量霍耳電流。

較高的地電位差承受能力可減少連線

雖然MAX9921是面向2線霍耳傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)，但該器件也可以用于實(shí)現(xiàn)霍耳傳感器的單線接口。其高邊電流檢測拓?fù)涫蛊淠軌虺惺茌^高的傳感器與MAX9921和微控制器地之間的地電位差。較高的地電位差承受力可以避免使用地連接線(例如，汽車底盤的地連接線)，支持霍耳傳感器的單線接口。

圖2所示電路用于測試MAX9921對地電位差的承受能力。電路沒有使用霍耳傳感器，而是使用了可編程負(fù)載，用于吸收電流，可以在較大范圍內(nèi)設(shè)置電流，精度達(dá)到所選滿量程值的0.1%。試驗(yàn)中選擇了10mA滿量程值，精度達(dá)10μA。如圖3所示，MAX9921帶滯回的電流門限小于1mA，確保在惡劣環(huán)境或嘈雜環(huán)境下可靠工作。


圖2. 測試MAX9921地電位差承受能力的電路


圖3. MAX9921的電流閾值和滯回

在第一個試驗(yàn)中，流入可編程負(fù)載的電流置為9.05mA，比MAX9921輸出從低電平(~0V)切換到高電平(~5V，上拉電阻接5V)的閾值低50μA。通過直流電壓發(fā)生器(V)，可編程負(fù)載地電位與MAX9921地電位的差。如表1所示，VBAT = 12V，MAX9921的門限能夠承受高達(dá)±8V的地電位差!

表1. 電流門限為9.05mA時可承受的地電位差

ISENSOR (mA)	VGND (V)	VIN (V)	VOUT (V)
9.05	-8	10.8	0
	-4
	-2
	0
	+2
	+4
	+8	10.9

進(jìn)行類似試驗(yàn)，測試8.2mA由高電平到低電平切換電流門限的可靠性。電流置為8.25mA，即使地電位相差±8V，MAX9921輸出也不會發(fā)生翻轉(zhuǎn)(表2)。

表2. 電流門限為8.2mA時可承受的地電位差

ISENSOR (mA)	VGND (V)	VIN (V)	VOUT (V)
8.25	-8	10.8	5
	-4
	-2
	0
	+2
	+4
	+8	10.9

MAX9921的高邊電流檢測拓?fù)涫乖撈骷軌虺惺軅鞲衅髋c接口之間高達(dá)±8V的地電位差。這在霍耳傳感器距離邏輯電路(MAX9921接口和微控制器)較遠(yuǎn)的應(yīng)用中特別重要。在類似應(yīng)用中，MAX9921可以省去器件本身與霍耳傳感器之間的地連接線，從而節(jié)省了成本和空間。

結(jié)論

MAX9921較高的地電位差承受力、輸入保護(hù)電路、高達(dá)60V的耐壓以及診斷功能使得MAX9921成為汽車、工業(yè)等惡劣環(huán)境下霍耳傳感器與微控制器接口的理想選擇，提供完備、可靠的集成方案。