Датчики магнитного поля. Ключевые технологии и новые перспективы.
Часть 2. Инновационные датчики Холла для истинно 2D/3D-измерений

PDF версия
В этой части статьи рассказывается об инновациях, основанных на технологиях эффекта Холла, ранжированных от 2D/3D-энкодеров до специализированных датчиков тока и магнитометров. Большинство рассмотренных предложений представляют собой передовые компоненты для воплощения и дальнейшего совершенствования метода измерения угла поворота малого дипольного магнита в диапазоне 360°. Ряд других компонентов предназначен для контроля движения как малых дипольных, так и больших многополюсных магнитов. Технические области инноваций включают автомобильные, промышленные и потребительские устройства.

Часть 1.

Часть 3.

Автомобильные датчики положения. Угловые и линейные энкодеры Холла

Автомобильные датчики положения компании AKM

Японская компания Asahi Kasei Micro-devices (AKM) доминирует по объемам поставок датчиков магнитного поля, но широко известна прежде всего как поставщик уникальных высокочувствительных магнитометров для компасов сотовых телефонов.

AKM с середины 1990 года поставляет на автомобильный рынок CMOS LSI (БИС) со смешиванием сигнала и ИС датчиков Холла, что дало высокий показатель распространения продукции этой компании в Японии. По мере достижения TS-сертификации решения от AKM распространяются по всему миру, начиная с сегмента развлечений (аудио, навигация и т. п.) и постепенно охватывая другие сферы автоэлектроники [4]. В связи с этим AKM расширяет портфолио автомобильной продукции — прежде всего для обслуживания инновационного автомобильного рынка последними продуктами БИС и датчиков.

Автомобильная линейка датчиков Холла включает:

  • интегральные датчики линейного и углового положения;
  • датчики положения;
  • датчики тока;
  • датчики скорости колеса.

Угловые энкодеры AKM

Линейка угловых энкодеров компании AKM включает два новых 12‑битных датчика угла семейства AK74xx с автомобильной квалификацией и 10‑битный EM3242 без нее. Бесконтактный датчик угла может быть изготовлен в виде обычной простой конструкции на основе малого магнита и одной из этих интегральных микросхем.

В серию AK74xx (рис. 9) входят угловые датчики с исключительно высокой чувствительностью и высокими допусками в отношении рабочих зазоров. Например, AK7401 — решение, рекомендуемое для датчика угла рулевого управления.

Новое семейство 12 битных датчиков угла семейства AK74xx с автомобильной квалификацией

Рис. 9. Новое семейство 12 битных датчиков угла семейства AK74xx с автомобильной квалификацией:
а) схема AK7401;
б) схема AK7405

AK7405 характеризуется 12‑битным разрешением со способностью детектирования частоты вращения до 20 000 об./мин., что делает этот датчик одним из наилучших решений для высокоскоростного детектирования.

Что касается AK7401 (рис. 9а), то это 12‑битный датчик угла с автомобильной квалификацией, который определяет угловое положение магнитного поля, параллельного поверхности ИС.

Ключевые признаки:

  • Монолитный интегрированный датчик угла в диапазоне 360°, содержащий элементы Холла.
  • Его легко использовать в составе бесконтактного датчика угла с диаметрально намагниченным магнитом.
  • Интерфейсы: ШИМ и последовательный интерфейс (3‑выводный).
  • 12‑битное угловое разрешение.
  • Угловая точность:
    • лучше чем ±0,95° при +25 °C.
  • Защита от перенапряжения.
  • Защита от переполюсовки.

Различное анормальное детектирование (проверка данных памяти, диапазона плотности магнитного потока и т. д.).

Функции настройки параметров подобно нулевой точке, направления вращения, блокировки памяти и пр. через последовательный интерфейс.

Микросхема AK7405 (рис. 9б) — это высокоскоростной 12‑битный датчик угла с автомобильной квалификацией, который обнаруживает угловое положение магнитного поля, параллельного поверхности ИС и изменяющегося с высокой скоростью (20 000 об./мин.).

Ключевые признаки:

  • Монолитный интегрированный датчик угла в диапазоне 360°, содержащий элементы Холла.
  • Его легко использовать в составе бесконтактного датчика углового положения с диаметрально намагниченным двухполюсным магнитом.
  • Интерфейсы: SPI (абсолютный угол), фазовый выход ABZ (инкрементальный интерфейс с числом импульсов за оборот 1024 ppr).
  • 12‑битное угловое разрешение.
  • Угловая точность:
    • лучше чем ±1° при +25 °C.
  • Максимальная скорость:
    • 333 rps (20 000 об./мин.).
  • Защита от перенапряжения.
  • Защита от переполюсовки.

К другим автомобильным компонентам от AKM относятся, например, EM235L — мультиточечная программируемая ИС Холла, рекомендованная к использованию в датчиках крутящего момента, топливного уровня, педали.

EG230L — программируемая линейная ИС Холла, изготовленная на основе составного полупроводника. Она отличается исключительно коротким временем срабатывания, низким шумом и низким дрейфом смещения. Эта ИС рекомендована как решение для датчиков тока в инверторах гибридных ТС.

В серию AK87xx входят однокристальные энкодеры для недорогих сборок. Это пример однокристального решения для детектирования направления и счета импульсов при вращении ротора с большим числом пар магнитных полюсов без учета величины намагниченности.

EM6011 и EZ410 — малошумящие ИС Холла защелкивающего типа с автомобильной квалификацией, подходящие для переключения двигателей.

Высокочувствительные элементы Холла AKM рекомендуется использовать при детектировании движения двигателей вентиляторов и различных малых двигателей.

Полное портфолио автомобильных (и неавтомобильных) датчиков AKM еще более обширно и включает устройства, которые находятся в разработке [4].

AMS: новое поколение высоконадежных автомобильных энкодеров

Энкодеры Холла для контроля переключения бесколлекторных двигателей

В начале 2013 года компания AMS AG объявила о применении своих новых энкодеров Холла AS5134 и других ИС в составе автомобильных систем Continental.

AS5134 и новая микросхема AS5132 (рис. 10а, б), квалифицированные согласно автомобильному стандарту AEC-Q100, представляют собой бесконтактные магнитные датчики положения, оптимизированные для использования в высокоскоростных бесколлекторных двигателях постоянного тока (BLDC) [20].

Новое поколение высоконадежных автомобильных энкодеров от AMS

Рис. 10. Новое поколение высоконадежных автомобильных энкодеров от AMS:
а, б) AS5134 — высокоскоростной и высоконадежный датчик для контроля переключения бесколлекторных двигателей;
в, г) новые датчики положения AS5162 серии 60 с передовыми диагностическими функциями;
а, в) функциональная схема;
б, г) примеры применения

AS5134 служит для определения углового положения ротора двигателей в трансмиссионном блоке управления для новых коробок передач с двойным сцеплением (Double-Clutch Transmissions, DCT). DCT представляет собой передовую форму автоматических коробок передач пассажирских автомобилей. В некоторых недавно разработанных DCT для переключения передач и контроля двойного сцепления используются бесколлекторные двигатели — до четырех в одной DCT.

Интегрированный модуль Continental, в состав которого входит этот датчик, переключает двигатели по ориентации магнитного поля методом, при котором входной ток к каждому статору определяется на основе опорной информации об угловом смещении ротора.

Требования, которым отвечают устройства, включают точность при высокой скорости вращения и надежность. Более точные измерения угла ротора дают в результате более низкий джиттер крутящего момента, плавную работу и более высокую эффективность расхода мощности. Конкретное преимущество AS5134 состоит в повышении крутящего момента. Таким образом, двигатель достигает оптимальной скорости быстрее, что позволяет снизить потребление энергии.

Датчик положения магнита AS5134 характеризуется низкой латентностью распространения сигнала: время задержки входа от детектируемого магнита до вычисления углового выхода составляет порядка 22 мкс. Это допускает высокоточные измерения высокоскоростных роторов: AS5134 специфицирован для угловых измерений с шагом 1° и с точностью до ±2° при скорости вращения до 82 000 об./мин.

Управляющий модуль в трансмиссии Continental представляет собой законченный интегрированный блок, который нелегко отремонтировать или заменить, и поэтому надежность компонентов в модуле, таких как датчик положения, очень важна. Подобно многим датчикам положения AMS, AS5134 отличается дифференциальной технологией, разработанной и запатентованной компанией. Это позволяет выводить сигнал, устойчивый к паразитным магнитным полям. Поэтому датчики положения AMS не требуют экранирования, что помогает удерживать низкой стоимость материалов в спецификации и сборки.

Новое поколение автомобильных магнитных энкодеров от AMS — примеры соответствия ISO26262 на уровне дизайна SoC.

В ноябре 2012 года AMS представила высокоинтегрированные датчики углового положения серии 60 с передовыми диагностическими функциями. Они созданы специально для автомобильных систем, которые должны соответствовать стандарту ISO26262 в отношении высокой функциональной безопасности (рис. 10в, г) [19].

Новые датчики AS5161 и AS5261 (с цифровым ШИМ-выходом) и AS5162 и AS5262 (с аналоговым выходом напряжения) имеют лучшие в своем классе автомобильные защитные признаки — не только в рамках линейки этой компании, но и в сравнении со многими ее конкурентами.

Датчики серии 60 позволяют автопроизводителям достигать выполнения требований стандарта ISO26262, обеспечивая более высокую надежность, всеобъемлющий анализ эффектов прямых и косвенных опасных отказов и весьма низкий показатель по отказам во времени (Failure In Time, FIT). Дуальные версии со стекированными кристаллами в одном корпусе полностью избыточны, что позволяет использовать датчики AS5261 и AS5262 в применениях, требующих самой высокой градации безопасности, — ASIL D.

В новом поколении автомобильных датчиков положения компания AMS также повысила уровень самодиагностики и усилила энергосбережение для достижения лидирующей в классе эффективности. Датчики серии 60 типично расходуют ток порядка 10 мА, а большинство конкурирующих устройств — более 15 мА.

Датчики этой серии предназначены для определения углового положения в широком диапазоне автомобильных применений, включая педаль акселератора, педаль тормоза, мониторинг клиренса — высоты езды относительно колеса (chassis ride height monitor), датчик положения клапана HVAC, рулевое колесо.

Устройства также рекомендованы для использования в трансмиссии: переключателе 2WD/4WD, актюаторе переключателя передач (gearshift actuator) и дроссельных применениях: EGR, тумблерной заслонке во впускном патрубке (tumble flap), при контроле положения дросселя, турбонагнетателя.

Датчики измеряют угловое смещение в 16 384 точках за оборот. Интегральная нелинейность составляет 1,4° (максимум) в пределах полного оборота. Рабочий температурный диапазон — от –40 до +150 °C.

Все четыре устройства имеют малое время задержки распространения: задержка между входом от детектируемого магнита и вычислением угла на выходе кристалла оценивается в 300 мкс. Это означает, что они способны обеспечивать точные измерения положения роторов, работающих на высокой скорости.

Магнитные датчики положения AS5161 и AS5162 поставляются в малом корпусе SOIC8. Избыточные датчики со стекированными кристаллами AS5261 и AS5262 выпускаются в корпусе MLF16. Цена AS5161 и AS5162 — 2,7 евро при заказе от 1000 шт., AS5261 и AS5262 стоят порядка 5,12 евро.

О том, что компания AMS приближается к объемному производству первых автомобильных продуктов, разработанных в соответствии с новым стандартом функциональной безопасности ISO26262, было объявлено еще в октябре 2012 года. Производство первых продуктов, разработанных в соответствии со стандартом, стартовало в 2013 году.

В 2014 году AMS объявила о том, что автомобильный поставщик Continental в основе своей новой серии датчиков высоты шасси (подвески) (chassis height sensor, CPC) использует датчик AS5162 AMS [25].

Угловой энкодер AS5162 в паре с двухполюсным магнитом точно определяет угловые перемещения с разрешением до 0,09° за оборот. Серия CPS используется в системах шасси последнего поколения и определяет их высоту относительно колес. AS5162 может входить и в другие системы определения положения, например, для контроля фар. Системы активного контроля шасси CPS критичны в плане функциональной безопасности, они должны соответствовать стандарту ISO26262, это достигается благодаря энкодерам AMS.

AMS выпускает обширную линейку энкодеров Холла, которую непрерывно пополняет. Во время подготовки этой статьи к публикации компания сообщила о начале производства следующего датчика 60‑й серии — AS5263. Он представляет собой избыточный 12‑битный угловой 2D-энкодер с линейным аналоговым или ШИМ-выходом и защитой от перенапряжения.

Обновления также включают микросхемы серий 50 и 55 с цифровым угловым выходным интерфейсом — 10‑битный датчик AS5050A и 12‑битный датчик AS5055A.

 

iC-MU: новые стандарты для ИС внеосевого магнитного энкодера — 18‑битное разрешение

В 2013 году компания iC-Haus представила ИС внеосевого магнитного энкодера iC–MU с исключительно высоким 18‑битным разрешением для полых валов (hollow-shaft), датчиков с отверстием под вал (through-shaft) и линейных систем [26].

Полностью интегрированное, однокристальное устройство iC-MU (рис. 11) подходит для сканирования магнитных полюсных колес и лент в типичных системах контроля движения, включая абсолютные энкодеры положения, а также инкрементальные и переключающие энкодеры бесколлекторных двигателей. Эти положения генерируются в режиме реального времени и предоставляются через последовательный интерфейс (BiSS, SSI и SPI) и как инкрементальный сигнал без задержки обработки. Благодаря специальной интерполяции FlexCount можно настроить любой счет импульсов.

18 битное разрешение для ИС внеосевого магнитного энкодера

Рис. 11. 18-битное разрешение для ИС внеосевого магнитного энкодера:
а) пример применения;
б) внешний вид;
в) функциональная схема

Рекомендуемая магнитная цель для iC-MU имеет два инкрементальных трека с полюсной шириной около 1,28 мм. Для датчика достаточным является типичное рабочее расстояние 4/10 мм. В линейных системах допускается скорость движения цели до 16 м/с с разрешением абсолютного положения до 0,16 мкм на расстоянии 164 мм. Для увеличения этого расстояния устройства iC-MU могут каскадироваться или инициироваться с использованием многооборотной информации. В угловых системах или угловых энкодерах iC-MU определяет положение на скорости до 24 000 об./мин. с разрешением в пять угловых секунд.

Энкодер iC-MU отличается высокой устойчивостью к магнитным помехам, что является еще одним требованием для таких устройств, за счет множественного дифференциального сканирования поля.

Нецентрированный, или внеосевой дизайн магнитной системы, для которого разработан датчик, допускает применение полых валов, причем с высоким разрешением магнитных абсолютных датчиков, с первого раза.

«Система на кристалле» интегрирует все требуемые функции на наименьшей возможной площади и представлена в 16‑контактном DFN-корпусе, для которого нужно лишь 5×5 мм площади на плате. iC-MU работает на 5 В в диапазоне рабочих температур от –40 до +110 °C.

Семейство датчиков Холла Micronas 3D HAL

В основе моделей этого семейства — кластеры со взаимно ортогональными и объединенными «классическими», или планарными, элементами Холла и «вертикальными» элементами. Это позволило создать датчик, чувствительный ко всем трем компонентам магнитного поля [7, 24]. В отличие от стандартных датчиков Холла механические допуски, приводящие к вариациям воздушного зазора, компенсируются специальным измерительным методом по технологии 3D HAL.

В зависимости от комбинации используемых чувствительных элементов выделяют два семейства датчиков: HAL 36xy и HAL 38xy.

HAL 36xy (рис. 12а) предназначены для измерения магнитного угла от 0° до 360° в плоскости, параллельной поверхности монтажа микросхемы. Эти устройства чувствительны к Bx/By компонентам магнитного поля и заключены в корпус SOIC‑8. Типичные применения — в качестве датчика углового положения (электронной педали газа, дроссельной заслонки, угла положения рычага подвески и т. д.) или, в более общем случае, бесконтактного потенциометра. Угловая точность HAL 36xy в диапазоне 360° составляет 1°.

Инновационное семейство угловых энкодеров Micronas 3D HAL

Рис. 12. Инновационное семейство угловых энкодеров Micronas 3D HAL:
а) блок-схема семейства 3D HAL 36xy;
б) датчик HAL 3675

Что касается HAL 38xy, то датчики этого семейства предназначены для двумерного измерения магнитного угла от 0° до 360° в плоскости, перпендикулярной поверхности монтажа микросхемы (HAL 38xy также были представлены в корпусе SOIC‑8). Они чувствительны, в зависимости от типа, к Bz/Bx или Bz/By компонентам магнитного поля соответственно. Микросхемы используются в качестве датчиков линейного перемещения до 40 мм, а также как угловые датчики: положения клапана системы рециркуляции выхлопных газов, рабочего цилиндра сцепления или педали тормоза.

В начале 2013 года компания Micronas расширила семейство HAL 36xy, выпустив HAL 3675.

HAL 3675 разработан для детектирования углов в диапазоне от 0° до 360° и обеспечивает ШИМ выходной сигнал. Клиент может программировать интегрированную обработку сигнала для каждого из двух каналов по отдельности, то есть относительно параметров чувствительности, смещения и фазы. HAL 3675 подходит для применений, где необходима высокая надежность при работе в температурном диапазоне до +165 °C. Эта микросхема предлагается в качестве решения для каждого вида детектирования положения и угла с использованием заслонок или клапанов в автомобильной промышленности. HAL 3675 можно использовать для измерения положения дросселя, контроля рециркуляции выхлопных газов, турбонагнетателя, измерения угла поворота руля и многих других применений. Изначально микросхема была представлена в корпусе SOIC‑8.

В мае 2013 года компания Micronas объявила о доступности датчиков семейств HAL 36xy и HAL 38xy на основе технологии 3D HAL и в корпусах TO92UP. По сравнению с SMD-корпусами для пайки такие корпуса более устойчивы к вибрации и высокой температуре, что особенно важно для систем, находящихся в моторном отсеке. Новый выводной корпус TO92UP выдерживает повышение температуры до 160 °C.

TO92UP является альтернативой SMD-корпусам и в приложениях, где не используется печатная плата, например при обнаружении нейтрального положения коробки передач. Корпус TO92UP удобнее при сборке, если магнит не находится в конце вращающегося вала: вместо этого датчик можно разместить непосредственно рядом с валом (параллельно).

4‑контактный корпус TO92UP, несмотря на небольшой размер, обеспечивает большую площадь для интегральных схем. Таким образом, становится возможной интеграция функций для выполнения требований клиентов в будущих разработках.

3D-энкодеры Melexis Triaxis

Melexis продолжает разработку 3D-датчиков углового положения на основе технологии Triaxis. Таким образом компания следует актуальной тенденции автомобильного рынка по отношению к функциональной безопасности (в самом простом понимании надежности или избыточности).

В 2013 году Melexis ввела два новых датчика положения на основе технологии Triaxis с выходным протоколом SAE J2716 SENT: MLX90366 и MLX90367 (рис. 13). Они дополнили линейку, в которой представлено уже второе поколение датчиков Холла с этим типом выходного протокола.

Датчики MLX90366 и MLX90367

Рис. 13. Датчики MLX90366 и MLX90367:
а) пример применения;
б) функциональная схема (схемы MLX90366 и MLX90367 идентичны)

Введение протокола SAE J2716 SENT (Single Edge Nibble Transmission), замещающего традиционную аналоговую связь между датчиками и МК, отражает влияние общих тенденций в автомобильном и транспортном секторе в направлении более высокой функциональной безопасности и чувствительности к цене. Выпуск датчиков положения Triaxis позволяет компании оставаться пионером в области детектирования угла в диапазоне 360°, а теперь и 3D SENT решений для автомобильных применений повышенной безопасности.

Микросхемы MLX90366 и MLX90367 расширяют способности устройств на основе протокола SENT, полностью обеспечивая функциональность определения положения в проблемном окружении с 12‑битным разрешением и 10‑битной точностью. Для гарантии повышенной надежности оба продукта соответствуют уровню ASIL B SEooC (Safety Elements out of Context). Кроме того, MLX90366 выпускается в инновационном корпусе Melexis Dual Mold Package — для осуществления возможности сборки No PCB (без платы) [8]. Согласно этой концепции пассивные защитные компоненты интегрированы непосредственно в корпус ИС, за счет чего повышается надежность и снижается стоимость используемых материалов. Другой новый компонент, MLX90367, предназначен для интеграции в обычные сборки на плате и выполнен в соответствии со стандартом JEDEC в корпусах TSSOP.

Следуя актуальным тенденциям по снижению потребления энергии в автомобиле, компания Melexis в 2013 году предложила новые магнитные датчики тока. Два новых устройства представляют собой линейные датчики Холла в стандартных корпусах с функциями программирования характеристик и подходят для высокоскоростного мониторинга тока батарей. Недавно Melexis объявила уже о следующем апгрейде нового датчика Холла MLX91209CA для бесконтактного измерения тока, суть которого состоит в достижении большей стабильности температурных и временных характеристик.

 

Специализированные датчики Холла для измерения тока

3D-датчики тока Melexis

Компания Melexis уделяет особое внимание удовлетворению требований автомобильного рынка в отношении низкого потребления энергии и низкой цены компонентов. Тенденция к применению экологичных источников энергии и более высокой мобильности также означает рост потребности в сенсорных токовых устройствах следующего поколения. Как решение для таких источников энергии и конкретно — для применений в гибридных автомобилях (HEV) и электромобилях (EV), еще в начале 2013 года был представлен новый высокоскоростной программируемый датчик Холла MLX91209 (рис. 14а, б) [8]. Это полностью программируемая пользователем монолитная микросхема в стандартном SIP-корпусе, на выходе которой генерируется высокоскоростной аналоговый сигнал, пропорциональный внешней приложенной плотности потока. SIP-корпусирование допускает удобное осуществление стандартного дизайна с ферромагнитным сердечником.

Программируемые высокоскоростные 3D-датчики тока Triaxis Melexis

Рис. 14. Программируемые высокоскоростные 3D-датчики тока Triaxis Melexis:
а, б) датчик тока Melexis MLX91209:
а) пример применения;
б) функциональные схемы (у MLX91209 и MLX91208 они идентичны);
в) датчик тока Melexis MLX91208 с ИМК различных размеров и чувствительности

Впрочем, MLX91209 не является совершенно стандартным решением без технологических 3D-усовершенствований. Датчик внесен производителем в группу разработок на основе технологии Triaxis и включает четыре элемента Холла, а не один чувствительный элемент, как было принято в большинстве стандартных решений токовых клещей, известных много лет. Но все четыре элемента нового линейного датчика MLX91209 являются планарными и чувствительны только к перпендикулярному магнитному полю, поэтому в них используется тот же стандартный для одноэлементных датчиков Холла дизайн магнитной системы токовых клещей в комбинации с кольцевым ферромагнитным сердечником. ИС Холла размещается в малом зазоре, а проводник с током — во внутренней части сердечника. Ферромагнитное кольцо концентрирует и усиливает магнитный поток, обнаруживаемый датчиком Холла, который генерирует на выходе аналоговое напряжение, пропорциональное току.

MLX91209 рекомендован для точных токовых измерений постоянного тока (DC) и/или измерений переменного тока (AC) с частотой до 200 кГц. С помощью этой микросхемы пользователь может сконструировать программируемое решение для измерения тока с быстрым временем срабатывания и гальванической изоляцией. Первые инженерные образцы MLX91209CA были доступны в течение 2013 года. Их программируемый диапазон чувствительности составляет от 5 до 150 мВ/мТл.

Высокоскоростной датчик Холла имеет автомобильную квалификацию и измеряет ток посредством преобразования магнитного поля, сгенерированного токами, текущими через проводник, в напряжение, пропорциональное полю.

Осенью 2013 года компания Melexis объявила о следующем апгрейде микросхемы MLX91209CA для бесконтактного измерения тока. Новый датчик представляет собой ту же высокоскоростную ИС Холла с программируемым диапазоном чувствительности от 5 до 150 мВ/мТл и подходит для измерения постоянных и переменных токов частотой до 200 кГц. Было объявлено, что, помимо высокой скорости работы (время срабатывания аналогового выхода составляет 3 мкс), этот датчик теперь характеризуется высокой стабильностью в рабочем температурном диапазоне от –40 до +125 °C в течение срока службы. Рекомендованные применения устройства включают альтернативный транспорт — гибридные и электрические автомобили, системы старт-стоп и интеллектуальные источники солнечной энергии Smart Grid.

В декабре 2013 года Melexis представила свой следующий программируемый датчик Холла для измерения тока на основе технологии Triaxis — MLX91208 (рис. 14б, в) [27]. Целевые применения устройства те же — гибридные ТС, электромобили, возобновляемые источники энергии. Датчики MLX91208 имеют время срабатывания порядка 3 мкс. Инновационный дизайн обеспечивает высокую стабильность работы в течение срока службы и характеризуется типичным тепловым дрейфом чувствительности в ±150 ppm/°C.

Датчики демонстрируют лидирующие в промышленности характеристики чувствительности благодаря интегрированному магнитоконцентрирующему (ИМК) слою на полупроводниковом кристалле. Системы измерения тока на основе датчиков MLX91208 показывают уровень точности выше ±0,5% при комнатной температуре или до ±2% на предельных значениях температурного диапазона.

Передаточная характеристика устройств MLX91208 полностью регулируется, включая параметры чувствительности, усиления и смещения, сохраняемые в памяти EEPROM. Калибровка осуществляется посредством модуляции напряжения питания или протокола программирования через соединитель Programming Through Connector (PTC). Дополнительные выводы для программирования не требуются.

Рабочий температурный диапазон MLX91208 составляет –40…+150 °C, рабочий частотный диапазон — от постоянного тока до переменного частотой до 200 кГц. Корпус SO‑8 подходит для разработки компактных решений по измерению тока с высокой гальванической изоляцией. Доступны две версии устройства: MLX91208CAL с большим слоем ИМК для детектирования очень слабых магнитных полей (100–700 мВ/мТл) и MLX91208CAH, предназначенный для детектирования слабых магнитных полей (50–300 мВ/мТл).

Датчики тока Allegro

В начале 2013 года компания Allegro MicroSystems добавила новую опцию корпуса для своих датчиков тока (рис. 15) [28].

Обновленное портфолио специализированных датчиков Холла Allegro для измерения тока

Рис. 15. Обновленное портфолио специализированных датчиков Холла Allegro для измерения тока:
а, в, д) внешний вид;
б, г, е) функциональные схемы датчиков;
а, б) новая опция тонкопрофильного корпуса датчика ACS711 для изоляции менее 100 В;
в, г) прецизионный интегрированный линейный датчик тока ACS770 с улучшенными температурными свойствами;
д, е) малошумящий высокопрецизионный цифровой датчик ACS764 для компьютерных, промышленных и потребительских применений

Например, ACS711 (рис. 15а, б) теперь доступен в низкопрофильном корпусе QFN толщиной 0,75 мм и фут-принтом 3×3 мм. Новое миниатюрное устройство, возможно, является самым малым линейным датчиком тока в мире. Оно предназначено для монтажа на плате и включает встроенный медный токовый проводник близ поверхности кристалла. Внутреннее сопротивление датчика составляет всего 0,6 мОм. Устройство может использоваться для измерения тока свыше 30 А, но позволяет снижать на порядок потребление мощности в сравнении с существующими резисторными решениями на основе шунтов и операционных усилителей. Применения включают контроль различных сбойных условий при подаче питания для освещения или на двигатели. Для этих целей ИС даже снабжена отдельным сбойным выходом при обнаружении сверхтока, а в целом характеризуется весьма высокой точностью, отличающей ее от конкурирующих решений.

Затем был выпущен интегрированный линейный датчик тока ACS770 (рис. 15в, г), отличающийся повышенной точностью и устойчивостью к температурным воздействиям. Он состоит из прецизионной линейной микросхемы Холла с малым смещением, объединенной с медным проводящим путем, локализованным близко к кристаллу [29]. Приложенный ток течет через медный проводник, который генерирует магнитное поле, преобразуемое датчиком Холла в пропорциональное напряжение. Новое устройство предназначено для автомобильного и промышленного рынка, а также для сегмента возобновляемых источников энергии.

Точность ACS770 достигается благодаря близости места формирования магнитного сигнала и преобразователя Холла при объединении со схемотехническими методами.

Пропорциональное выходное напряжение формируется посредством стабилизированной ИС Холла со смешиванием сигнала, запрограммированной и откалиброванной на производстве. Собственная технология цифровой температурной компенсации также значительно улучшает точность ИС и температурную стабильность, при этом не оказывается влияния на высокочастотную работу аналогового выхода.

Высокий уровень устойчивости к току проводника и разрушающим магнитным полям достигнут посредством технологии интегрированного экранирования и низкого дрейфа смещения в высоковольтных применениях на высокой стороне. Выход устройства имеет положительный наклон (>VCC/2) при возрастании тока через первичный проводящий путь (от вывода 4 к выводу 5).

Внутреннее сопротивление проводящего пути составляет 100 мкОм, что обеспечивает низкие потери мощности. Толщина медного проводника допускает высокие токи. Выводы проводящего пути и сигнальные выводы электрически изолированы друг от друга. Поэтому ACS770 рекомендован для систем с высокой изоляцией, но без использования оптоизоляторов. Эта микросхема поставляется в бессвинцовом 5‑выводном корпусе.

Следующим дополнением к портфолио интегральных датчиков тока Allegro MicroSystems стала малошумящая высокопрецизионная цифровая микросхема ACS764, разработанная для компьютерных, промышленных и потребительских применений с напряжением менее 100 В.

ACS764 Allegro (рис. 15д, е) — первая цифровая микросхема, разработанная для рынка серверных, телекоммуникационных систем и мониторинга мощности [30].

Программирование при смещении и усилении, включая температурные коэффициенты, стабилизирует смещение и усиление в рабочем температурном диапазоне, снижая суммарную погрешность до менее чем 2% в рабочем температурном диапазоне. Проводник с низким сопротивлением исключает потребность во внешнем резисторе шунта и, благодаря эффекту Холла, исключает ошибку, ассоциированную с изменением сопротивления из-за температуры. Устройство допускает 16 уникальных адресов шины I2C, выбираемых посредством внешних выводов. Стандартные опции полного диапазона ACS764 составляют 16 и 32 A. Устройство также включает цифровой выход при сбойных условиях и внутренний усредняющий фильтр, которые конфигурируются посредством шины I2C. Вход цифровой синхронизации обеспечивает возможность получения множественных сенсорных прочтений.

ACS764XLFTR-T поставляется в компактном 24‑выводном QSOP-корпусе, практически бессвинцовом и совместимом со стандартными бессвинцовыми сборочными процессами печатных плат.

AKM EG230L — программируемый линейный автомобильный датчик тока

Линейные датчики Холла компании AKM состоят из элементов Холла и усилителя, которые заключены в одном корпусе. Они выводят аналоговое напряжение пропорционально плотности магнитного потока. Программируемые линейные ИС Холла имеют EEPROM. Поэтому потребители сами могут регулировать магнитную чувствительность и напряжение смещения. Для автомобильных клиентов компания AKM предлагает два программируемых компонента с автомобильной квалификацией [4].

Магнитные датчики AKM предназначены для использования в качестве датчиков тока инверторов и BMS в гибридных и электрических ТС.

EG230L (рис. 16) — программируемая линейная ИС Холла, изготовленная из составного полупроводника. Она отличается коротким временем срабатывания, низким шумом и низким дрейфом смещения и разработана как специальное решение для датчиков тока в инверторах гибридных ТС. В свою очередь мультиточечная программируемая линейная ИС Холла EM235L с низким дрейфом смещения и малой температурной зависимостью подходит для использования в токовых датчиках BMS (мониторинга батареи).

Программируемая линейная ИС Холла AKM EG230L для измерения тока

Рис. 16. Программируемая линейная ИС Холла AKM EG230L для измерения тока

ИС Холла EG230L подходит для использования в автомобильных системах контроля тока.

Ключевые признаки:

  • EG230L состоит из элемента Холла из материала GaAs и обрабатывающей ИС.
  • Аналоговый пропорциональный выход.
  • Диапазон рабочих температур: –40…+125 °C.
  • Быстрое срабатывание при изменении магнитных полей: типично — 2 мкс.
  • Одиночный источник напряжения питания: от 4,75 до 5,25 В.
  • 3‑выводный корпус SIP толщиной 1,2 мм.
  • Функция выбора кристалла при программировании EEPROM.
  • Программирование в EEPROM посредством модуляции напряжения питания.

У компании Micronas также имеется специализированное решение программируемого в EEPROM датчика тока CUR 3115 c ферромагнитным концентратором. Он предназначен для контроля работы батарей в гибридных или электрических автомобилях, системах старт-стоп или индукционных печах.

Одним из событий 2013 года, заслуживающих упоминания, также можно назвать референсный дизайн для микросхемы сбора данных с LIN-трансивером AS8515, осуществленный AMS и представляющий собой автомобильный интеллектуальный датчик тока батареи — крупномодульное решение уровня «системы на плате».

Миниатюрный прецизионный датчик тока TLI4970 от Infineon

В марте 2014 года Infineon Technologies AG объявила о том, что запускает в производство новый высокопрецизионный цифровой датчик тока TLI4970 (рис. 17), для которого, по заявлению компании, требуется лишь шестая часть пространства платы, занятого существующими датчиками на рынке. Это один из первых токовых датчиков с цифровым интерфейсом (SPI).

Миниатюрный прецизионный датчик тока TLI4970 Infineon

Рис. 17. Миниатюрный прецизионный датчик тока TLI4970 Infineon:
а) внешний вид и пример применения;
б) функциональная схема

 

Измерительный принцип устройства

Датчик включает элементы Холла без концентраторов магнитного поля и предназначен для измерения магнитных полей токонесущих проводников. Токовые полосы интегрированы в корпус датчика, также включающего дифференциальные усилители и фильтры. Микросхема осуществляет обработку сигнала и гальванически изолированные измерения при рабочем напряжении до 600 В и испытательном напряжении до 3600 В.

TLI4970 способен измерять переменные и постоянные токи в диапазоне до ±50 A. Полностью цифровой датчик не требует внешней калибровки. Дифференциальный измерительный принцип позволяет подавлять внешние магнитные поля и влияние температуры. Благодаря подавлению разрушающих полей датчик весьма устойчив к ним.

Устройство достигает малого смещения в 25 мА. Оно способно производить высокоточные измерения даже после многих лет работы без снижения уровня контроля качества и эффективности.

TLI4970 включает отдельные структуры для измерения температуры и механических напряжений, что повышает эффективность их компенсации и долговременную стабильность.

Датчик обеспечивает дополнительные функции, например быстрое обнаружение чрезмерного тока относительно предварительно сконфигурированного уровня.

В случае закорачивания внешней схемы и чрезмерных токов TLI4970 обеспечивает параллельный путь сигнала, что допускает обработку ошибок с задержкой менее чем в 3 мкс непосредственно в схеме драйвера или в МК. Системные разработчики могут программировать точную настройку обнаружения чрезмерных токов.

TLI4970 рекомендован для использования в высокоэффективных, надежных и недорогих солнечных инверторах, устройствах заряда, источниках питания, электроприводах и для контроля энергосберегающих светодиодных блоков освещения. Массовое производство датчика начнется в мае 2014 года, а образцы уже доступны. TLI4970 будет поставляться в компактном корпусе TISON (Thin Interstitial Small Outline No leads) SMD. Его размеры — 7×7×1 мм, поэтому микросхема подходит для недорогого автоматического монтажа.

Еще одним важным событием является выпуск вертикального двухэлементного датчика Холла TLE4966V с функциями определения скорости и направления вращения многополюсного магнитного ротора. Изменение ориентации датчика на 90° повышает гибкость дизайна в системах с ограниченным пространством.

 

Устройства человеко-машинного интерфейса

Компания Rohm рекомендует для контроля клавиш прокрутки и трекболов самые простые ИС Холла — ключи. Немногочисленные примеры более сложных устройств включают 2D-датчики положения джойстика EasyPoint AS5013 и 3D-датчики джойстиков MLX90333 на основе технологии Melexis Triaxis. Акцентируем свое внимание на устройствах магнитного наведения от AKM, представленных позднее других [4].

Устройства аналогового наведения (Analog Pointing Devices) от AKM

EQ0441 (рис. 18) — двухосевая линейная микросхема Холла для устройства магнитного наведения.

Устройства аналогового наведения (Analog Pointing Devices) AKM

Рис. 18. Устройства аналогового наведения (Analog Pointing Devices) AKM:
а) двухосевая линейная микросхема Холла EQ0441 для устройства магнитного наведения;
б) принцип работы

Ключевые признаки:

  • ИС Холла для аналоговых устройств наведения магнитного типа, состоящая из четырех высокочувствительных элементов Холла и обрабатывающей схемы.
  • 20‑выводный тонкий и малый корпус.
  • Интегрированный 8‑битный АЦП: коды X‑Y положения передаются посредством последовательного интерфейса.
  • Ультрамалое потребление мощности благодаря функции Power-down: типично 6 мкА в режиме внешней синхронизации.
  • Работает с внешним и внутренним тактированием.
  • Сигнал прерывания при выходе указателя за пределы запрограммированного расстояния.
  • Программируемая чувствительность для согласования геометрии, положения и материала магнита.

 

Электронные компасы на основе эффекта Холла AKM

Asahi Kasei Microdevices (AKM) — лидирующий производитель 3‑осевых электронных компасов на основе эффекта Холла для потребительских применений.

ИС электронных компасов AKM представляют собой датчики магнитного поля с широким динамическим диапазоном и практически идеальной линейностью. Монолитная кремниевая структура характеризуется высокой точностью и надежностью и оптимизирована для высокообъемного производства. Электронные компасы AKM, основанные на этой технологии, могут с высокой точностью детектировать направление азимута. Они широко используются в продуктах с ограниченным пространством. Компания, специалисты которой обладают обширными знаниями в сфере компасов, активно сотрудничает с поставщиками навигационных систем пешеходов GPS в устройствах наподобие смартфонов, мобильных планшетов или ПК.

AKM поставляет не только аппаратную часть, но и компенсационное ПО DOE (удостоенное награды the Imperial Invention Award 2012), а также другие программные приложения, которые повышают качество пользования электронными компасами.

Объединение аппаратной, программной частей и технической поддержки является сильным преимуществом электронных компасов AKM.

В дальнейшем компания собирается сделать акцент на разработке новых компактных продуктов с более высокими рабочими характеристиками и низким энергопотреблением. Примером является представленный в конце 2013 года AK09911 — высокочувствительный 3‑осевой электронный компас на основе эффекта Холла.

AK09911 — высокочувствительный 3‑осевой электронный компас на основе эффекта Холла

AK09911 представляет собой монолитный магнитный датчик Холла с интегрированным на кремниевом кристалле магнитным концентратором.

Малый корпус AK09911 включает в себя сенсорные элементы — датчики магнитного поля для обнаружения земного магнетизма по осям X, Y и Z, схему управления, цепи усилителя сигнала и арифметические схемы для обработки сигнала от каждого датчика (рис. 19). Есть и функция самодиагностики. Аналоговые цепи, цифровая логика, блоки питания и интерфейса также интегрированы на чипе. Благодаря малому фут-принту и тонкому корпусу датчик подходит для прокладки маршрутов до цели в GPS-оборудованных сотовых телефонах или планшетах для реализации пешеходной навигации.

AK09911 — высокочувствительный трехосевой магнитометр на основе эффекта Холла

Рис. 19. AK09911 — высокочувствительный трехосевой магнитометр на основе эффекта Холла

Трехосевой магнитометр имеет следующие ключевые особенности и функции:

  • 3‑осевой магнитометр с высокой чувствительностью на основе технологии датчиков Холла: устройство подходит для применения в составе компасов.
  • Встроенный АЦП для вывода данных магнитометра.
  • Чувствительность: 0,6 мкТл/LSB (номинал).
  • Широкий динамический диапазон и высокое разрешение с низким потреблением тока:
    • Разрешение выходных данных: 14 бит (0,6 мкТл/LSB) по каждой из трех осей.
    • Диапазон измерений: ±4900 мкТл.
  • Цифровой последовательный интерфейс:
    • Интерфейс I2C для управления функциями AK09911 и считывания измеренных данных внешним процессором.
    • Выделенный блок питания для шины I2C может работать при низком напряжении (до 1,65 В).
    • Стандартный высокоскоростной режим (до 2,5 МГц), совместимый со спецификацией Philips I2C Ver.2.1.
  • Режимы работы: Power-down, однократное измерение, непрерывное измерение, самотестирование и предохранитель доступа ROM.
  • DRDY — функция для измерения готовности данных. Вывод DRDY и регистр информируют систему о том, что измерение заканчивается и набор данных в регистрах готов для чтения.
  • Функция мониторинга переполнения магнитного датчика.
  • Синхронизация:
    • Встроенный осциллятор для источника внутренней синхронизации.
    • Устройство работает на основе кристального осциллятора и не требует источника внешней синхронизации.
  • Схема сброса при включении.
  • Функция самодиагностики с внутреннего магнитного источника служит для подтверждения работоспособности магнитного датчика в конечных продуктах.
  • Рабочая температура: –30…+85 °C.
  • Номинальное напряжение питания:
    • Аналоговый источник питания: 2,4–3,6 В.
    • Питание цифрового интерфейса: 1,65 В для аналогового напряжения.
  • Потребление тока:
    • В режиме Power-down: 3 мкА (номинал).
    • В режиме измерения: средняя потребляемая мощность при частоте повторения в 100 Гц: 2,5 мА (номинал).
  • Корпус: WL-CSP 8‑контактный AK09911C (BGA): 1,2×1,2×0,5 мм (стандартный).

Высокочувствительный трехосевой магнитометр адаптирован к осуществлению пешеходной городской навигации и рекомендован для использования в составе сотовых телефонов и других портативных приборов.

AKM — абсолютный лидер в сфере магнитометров на основе эффекта Холла, как по объемам, так и с технологической точки зрения. Эта компания достигла столь высокой чувствительности эффекта Холла благодаря оригинальной технологии с использованием ИМК.

Другие компании используют для магнитометров технологии АМР и ТМР. Все они вместе с ГМР объединены общим названием XMR, где первая буква уточняет тип используемого магниторезистивного эффекта. Все XMR-магниторезистивные технологии обладают широким набором преимуществ по сравнению с датчиками Холла. Поэтому полный спектр инноваций охватывает энкодеры, датчики скорости, ключи, магнитометры и любые прежде существующие и возникающие сейчас применения, для которых теперь имеется большой выбор альтернативных XMR-решений, компонентную базу которых мы рассмотрим в следующей части статьи.

Статья опубликована в №5’2014 журнала «Компоненты и технологии».

Литература
  1. Новый высоконадежный датчик Холла ams AS5162, совместимый со стандартом ISO26262, — в основе серии датчиков CPS Continental. http://www.innovationsinsightmag.com/news/novyy-vysokonadyozhnyy-datchik-holla-ams-as5162‑dlya-sistem-avtomobilnoy-bezopasnosti /ссылка устарела/.
  2. iC-MU: ИС внеосевого магнитного энкодера устанавливает новые стандарты — 18‑битное абсолютное разрешение для полых валов hollow-shaft, датчиков с отверстием под вал through-shaft и линейных систем. http://www.innovationsinsightmag.com/news/ic-mu-vneosevogo-magnitnogo-enkodera-ustanavlivaet-novye-standarty‑18‑bitnoe-absolyutnoe /ссылка устарела/.
  3. MLX91208 Melexis — новые программируемые датчики Холла Melexis для измерения тока семейства Triaxis IMC-Hall. http://www.innovationsinsightmag.com/news/mlx91208‑melexis-novye-programmiruemye-datchiki-holla-melexis-dlya-izmereniya-toka-semeystva /ссылка устарела/.
  4. Allegro MicroSystems, Inc. вводит инновационную опцию корпуса для портфолио ИС токовых датчиков. http://www.innovationsinsightmag.com/news/allegro-microsystems-inc-vvodit-innovacionnuyu-opciyu-korpusa-dlya-portfolio-tokovyh-datchikov /ссылка устарела/.
  5. ACS770 Allegro — новый высокоточный датчик тока с улучшенными температурными свойствами. http://www.innovationsinsightmag.com/news/acs770‑allegro-novyy-vysokotochnyy-datchik-toka-s‑uluchshennymi-temperaturnymi-svoystvami /ссылка устарела/.
  6. Новый малошумящий и высокоточный цифровой датчик тока ACS764 Allegro Microsystems. http://www.innovationsinsightmag.com/news/novyy-maloshumyashchiy-i‑vysokotochnyy-cifrovoy-datchik-toka-acs764‑allegro-microsystems /ссылка устарела/.
  7. TLI4970 Infineon — новый миниатюрный датчик для прецизионных измерений тока. http://www.innovationsinsightmag.com/news/tli4970‑infineon-novyy-miniatyurnyy-datchik-dlya-precizionnyh-izmereniy-toka /ссылка устарела/.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *