摘自Motaz Khader | 2018年1月23日， 翻译by 爱泽工业

 

霍尔效应传感器提供的低功耗，低成本和更小的占位面积使其成为各种设计和应用的理想选择。

 

当今楼宇自动化和个人电子市场的主要趋势包括小型化和便携性，以及智能化和低成本。然而，实现这些趋势既需要挑战，也需要权衡。霍尔效应传感是该市场*有前途的技术之一。

 

霍尔效应原理是Edwin Hall于1879年发明的一种流行的磁传感技术。原理是在向导体施加垂直磁场时，在载流导体（通常称为霍尔元件）中产生的差分电压。电压是由施加的磁场引起的洛伦兹力的结果，其导致电流电子集中在导体的一端并在两端之间产生电势差。

图1

 

电压通常称为霍尔电压（VH）

 

图1说明了霍尔效应原理以及电流，电压和磁场之间的关系。产生的电压通常称为霍尔电压（VH）。当不存在磁场时，电流电子的分布是均匀的并且VH是零。当施加磁场时，电流电子的分布受到干扰，并且将导致与电流和施加的磁场的交叉积成比例的非零VH。电流通常是固定的，导致VH与施加的磁场之间的直接关系。

 

VH具有非常小的值（用于产生施加磁场的每毫安的霍尔电流的电压电压的每伏特几微伏的量级（μV/ Vs / mT）。为了使该电压值可用，放大阶段放大差分电压并抑制任何共模信号，这就是为此阶段需要差分放大器的原因。

 

图2显示了霍尔效应传感器的典型组件。不同的霍尔效应传感器以多种方式使用差分放大器的输出来实现各种功能。有关霍尔效应传感器和其他磁传感器技术的更多详细信息，请查看德州仪器（TI）关于此主题的白皮书。

 

图2

 

基本霍尔效应传感器构建模块包括电源

 

霍尔元件和运算放大器

 

霍尔效应传感的好处

霍尔效应传感器已被证明是*受欢迎的磁场传感器之一，原因如下：

*低成本

*功耗低

*占地面积小

*可靠性高

*简单

*距离感应

*多功能性（开关，锁存，线性和多个磁阈值）

*真正的固态

*寿命长

*能够以固定输入（零速度）运行

*缺少活动部件

*逻辑兼容的输入和输出

*宽温度范围（-40至+ 150°C）

 

这些功能可转换为特定器件数据手册中的各种电气和磁性规范。您可以在TI的“了解和应用霍尔效应传感器数据表”应用笔记中了解有关这些规范以及如何解释这些规范的更多信息。此外，TI还提供了有关低功耗优势的技术说明。

 

霍尔效应传感器的类型

 

霍尔效应传感器可根据不同应用进行配置。它们通常可以分为两类：基于阈值和线性。

 

*基于阈值的霍尔效应传感器可以作为一个开关，通过单个输出（全极），两个输出（双极单极），锁存输出（双极）或一个极（单极）响应任一磁极。通常，如果场来自南极，则输出电压为正。如果场源是北极，则输出电压为负。 TI*近为数字霍尔效应传感器开发了一系列低功耗霍尔效应数字开关（DRV5032）和锁存器（DRV5012）。图3显示了这些传感器的传递函数。

 

*线性霍尔效应传感器有时被称为比率霍尔效应传感器，因为输出是比例信号，其相对于所施加的磁场线性变化;电源电压决定了输出范围。为了避免使用多个电源来偏置差分放大器级，所施加的偏移（零电压）将输出移位到正范围。此外，由于霍尔效应传感器在*大值和*小值附近饱和，因此线性区域通常定义为高于地面几百毫伏且低于电源电压几百毫伏。

 

图3

 

基于阈值的霍尔效应传感器

 

可以具有不同的传递函数

 

线性霍尔效应传感器可响应磁极或一极，以提高器件灵敏度。此外，输出可以是未调制的（线性模拟电压信号）或调制的（具有变化的占空比的脉冲宽度调制[PWM]信号），以便在嘈杂的环境中使用。图4显示了各种线性霍尔效应传感器的传递函数。

 

图4

 

传感器输出可以遵循线性（比率）

 

霍尔效应传感器传递函数（顶部）

 

或用于生成PWM信号（底部）

 

应用

霍尔效应传感器具有许多功能，使其对楼宇自动化和个人电子市场具有吸引力。以下是几种使用情况，其中这些传感器为各种终端设备启用不同的功能。

 

楼宇自动化

图5

 

霍尔效应传感器的楼宇自动化用例

 

包括旋转编码（a）

 

篡改/安装检测（b）

 

和自测（c）

 

*旋转编码：锁存型（如TI的DRV5012）或开关型单极霍尔效应传感器检测小型电机的转数，以确定电动百叶窗/灯罩或智能门锁的位置（图5a）。 （参见TI的“增量旋转编码器设计注意事项”技术说明。）

 

*开/关检测：对于可靠，高度连接和便携的物联网设备（例如，电池供电的无线窗口和门安全传感器），开关型霍尔效应传感器优于簧片开关，因为它们的功耗低，占地面积更小，可靠性更高。此外，它们没有活动部件，不易受环境条件的影响。 （参见TI的“具有低于1 GHz的低功率门窗传感器和10年纽扣电池寿命参考设计。”）

 

*篡改检测：开关型霍尔效应传感器可以从安装座检测便携式安全设备的存在与否。例子包括电池供电的门铃或无线商用烟雾探测器（图5b）。

 

*自检激活或1位无线本地通信：物理访问需要定期维护的某些设备以触发自检/诊断模式可能很困难。将开关型霍尔效应传感器放置在感兴趣的设备内并使用磁棒触发自检或诊断模式可以简化此过程（图5c）。

 

个人电子产品

 

*位置检测。开关型霍尔效应传感器可以优化和实现个人电子设备中的许多功能，包括手机和平板电脑的无线充电对准;手机和平板电脑的覆盖检测;笔记本电脑的盖子/屏幕位置检测;和配件检测平板电脑。

 

图6显示了使用基于阈值的霍尔效应开关的这些用例的几个示例。线性霍尔效应传感器可精确检测游戏和虚拟现实控制器的按钮位置，以及360度的屏幕角度。旋转笔记本。

图6

 

个人电子用例：

 

用于位置检测的霍尔效应开关（a）

 

游戏控制器和360笔记本电脑中的线性传感器（b）

 

小结

 

霍尔效应传感器的优势，例如低功耗，成本效益和更小的占地面积（仅举几例），使它们在楼宇自动化和个人电子设备中得到很好的定位。它们的多功能性使各种用例成为可能，从智能锁和阴影中的旋转编码到手机，平板电脑和笔记本电脑中的位置检测。

 

附翻译原文：（建议翻墙浏览）

http://www.electronicdesign.com/analog/hall-effect-sensing-makes-sense-building-automation-portables

 

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- 翻译：爱泽工业（如有偏颇，敬请指正）