磁传感器 IC 提供符合 ASIL 的综合诊断功能
作者： Allegro 微系统有限责任公司 Gary Pepka
摘要
当今智能车辆控制系统的变革在很大程度上依赖于一项迅速发展的物理探测技术——磁传感器集成电路 (IC)。非接触式磁传感器 IC 的复杂性、可靠性、适应性和功能性使得新一代汽车几乎不再需要应用电动机械开关。然而，随着复杂电子元件使用的日益增长，人们也越来越关注难以检测的系统层面风险。这又促使汽车工业对汽车功能安全的重视。ISO 26262 功能安全标准概括了包括风险最小化预测分析在内的一项开发流程。该流程需要能直接整合进磁传感器 IC 系统的高级诊断功能。有关人员进行了一项关于新型磁传感器 IC 执行综合诊断功能的测试，并利用嵌入式固态特拉斯线圈进行了端对端系统测试。
综述
当打开任何一辆最新款汽车的车门后，你会立即被一张无形的电子传感器网络所包围。这个传感器网路可检测安全带系扣状态、车窗或天窗收放状态、变速杆档位、发动机传速器转速和方向、凸轮轴位置等。各类非接触式磁传感器的发展（如：霍尔效应、巨磁阻 (GMR)、各向异性磁阻 （AMR））在上述应用中实现了即时传感。除了具有极小的形状因数外，上述最先进的固态半导体 IC 还具有高性价比、高功率和非接触的优点，能在汽车发动机噪声环境下采集广泛的数据流，同时还能对车况轻微变化作出敏锐反应。
这些传感系统具有先进的复杂计算性能，能够进行高阶输出排列。然而，这对实现 ISO 26262 安全功能要求提出了挑战，因为器件状态复杂性和车辆运行条件的多样性使得无法在设计中预测或在测试程序中发现所有使用场景和故障模式。鉴于保护乘客和维护车辆需要接近瞬时的反应，这些新型传感系统在出现故障时须能自诊断，甚至通常能自我纠正。
由于常规解决方案采用具有有限运行状态（运行状态和非运行状态）的电动机械开关，因此检测故障简单直接。焊接式簧片开关触点会出现短路情况。破损的开关簧片会阻止输出状态改变。系统层面故障难以预测。预防性维护通常基于通用的“平均故障时间 (MTTF) ”数据，其开关采用余裕设计，无需进行调整，即可适应所有合理情形。
图 1：基于霍尔效应的磁传感器 IC 具备在限制区域（如：变速杆和安全带扣环）采集微型数据的功能。
由于 IC 可提供次优输出，因此根据 ISO 26262 "汽车安全完整性等级 (ASIL) "要求，汽车应用中还需其它安全措施避免不合理的剩余风险。ASIL 旨在分配安全目标，而非表征整个系统或组件。ASIL D 级要求苛刻，要求制造商采用包括“故障模式影响及诊断分析(FMEDA)”在内的严格开发指南，对极低的故障风险进行量化。上述复杂性需要综合诊断来确保检测系统层面故障和开启安全模式（降级模式）。
高安全性应用程序冗余
对于高安全性功能而言，系统中的可行选项是多余的。由于机电通常为笨重或直列式设计，因此其不能容纳容错冗余，其中替代控制可通过在线引入。磁控系统允许适当位置上控制电路的自动交换，进而容纳容错冗余，因为磁传感器 IC 无需与正在检测的机械部件目标或电路接触或直接电连接。
冗余有多种形式。系统可包含一对极为贴近的非接触式磁传感器 IC 。每个传感器 IC 均配有各自的电源、接地和输出；如果其中一个传感器出现故障，另一个传感器通过诊断功能检测到故障之后将接替故障传感器。控制器的同期组群未按预期功能进行切换时，互补式传感器 IC 可仅用于向其发出通知。还有带自诊断功能的传感器 IC；当出现非正常运行时，它会向控制器发出报告，且无需其他传感器 IC 协助。
开启电磁传感器 IC 的诊断功能
磁传感器可能需要进行监控，以确保器件本身正常运行并根据磁场变化适时切换。
一种解决方案是提供单一自诊断传感器 IC；该传感器具有成本低、 PCB 空间占用少、与两种互补式传感器 IC 相比在实际应用中便于制造的优点。该解决方案还可通过处理正常电学性能和磁力切换测量的复杂性帮助设计工程师满足预期功能安全要求。
自诊断技术的一项最新进展，尤其是应用磁场分析的阶段方面的进展就是磁传感器 IC 采用了嵌入式探测线圈。如图 2 中的例子所示，在Allegro 微系统 A1160 单极霍尔效应开关中，霍尔元件由嵌入式线圈围绕。这是一种性价比高、节省空间的解决方案，其中外磁场调节结构无需集中与引导周围磁场。
图 2：磁场波动检测
在 Allegro 微系统 A1160 中，霍尔元件周围的新型线圈结构增强了磁场波动检测。该线圈和霍尔元件均嵌入在 IC 基板内。
Allegro 微系统 A1160 采用常规单极霍尔效应开关功能：当内嵌霍尔元件检测到高强垂直（地磁南极）磁场与内比测仪切换点相交时， A1160 的输出开启。 A1160 的独特之处是：IC 硅芯片有内嵌线圈。该线圈围绕在霍尔元件周围。当逻辑 I/O 引脚——诊断开启引脚拉高时， A1160 允许 10 mA 电流通过该线圈。由于线圈与霍尔元件极为贴近，因此通电线圈能产生足以开启器件（包括传感元件）的磁场，进而评估器件的整个信号路径。诊断开启引脚拉高时，A1160 输出 (PW) 脉宽信号。若 PW 信号占空比为 50%，则视 A1160 为正常运行。若 PW 信号占空比为 0% 或 100%，则视 A1160 为非正常运行（见图 3）。
图 3：Allegro 微系统 A1160 自诊断
诊断开启引脚拉高时， A1160 输出诊断信号。50% 的占空比表明 A1160 正常运行。
为开启上述诊断的自校正功能，须固定线圈匝数和调节电流大小。因此，线圈所产生的磁场大小可精确复验；若诊断模式下的磁场因某种原因（如：时间或应力原因）而发生变化，则诊断模式可检测到变化。诊断模式下和正常运行模式下的比测仪相同，二者仅存在偏置 (mV) 差异（见图 4）。因此，当该器件处于诊断模式时，诊断信号从调节器到通电线圈一直到输出的操作提供了对全信号路径的端对端测试（见图 4）。
图 4：配套比测仪
配套比测仪确保 Allegro 微系统 A1160 中的自诊断模式能够验证正常运行模式。
为防止外磁场变动所产生的附带效应，其专门的集成线圈设计理念还能允许传感元件以不同的方式探测线圈。这意味着：诊断功能可随时使用；即便该器件置于外部高强磁场时，亦能开启正常运行模式。另外，在诊断模式下重新配置传感元件使其对差场敏感时，传感元件可直接拒绝任何外磁场。
其它应用发现
上述先进器件设计理念提供了针对 ECU 轮询信号的模式诊断功能，不断发展的器件也在启动时运行诊断功能。A1160 常规应用电路见图 5， 目前正在开发各种输出选择（2 线和 3 线），同时还在开发具有探测位置、传输、速度和方向改变的传感技术。开发初衷是为了提高满足汽车市场功能安全要求的能力，它的应用非常广泛，包括工业自动化和大型家用电器等等。
图 5：执行磁传感器 IC 解决方案的常规应用
总结
汽车、工业和商业市场对可靠性和功能性要求的日益提高会驱动对电子元件的需求，如具有诊断功能的非接触式磁传感器 IC 。Allegro 创新型诊断开关采用集成线圈，为设计工程师提供了一项可满足任何安全要求的高性价比、人性化、独特的解决方案。
本文所含信息不作为 Allegro 就本文主题而向客户做出的任何声明、担保、承诺、保证或诱导。本文所提供的信息并不保证基于此信息的流程的可靠性，亦不保证 Allegro 已探究了所有可能出现的故障模式。应由客户’负责对最终产品进行充分的合格性测试，确保产品可靠且符合所有设计要求。
于 2014 年 2 月首发于《设计新闻》杂志，版权归©2014 UBM 电子公司所有。经许可重印。
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