差分傳感通過(guò)消除磁場(chǎng)共模干擾來(lái)提高磁傳感器的精度，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在外部磁場(chǎng)和噪聲嚴(yán)重的環(huán)境中非常有效。其設(shè)計(jì)通過(guò)兩個(gè)或多個(gè)傳感元件（例如平面霍爾元件或 TMR 元件）測(cè)量不同點(diǎn)的磁場(chǎng)，消除外部來(lái)源（例如電機(jī)或雜散場(chǎng)）的干擾，并聚焦于目標(biāo)信號(hào)。

差分傳感的益處包括：

● 消除對(duì)兩個(gè)傳感器產(chǎn)生均等影響的外部場(chǎng)干擾；

● 提升信號(hào)保真度，聚焦目標(biāo)磁信號(hào)以實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量；

● 提高精度，在汽車和工業(yè)等應(yīng)用中提供精確的讀數(shù)。

1、差分傳感的實(shí)現(xiàn)

在電流傳感應(yīng)用中，在載流導(dǎo)體兩側(cè)放置兩個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器用于檢測(cè)磁場(chǎng)，同時(shí)消除外部干擾。差分傳感可確保精確的電流測(cè)量（尤其是在電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)或電機(jī)控制等復(fù)雜的電磁環(huán)境中），同時(shí)提高效率和安全性。

在位置傳感應(yīng)用中，差分拓?fù)淇捎糜诒容^不同點(diǎn)的磁場(chǎng)，從而過(guò)濾干擾。但需注意，差分傳感器需要與目標(biāo)磁體同軸對(duì)齊，因?yàn)殡x軸磁體也被視為干擾場(chǎng)。

除了上述方法外，還可以將多個(gè)霍爾元件集成在單個(gè)芯片上，以對(duì)稱方式測(cè)量導(dǎo)體周圍的磁場(chǎng)，從而提高精度并使傳感器在高 EMI 環(huán)境中有效工作。對(duì)需要高精度和高可靠性的應(yīng)用而言，霍爾元件是理想的選擇。

2、差分傳感的應(yīng)用

對(duì)于需要在復(fù)雜電磁環(huán)境中實(shí)現(xiàn)精確位置傳感的應(yīng)用，差分檢測(cè)十分必要。例如，在汽車油門(mén)控制應(yīng)用中，采用差分檢測(cè)的磁性位置傳感器可以消除發(fā)動(dòng)機(jī)組件或外部磁源的干擾，確保精確的油門(mén)讀數(shù)。在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，差分傳感器可以通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)向柱上的磁體位置精確反饋轉(zhuǎn)向角度，并且不受外部噪聲的影響。此外，機(jī)器人技術(shù)也受益于此，即使在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中，差分位置傳感器也能精確檢測(cè)關(guān)節(jié)或運(yùn)動(dòng)部件的位置。

MPS 傳感器MA900 和 MAQ79010 采用該項(xiàng)技術(shù)在汽車和工業(yè)應(yīng)用中提供精確可靠的位置檢測(cè)。

圖 1 所示為 MA900 的典型應(yīng)用。

圖 1：MA900 的典型應(yīng)用

對(duì)于電流傳感應(yīng)用，在大電流、強(qiáng)噪聲環(huán)境中，差分電流傳感更加必要。例如在電動(dòng)汽車或可再生能源系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)（BMS）中，差分電流傳感器可監(jiān)測(cè)電池電流，實(shí)現(xiàn)高效能源管理。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，這些傳感器通過(guò)提供精確的電流測(cè)量來(lái)確保安全高效的運(yùn)行，即使存在電機(jī)噪聲也沒(méi)有影響。同樣，在大型機(jī)器會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重電磁干擾（EMI）的工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中，MPS 電流傳感器也能提供精確的電流讀數(shù)。

04、位置傳感的權(quán)衡與局限

差分位置傳感器需要與目標(biāo)磁體精確同軸對(duì)準(zhǔn)，才能獲得精確的讀數(shù)。離軸放置情況下，磁體磁場(chǎng)會(huì)被誤解為干擾，因而差分位置傳感器在抗干擾的同時(shí)犧牲了位置設(shè)計(jì)的靈活性。

不均勻的外干擾磁場(chǎng)，如梯度磁場(chǎng)，會(huì)影響差分傳感精度，因?yàn)檫@種不均勻性無(wú)法被差分檢測(cè)抵消。在具有多個(gè)磁體或非均勻磁源環(huán)境中需要特別注意這個(gè)問(wèn)題，解決的方法是在梯度最小的區(qū)域放置傳感器或進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。

05、電流傳感的權(quán)衡與局限

與位置傳感不同，差分電流傳感不需要磁鐵配合、不存在位置的選取，只需要把電流傳感器原邊串入待測(cè)電流的回路，所以不存在應(yīng)用方面的權(quán)衡。電流傳感器的差分要求更仔細(xì)的 IC 設(shè)計(jì)，通過(guò)內(nèi)部設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)精確檢測(cè)載流導(dǎo)體周圍的磁場(chǎng)，且抵消外部磁場(chǎng)的干擾。

電流傳感需要考量的關(guān)鍵因素包括：電流量程、原邊電阻（影響功耗和溫升）、精度的溫漂，以及帶寬和傳輸延時(shí)。MPS 目前全系列電流傳感器都是基于差分原理的，可根據(jù)實(shí)際的需求進(jìn)行選型。

06、用例說(shuō)明

1、汽車應(yīng)用

磁傳感是電動(dòng)汽車和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）創(chuàng)新的關(guān)鍵。差分傳感器是在這類應(yīng)用中提高精確性和可靠性的重要器件。

● 在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)中，MA900 等傳感器能夠以亞度級(jí)精度測(cè)量轉(zhuǎn)向角，從而確保順滑的控制；

● 在電池管理系統(tǒng)（BMS）中，電流傳感器能夠以高精度監(jiān)控充電和放電過(guò)程，即使環(huán)境嘈雜也不受干擾；

● 在牽引電機(jī)控制系統(tǒng)中，差分電流傳感器可提供實(shí)時(shí)電流測(cè)量，從而優(yōu)化電動(dòng)汽車的電機(jī)效率和安全性。

汽車應(yīng)用中的差分傳感器能夠提升系統(tǒng)控制能力、延長(zhǎng)電池壽命，可以在嘈雜的環(huán)境中可靠運(yùn)行，以及保證在低功耗模式下的高效性能、延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的行駛里程。

2、消費(fèi)類（低功耗）應(yīng)用

消費(fèi)電子產(chǎn)品對(duì)緊湊型、低功耗的傳感器需求也日益增長(zhǎng)，MPS 差分傳感器是滿足這些需求的絕佳解決方案，常見(jiàn)的應(yīng)用有：

● 游戲手柄和搖桿；

● 智能手表和健身追蹤器等可穿戴設(shè)備中的旋鈕檢測(cè)；

● 家庭自動(dòng)化領(lǐng)域中，智能鎖和監(jiān)控?cái)z像頭的角度檢測(cè)。

在低功耗的消費(fèi)類應(yīng)用中，差分傳感器作為一種節(jié)能傳感器不僅可延長(zhǎng)器件電池壽命，緊湊的外形還可在空間受限設(shè)備中實(shí)現(xiàn)更小的設(shè)計(jì)。且磁傳感是一種非接觸式傳感方式，不存在機(jī)械損耗，能使產(chǎn)品具有更長(zhǎng)的使用壽命。

3、醫(yī)療應(yīng)用

差分傳感器在要求很高的醫(yī)療環(huán)境中也可提供高精度和高可靠性：

● 在具有強(qiáng)磁場(chǎng)的磁共振成像儀（MRI）中，差分傳感器也能夠提供精確的電流傳感；

● 在假肢和可穿戴設(shè)備中，差分傳感器能夠以高精度控制并監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)和康復(fù)鍛煉；

● 在手術(shù)機(jī)器人應(yīng)用中，在多軸緊密靠近的情況下，差分傳感器仍可具備亞毫米級(jí)的定位能力。

07、新興技術(shù)

磁傳感技術(shù)正在快速發(fā)展，以滿足汽車、醫(yī)療和消費(fèi)電子等領(lǐng)域?qū)取⑿屎瓦m應(yīng)性日益增長(zhǎng)的需求。下面列出了磁傳感技術(shù)的一些重大進(jìn)步：

● 更高精度和分辨率的角度傳感器，以滿足各種不斷提升的應(yīng)用需求，如自動(dòng)駕駛應(yīng)用；

● 能夠檢測(cè)多軸（X、Y 和 Z）磁場(chǎng)強(qiáng)度的傳感器，從而適配更復(fù)雜的應(yīng)用，例如機(jī)器人和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）中的 3D 定位；

● 具有更高靈敏度和更低固有噪聲的隧道磁阻（TMR）等新型磁傳感器技術(shù)，可以將精度和帶寬提升到新的高度。

08、行業(yè)趨勢(shì)

對(duì)精確磁傳感的需求是應(yīng)用復(fù)雜性不斷增加的直接結(jié)果。例如在汽車行業(yè)，自動(dòng)駕駛汽車和 ADAS 依靠精確的磁傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)車道保持并避免碰撞；在醫(yī)療領(lǐng)域，MRI 儀器和機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)需要高精度以確保安全性和治療效果；工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的機(jī)械臂和傳送系統(tǒng)也需要精確感應(yīng)，從而提高效率并減少誤差。

微型化和成本降低的需求推動(dòng)了磁傳感技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新。尺寸更小的傳感器能夠被集成到緊湊型系統(tǒng)（例如可穿戴設(shè)備和無(wú)人機(jī)）中，同時(shí)又不犧牲精度。對(duì)于醫(yī)療可穿戴設(shè)備和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統(tǒng)等設(shè)備，節(jié)能傳感器在延長(zhǎng)電池壽命方面起到了關(guān)鍵的作用，并進(jìn)一步推動(dòng)了低功耗設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)于外部磁場(chǎng)干擾會(huì)影響精度和性能的汽車、工業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)來(lái)說(shuō)，磁傳感技術(shù)非常重要。

MPS 位置傳感器（例如 MA900 和 MAQ79010FS）和電流傳感器中應(yīng)用了差分傳感拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可消除共模噪聲并確保器件可靠、高精度的運(yùn)行。

未來(lái)，降噪、小型化和材料科學(xué)方面的進(jìn)步將進(jìn)一步推動(dòng)磁傳感技術(shù)的創(chuàng)新，從而滿足對(duì)傳感器精度更高、功耗更低和尺寸更小的需求。從電動(dòng)汽車到醫(yī)療可穿戴設(shè)備，磁傳感器在這些應(yīng)用中將變得越來(lái)越重要。

審核編輯 黃宇