作者：Edgar Schaefer，Rutronik儒卓力汽車產(chǎn)品現(xiàn)場應用工程師

在自動駕駛的進程中，汽車配備了越來越多的傳感器。相比使用其他測量原理和技術的傳感器，基于霍爾效應的磁場傳感器擁有諸多優(yōu)勢。當前的型號還滿足了ISO 26262:2018標準更嚴格的要求。

當磁場施加到與電流方向垂直的半導體時，霍爾傳感器可檢測到其中產(chǎn)生的電壓差。由于霍爾電壓與磁場強度成正比，因此，這類傳感器與永磁體一起使用，可以間接測量許多變量，例如旋轉(zhuǎn)、速度、距離、壓力、角度和填充水平。由于傳感器通過穩(wěn)定的電流測量導體周圍的磁場強度，因此還可以在無接觸的情況下測量電流。同樣原理，還可以無接觸地檢測其他的參數(shù)，這意味著霍爾傳感器在運行時沒有任何磨損，即使在長期運行的情況下也能夠提供精確可靠的測量值。

人們通常將簡單的霍爾傳感器用作開關，例如用于汽車安全帶扣、擋風玻璃刮水器或發(fā)動機開關系統(tǒng)。在這些情況下，將磁場強度的閾值保存在傳感器中。如果檢測值達到該閾值，則傳感器的開關狀態(tài)就會發(fā)生改變。例如，邁來芯(Melexis)的MLX92241內(nèi)置隔直電容器，可直接使用電纜線束操作，從而實現(xiàn)近端無電路板設計，用于檢測安全帶是否系好等等。MLX92241的EEPROM存儲器可以存儲客戶特定的開關點閾值、輸出極性、Ioff電流和磁性材料的溫度補償系數(shù)?？?a target="_blank">編程的負溫度系數(shù)可用于補償永磁體在高溫下變?nèi)醯男袨樘匦??；魻杺鞲衅髟鋫浒踩珯C制，以防止靜電放電、反極性和熱過載現(xiàn)象。它們符合ASIL A安全等級要求。

線性霍爾傳感器測量距離和旋轉(zhuǎn)

具有線性輸出信號的霍爾傳感器是測量距離或旋轉(zhuǎn)運動所必需的器件。它們不僅可以識別“開”和“關”狀態(tài)，還可以輸出與磁場強度成正比的模擬信號。集成到 MCU 或霍爾傳感器中的A/D轉(zhuǎn)換器則將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。為了控制其他系統(tǒng)組件，其后，MCU輸出成比例的脈寬調(diào)制(PWM)信號或與SENT汽車傳感器總線系統(tǒng)兼容的數(shù)據(jù)流。一些最新一代霍爾傳感器具有內(nèi)置的 PWM接口和SENT接口。

如果使用僅僅檢測垂直于芯片平面的磁場的霍爾傳感器，通常需要使用較大且成本較高的附加組件。更先進的解決方案集成了數(shù)量日益增多的傳感器以及信號處理和計算功能，通常不需要額外的組件并且可以測量其它附加的參數(shù)。

例如，垂直霍爾傳感器不僅可以檢測垂直于電流方向的磁場，還可以檢測平行于電流方向或芯片平面的磁場。除了磁場的振幅外，2D傳感器還可以檢測其方向。例如，這可用于確定發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)方向。英飛凌基于霍爾效應的 Xensiv TLE4988C可以快速測量凸輪軸的位置。模塊制造商的一大好處是減少了對稀土反向偏置磁體的依賴；例如這款傳感器針對Fe、SmCo和NdFe進行了優(yōu)化。自動車載校準應用考慮了鐵磁輪和磁編碼器的公差以及傳感器的安裝容差，從而確保在實際應用環(huán)境中實現(xiàn)極其精確的傳感性能。TLE4988C采用帶有鍍錫的PG-SSO-3-52凸輪軸傳感器封裝，具有3 線電壓 I/F和增加的220/1.8nF電源/輸出電容以實現(xiàn)更高的EMC穩(wěn)健性。

英飛凌的Xensiv TLE5501模擬角度傳感器基于隧道磁阻(TMR)技術，具有高檢測靈敏度和高輸出電壓，無需內(nèi)部放大器，并允許傳感器直接連接到單片機。此外，TMR技術具有最小的溫度漂移，從而減少了對外部校準和補償?shù)男枰LE5501使用360°角測量，通過使用TMR元件測量正弦和余弦角分量來檢測磁場的方向。該傳感器以差分輸出信號的形式輸出原始信號。由于橋接輸出電壓較高，無需進行額外的信號放大。TLE5501通過AEC-Q100和汽車ASIL型款提供，適用于角位置感測、轉(zhuǎn)向角感測、安全應用和BLDC電機換向。

第三維度

3D霍爾傳感器技術結(jié)合了橫向和垂直霍爾傳感器，因此可以檢測所有三個維度的磁場強度。這類傳感器可以檢測每個移動磁鐵的絕對旋轉(zhuǎn)或線性位置。例如MLX92256配備了側(cè)向感應，這是專為在車窗升降系統(tǒng)中使用而設計的，在單一封裝中集成了一個電壓調(diào)節(jié)器、兩個霍爾傳感器(其中一個傳感器帶有集成磁集中器(IMC)，兩者均具有先進的偏移消除系統(tǒng))，以及兩個開漏型輸出驅(qū)動器。這款器件備有兩個型款。MLX92256LSE-AAA-000型款在橫向或垂直磁場分量發(fā)生變化時切換脈沖信號，而方向引腳僅在方向發(fā)生變化時改變。MLX92256LSE-ABA-000則配備兩個速度輸出，分別用于垂直磁場和橫向磁場。

Melexis的MLX90371/MLX90372Triaxis位置傳感器現(xiàn)已推出第三代產(chǎn)品，它們結(jié)合了磁性Triaxis霍爾前端、模擬/數(shù)字信號調(diào)節(jié)器、用于信號處理的DSP(數(shù)字信號處理器)和輸出級驅(qū)動器。車輛(尤其是電動和混合動力車輛)的電氣化程度不斷提高，可產(chǎn)生高達4kA/m (或5mT) 的雜散磁場，而這些傳感器仍然不受影響。這些器件也可以在弱磁場下工作，而且使用更小、更便宜的磁鐵就足夠了，這不僅可以帶來成本效益，還可以節(jié)省空間。MLX90371是符合ISO 26262標準的ASILBSEooC(不涉及安全性)，并提供模擬或PWM輸出；MLX90372則是符合ISO 26262 標準的ASIL-C SEooC，并具有SENT或PWM輸出。兩款傳感器均滿足汽車OEM廠商的EMC要求，并且指定工作溫度高達160°C。對于加速踏板位置感應等對安全要求特別嚴格的應用，MLX90372還提供“雙芯片”(完全冗余)TSSOP-16封裝，實現(xiàn)冗余感應功能。

TDK-Micronas提供用于位置感測的可編程3D 傳感器系列，該系列包含三個型款：具有 SPI 接口的 HAL 3900、具有PWM/SENT 接口和開關輸出(可配置為高/低側(cè)開關)的HAL 3930，以及具有PSI5 接口的HAL 3980。這些傳感器可以使用霍爾板陣列來抑制外部雜散磁場。只需要使用一塊簡單的兩極磁鐵來測量旋轉(zhuǎn)角度，最好放置在軸端配置的敏感區(qū)域。這個傳感器系列也可用于離軸測量，可以測量360°角度范圍、線性運動和 3D 位置，這些功能使其成為轉(zhuǎn)向角位置感測的理想選擇。根據(jù)產(chǎn)品不同，可以傳輸BX、BY、BZ的溫度補償值或最多兩個計算角度。HAL-39xy傳感器在–40°+160°C的環(huán)境溫度范圍內(nèi)運行；它們根據(jù)汽車應用 ISO 26262標準設計，符合ASILB要求并設計為SEooC產(chǎn)品。

堅固可靠

這些示例表明，傳感器技術不僅取得了巨大進步以滿足汽車行業(yè)日益增長的需求，它們的設計也在不斷地發(fā)展演進。許多最新型號還符合更嚴格的ISO 26262:2018 標準，其中有些是ASIL-C SEooC。冗余和安全功能以及改善EMC的措施，對此做出了很大的貢獻。采用相應的封裝可以確保傳感器防潮、防塵和防污。為了在高溫環(huán)境中使用，霍爾傳感器的工作溫度最高可達170°C。由于這些特性，它們是實現(xiàn)自動駕駛的重要技術。

審核編輯 黃宇