之前的文章中，我們聊到了磁鐵的類型以及其如何在同軸模式下與MPS MagAlpha傳感器一起使用。本文將在這里探討另一種“側(cè)軸”模式拓?fù)?。MPS MagAlpha傳感器在IC的中心使用了一系列霍爾陣列，該霍爾元件可感應(yīng)到來(lái)自旋轉(zhuǎn)磁體磁場(chǎng)的水平矢量。這種磁場(chǎng)通常位于傳感器上方或側(cè)面的一對(duì)徑向磁化的磁極（見(jiàn)圖1）。

圖 1：MagAlpha 傳感器同軸和側(cè)軸模式

側(cè)軸拓?fù)溆袃煞N形式：一種為“標(biāo)準(zhǔn)”側(cè)軸模式，其傳感器封裝表面與磁鋼的旋轉(zhuǎn)軸相互垂直；另一種為“正交”側(cè)軸模式，其傳感器封裝表面與磁鋼的旋轉(zhuǎn)軸平行。與同軸模式相比，這兩種設(shè)計(jì)過(guò)程中都需要更多的考慮，而MPS 磁仿真工具可以提供一種有效的方法，能在進(jìn)行真正的機(jī)械設(shè)計(jì)之前對(duì)方案進(jìn)行性能評(píng)估。

介紹

當(dāng)將MagAlpha傳感器與旋轉(zhuǎn)軸一側(cè)的磁鐵協(xié)同工作時(shí)，霍爾陣列會(huì)同時(shí)看到徑向磁場(chǎng)分量Br和切向分量Bt（或者在正交側(cè)軸的情況下看到垂直分量Bz）。最常見(jiàn)的側(cè)軸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用徑向極化的環(huán)形磁鐵（見(jiàn)圖2）。

在這種結(jié)構(gòu)中，徑向場(chǎng)Br的大小通常大于切向分量Bt。當(dāng)傳感器感應(yīng)到大小不相等的兩個(gè)磁場(chǎng)時(shí)，隨著磁鋼的旋轉(zhuǎn)，角度輸出將變?yōu)榉蔷€性。所以，必須對(duì)兩個(gè)場(chǎng)的大小進(jìn)行歸一化，以便傳感器感應(yīng)到大小恒定的旋轉(zhuǎn)場(chǎng)矢量。MagAlpha傳感器集成了偏置電流微調(diào)（BCT）寄存器，可以平衡兩個(gè)磁場(chǎng)的場(chǎng)幅，從而獲得線性角度響應(yīng)。更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參考應(yīng)用說(shuō)明 “在側(cè)軸貼裝中使用 MagAlpha 傳感器”。

圖 2：徑向極化的兩極環(huán)周圍的徑向和切向磁場(chǎng)

經(jīng)過(guò)上述微調(diào)之后，由于X軸或Y軸上的感應(yīng)增益降低，傳感器會(huì)感應(yīng)到較低的合成磁場(chǎng)。在標(biāo)準(zhǔn)側(cè)軸拓?fù)渲?，由于IC封裝有一定厚度，所以傳感器霍爾陣列也會(huì)離磁環(huán)表面比較遠(yuǎn)。因此，磁環(huán)設(shè)計(jì)必須留有足夠的剩磁（常用BR表示），以滿足傳感器的最低磁場(chǎng)要求。由于鐵氧體和塑性鐵氧體磁體在200mT至300mT BR范圍內(nèi)的剩磁較低，它們無(wú)法很好地在側(cè)軸模式中工作，尤其是在BCT微調(diào)引起的感應(yīng)增益降低之后。

為了實(shí)現(xiàn)充足的磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁環(huán)通常必須由具有較高初始剩磁的材料制成，例如燒結(jié)（約0.9T至1.4T BR）或鍵合聚合物（約0.6T至0.7T BR）的釹鐵硼（NdFeB）。直徑較大的磁環(huán)，采用鍵合的聚合物材料更具成本效益，但與同等尺寸的燒結(jié)環(huán)相比，鍵合的聚合物環(huán)的場(chǎng)強(qiáng)約為一半。所以必須調(diào)整磁環(huán)的尺寸，才能確保在選定的距離以及BCT調(diào)整后滿足傳感器的最低磁場(chǎng)強(qiáng)度的要求。

MagAlpha系列集成了兩個(gè)用來(lái)優(yōu)化側(cè)軸模式的傳感器：MA710和MA310，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度太低時(shí)，這些產(chǎn)品具有更高的內(nèi)部增益，可適應(yīng)最低15mT的最小場(chǎng)（大多數(shù)MagAlpha系列通常為30mT至40mT）。

仿真器工具可以支持MagAlpha系列所有磁鐵類型以及傳感器到磁體的拓?fù)洹Ｋ苡行У卦突驮u(píng)估不同磁鐵和安裝位置的傳感器性能，可避免反復(fù)試驗(yàn)。機(jī)械和電磁公差對(duì)系統(tǒng)的影響也可以通過(guò)工具高級(jí)設(shè)置選項(xiàng)輸入，以評(píng)估對(duì)角度分辨率性能的影響。

圖3 顯示了使用結(jié)合釹環(huán)的側(cè)軸設(shè)計(jì)示例。環(huán)的內(nèi)徑為20mm，外徑為30mm，高度為2mm。 在這個(gè)示例中，該環(huán)具有簡(jiǎn)單的兩極徑向磁化的700mT剩磁。在標(biāo)準(zhǔn)的側(cè)軸拓?fù)渲惺褂肕A710傳感器，傳感器組件理想地放置在環(huán)形磁鋼的側(cè)面，以使霍爾陣列恰好位于磁鐵高度的一半。MA710 QFN傳感器封裝的標(biāo)稱高度為0.9mm，內(nèi)部霍爾陣列位于封裝表面下方0.5mm處。因此可以得到垂直參數(shù)Z為0mm。

圖 3：標(biāo)準(zhǔn)側(cè)軸拓?fù)銶A710角度傳感器

使用仿真器掃描從r = 16.5mm到20mm的距離，傳感器的合適位置應(yīng)在r = 17mm處（見(jiàn)圖4）。在此位置，傳感器在IC封裝的邊緣與環(huán)形磁鋼表面之間的氣隙為0.5mm（滿足安裝最小誤差），而且正切磁場(chǎng)BT大約為18mT（相對(duì)比較大）。徑向磁場(chǎng)Br在大約82mT，比BT大得多，這將導(dǎo)致傳感器輸出角度非線性，需要通過(guò)BCT寄存器進(jìn)行一些校正以減小徑向磁場(chǎng)的幅度。選定r=17mm后，仿真器可以計(jì)算出該位置需要的BCT寄存器數(shù)值為200。將此值應(yīng)用于傳感器，可得到分辨率約為11.3位（3-sigma）的解決方案。

圖 4：標(biāo)準(zhǔn)側(cè)軸拓?fù)渲袀鞲衅饔^測(cè)到的磁場(chǎng)與半徑的仿真器圖

圖5 顯示了仿真器總結(jié)報(bào)告。

圖 5：磁鋼仿真工具報(bào)告

值得注意的是，在側(cè)軸模式下，機(jī)械公差和磁化公差對(duì)傳感器線性度的影響要大得多。因此，必須考慮這些公差以確保符合最終設(shè)計(jì)期望。使用仿真器進(jìn)行第一遍查找初始設(shè)置后，建議通過(guò)高級(jí)參數(shù)部分添加各種公差來(lái)執(zhí)行一系列進(jìn)一步的仿真器迭代。有關(guān)公差及其影響的討論，請(qǐng)參見(jiàn)應(yīng)用說(shuō)明 AN142（“側(cè)軸配置中的線性度”）
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