霍尔效应传感器设计的技巧

　　作为汽车产业的一个组成部分，霍尔效应传感器用于在诸如底盘、安全、车身、保障及动力传动等极其广泛的一系列应用中检测端位置或测量线性或角运动。目前，主导汽车行业研发讨论的一个重要话题是功能安全。功能安全影响到所有应用系统组件的设计和功能设置，包括霍尔传感器。

　　由于霍尔传感器的非接触式测量原理和高可靠性，在许多应用中，用霍尔传感器实现的感知方案成为了首选。

　　例如，由于霍尔传感器对环境条件（如灰尘、湿度和振动）的不敏感性，即使在十分苛刻环境温度条件下（-40℃至150℃），其测量结果的一致性仍然很好，再加上其不受使用时间和使用次数，而影响测量精度的高品质等特性，霍尔效应传感器正逐步取代机械开关。

　　为了实现不断发展的安全和可靠性特性，开关阈值的最高精度成为了霍尔开关规范的基本参数。

　　在由一个磁信号通过开关阈值触发的实际开关操作中，其动作会受开关延迟、采样抖动和噪声阈值等各因素的影响。上述这些因素都是不希望的，一个理想的开关应在瞬间做出反应，但由于霍尔IC的内部信号处理，它们无法完全避免。

　　为了获得最佳开关性能， Micronas公司的霍尔效应开关系列的最新产品（HAL 15xy）内的信号处理对此进行了专门设计，以增强对这些负面影响的抑制能力。

　　本文分析了信号路径设计是如何影响输出信号的抖动性能的，并介绍了解决这一问题所采取的不同设计方法。

　　霍尔开关的信号路径

　　霍尔开关的简化信号路径包括几个基本组件，如图1所描述：

　　图1：简化的霍尔开关信号路径。

　　该集成霍尔传感器将磁通密度转换成电信号，可选的低通滤波器限制了信号带宽，采样或无采样比较器判定该信号是高于还是低于当前的作用阈值。

　　每次被采样时钟触发时，被采样的比较器都做出新决策；而未被采样的比较器无需触发持续运行。

　　在采用低通滤波器的情况下，它抑制高于有用信号带宽的频率分量，以降低这些频率范围产生的噪声。

　　许多霍尔传感器IC，包括Micronas的霍尔开关系列，采用著名的旋转电流（spinning-current）技术以实现优异的补偿性能。为简化，图1省略了所有与旋转电流相关的模块。

　　带滞后的静态开关行为

　　霍尔开关具有两种不同的磁阈值——Bon和Boff，它们形成磁滞回线。此行为对避免不必要的翻转或闪抖是必要的，若没有这种迟滞，则会发生这种不必要的麻烦。图2显示的是假设在非反向输出状态时的静态输出状态与磁通密度B的对比曲线图。

　　图2：霍尔开关的静态磁滞回线。

　　在Bon和Boff之间，两个输出状态都是可能的。在B》Bon时，输出肯定为0；在Boff前，开关都将保持为0；在Boff时，输出变为1。

　　阈值噪声和最小可靠滞后

　　现在可能有这个问题：磁滞回线可做得多小？为给出答案，必须考虑阈值噪声影响。实际上，Bon和Boff都不是限定为单一值的固定阈值，受由霍尔传感器本身和其它电路的热噪声所引起的阈值噪声的影响，这两个值变得飘忽不定。取决于电流消耗和滤波器带宽，噪声水平可通过设计进行调整。噪声添加到假定原本是恒定的阈值上。现在，图3显示了Bon和Boff的概率密度函数（不按比例）。

　　图3：阈值噪声的概率密度函数

　　概率密度的高度是其在相应磁通密度B条件下，找到瞬时阈值可能性的一种标度。对热噪声来说，其概率呈正态（高斯）分布。该密度函数的宽度由标准偏差σBth给出，其值与阀值的均方根（RMS）噪声值Bth，rms相同。

　　因为密度不可能为0，Bon和Boff概率密度的尾线将总是在Bon和Boff的中点Bmid处趋合。这意味着，对于恒定磁通密度Bmid来说，Bon阀值有时可能（小概率）低于Bmid，从而打开开关。另外，Boff有时也可能高于Bmid，这又会关闭开关。这样，即便对恒定磁通密度，开关也可能开始翻转，这通常是不希望的。这种现象不可能完全避免，但应充分减小其发生概率。作为经验法则，如果Bon-Boff的差值大于等于10~12σBth，则这种情况可以忽略不计。

　　滤波的采样霍尔开关

　　HAL 15xy传感器家族的信号处理基于带低通滤波器的采样设计。这样，当对经滤波的输入进行新取样时，开关输出的翻转仅在时间上的特定等距点才会发生，对 HAL 15xy传感器来说，是每隔2μs。在B穿过翻转阈值的时间点与采样时钟不同步时，会导致采样抖动。图4给出了滤波采样开关（如HAL 15xy）的时序样例：

　　图4：滤波采样霍尔开关的延迟。

此处，假设磁通密度B（t） 在通过Bon时完成一个非常快的迁跃，以保持阈值噪声影响在当下可忽略不计。霍尔信号正比于B（t），然后使