双极开关霍尔效应 IC

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共有四大类提供数字输出的霍尔效应 IC 器件：单极开关、双极开关、全极开关和锁存器。本应用说明将主要阐述双极开关。如需了解关于单极开关、全极开关和 锁存器的类似应用说明，请访问 Allegro™ 网站。

双极传感器 IC 旨在设计成为灵敏开关。（请注意：“双极”指的是磁极性，与双极半导体芯片结构无关。）双极开关具有一致的磁滞性，但个别器件的开关点发生在相对偏正极或偏负极的范围内。因为磁场极性的交替确保了开关点的切换并且一致的磁滞性确保了周期性，故而这些器件适用于需要紧密排列、南北两极交替使用的情况，从而导致所需的磁信号幅度 ΔB 最小。

图 1 展示了应用于检测旋转轴的位置（例如在无刷直流电动机 (BLDC) 中）的情况。多个磁铁并入一个简单的结构，称为“环形磁铁”，它包含相对磁极性的交替区域。与每个环形磁铁相邻的 IC 封装就是霍尔双极开关器件。轴旋转时，磁场区向霍尔器件移动。器件将受到最近的磁场的影响，在与南极磁场相对时开启，在与北极磁场相对时关闭。请注意：器件的标记面应面向环形磁铁。

图 1：两个使用环形磁铁的双极器件应用范例。环形磁铁具有交替的 N（北）和 S（南）极性带，他们围绕霍尔器件旋转、使其开启和关闭。

磁性开关点术语

以下是用于定义霍尔开关操作的转换点或开关点的术语：

图 2：霍尔效应是指在外加电流受垂直磁场影响时存在可测量的电压。

• B  −  磁通密度的符号，是用于确定霍尔器件开关点的一个磁场属性。单位是高斯  (G) 或特斯拉  (T)。转换关系是 1 G = 0.1 mT。
  
  B 有南极和北极之分，所以有必要记住它的代数约定，B 在用于北极磁场时为负数，用于南极磁场时为正数。该约定可以用于对北极与南极数值进行算术比较，其中磁场的相对强度以 B 的绝对值表示，符号表示磁场的极性。例如，一个 − 100 G（北极）磁场和一个 100 G（南极）磁场具有相同的强度，但是极性相反。同样地，一个 − 100 G 磁场的强度要高于一个 − 50 G 磁场的强度。
  
  
•  B_OP  −  磁场工作点；使霍尔器件开启的强化磁场强度。器件输出的结果状态取决于器件的独特电子设计。
•  B_RP  −  磁场释放点；使霍尔器件关断的弱化磁场强度（对于某些类型的霍尔器件而言，则是在给出正 B_OP 的情况下的强化负磁场的强度）。器件输出的结果状态取决于器件的独特电子设计。
• B_HYS −  开关点磁滞回差。霍尔器件的传输功能利用开关点之间的这个偏移值来过滤掉在应用中可能由机械振动或电磁噪声引起的磁场中的小的波动值。B_HYS = | B_OP − B_RP |。

典型工作状态

双极开关通常有一个正值 B_OP 和一个负值 B_RP，但这些开关点出现时的磁场强度水平并不是正好关于中性水平 B = 0 G 对称的。凭借这一特点，双极开关比锁存型开关更灵敏、B_HYS 也更小（双极开关最初一直被当作是一个替代早期锁存器的低成本选择）。仅有一小部分 (≈10%) 双极开关的开关点范围完全在正（南）极或完全在负（北）极。所有这些典型范围都可以通过正（南）极和负（北）极磁场的交替变化稳定得到。在磁场被移除时，开关通常会关闭，但是为了确保释放，需要外加一个相反的磁场。

例如，双极开关可以是一个最大工作点 B_OP(max) 为 45 G、最小释放点 B_RP(min) 为 –40 G、最小磁滞 B_HYS(min) 为 15 G 的器件。但其最小工作点 B_OP(min) 可以低至 –25 G、最大释放点 B_RP(max) 可以高至 30 G。图  3 展示了具有此类开关点的假想器件单元的特征。图  3 顶部的曲线“最小 ΔB”展示了一个小的振幅如何引起开关的切换。

图  3：一个双极开关可能的开关点范围展示（与低磁通振幅、窄间距磁极交替目标一起使用）

图 3 阐明了双极开关的三个常用工作模式之间的差异：

• “锁存模式”描述的是任何一个有正值 B_OP 和负值 B_RP、像霍尔锁存型开关那样需要两个磁场来完成操作（但实际上并未锁存该器件的状态）的双极开关单元
• “单极模式”描述的是任何一个 B_OP 和 B_RP 均为正值（南极）的双极开关单元
• “负单极模式”（有时也称为“负开关”模式）描述的是任何一个 B_OP 和 B_RP 均为负值（北极）的双极开关单元

如果在磁极经过并且磁通密度接近中性水平 B = 0 G 时霍尔开关没有切换，那么在下一个磁极开始增加相反极性的磁通密度时，该开关必将关闭，因此，释放点的磁通密度就变得没有那么重要了。双极霍尔开关利用这个额外的释放点磁通量余量来实现更低的工作点通量密度，在环形磁铁应用中，这是一个明显的优势。

从图  3 底部的 V_OUT 曲线可以看出，对于这些模式，每个磁极的转换都是可靠的，而在不同的工作模式下输出的占空比也有所不同。在锁存模式下工作的双极开关具有近乎对称的开关点。当它与等间距的环形磁铁磁极配合工作时，它的占空比将趋向完美。话虽如此，即使开关点被扭曲，它的占空比仍然会接近 50%、关断时间所占比例为另外的 50%。对于电动机换相来说，这是非常理想的，能够实现较高的效率。具有单极模式的单元在南磁极经过时执行开启和关闭操作，在北磁极经过时没有反应。在这种模式下，这些单元拥有大概 40% 的占空比、关断时间所占比例为 60%。在负单极模式下工作的单元在北磁极经过时执行开启和关闭操作，在南磁极经过时没有反应。在这种模式下，这些单元拥有大概 60% 的占空比、关断时间所占比例为 40%。

图 4 的三个面板显示了双极传感器 IC 的工作模式的转换特征。

图  4A：锁存模式的特征。请注意：开关点磁滞区 B_HYS 包括中性通量密度水平 B = 0 G。

• 为了解释图  4A，假设器件通电时磁通密度在最左边，其中磁通量（B，在水平轴上）的负性比 B_RP 或 B_OP 要高。此时器件关闭，输出电压（V_OUT，在垂直轴上）较高。
• 向右的箭头表示在此方向上磁场的正性逐渐增加。当与 B_OP 相比，磁场较为偏正时，器件开启。这使输出电压转变为相反的状态（即，变低）。
• 若与 B_RP 相比，磁场仍偏正，则器件仍保持在开启状态且输出状态保持不变。即使在 B 的正性比 B_OP 略低（在开关磁滞 B_HYS 的内置区内）的情况下也是如此。
• 箭头转为向左表示磁场正性减少、逐渐变负。当磁场再次降至 B_RP 以下时，器件关闭。这使输出变回初始状态（即，变高）。

• 为了解释图  4B，假设器件通电时磁通密度在最左边，其中磁通量（B，在水平轴上）的正性比 B_RP 或 B_OP 要低。此时器件关闭，输出电压（V_OUT，在垂直轴上）较高。
• 向右的箭头表示在此方向上磁场的正性逐渐增加。当与 B_OP 相比，磁场较为偏正时，器件开启。这使输出电压转变为相反的状态（即，变低）。
• 若与 B_RP 相比，磁场仍偏正，则器件仍保持在开启状态且输出状态保持不变。即使在 B 的正性比 B_OP 略低（在开关磁滞 B_HYS 的内置区内）的情况下也是如此。
• 箭头转为向左表示在此方向上磁场的正性减少。当磁场再次降至 B_RP 以下时，器件关闭。这使输出变回初始状态（即，变高）。

图  4C：负单极（负开关）模式的特征。请注意：相对于中性通量密度水平 B = 0 G 而言，开关点磁滞区 B_HYS 的磁性完全更偏向北极。南极磁场虽然可以在北极磁场经过后通过消散剩余的磁通量来帮助切换，但它不会对器件产生任何影响。 

• 为了解释图  4C，假设器件通电时磁通密度在最左边，其中磁通量（B，在水平轴上）的负性比 B_RP 或 B_OP 要高。此时器件关闭，输出电压（V_OUT，在垂直轴上）较高。
• 向右的箭头表示在此方向上磁场的负性减少。当磁场的负性比 B_OP 要低时，器件开启。这使输出电压转变为相反的状态（即，变低）。
• 若磁场的负性仍比 B_OP 要低，则器件仍保持在开启状态且输出状态保持不变。即使在 B 的正性比 B_OP 略低（在开关磁滞 B_HYS 的内置区内）的情况下也是如此。
• 箭头转为向左表示在此方向上磁场的正性减少。当磁场再次降至 B_RP 以下时，器件关闭。这使输出变回初始状态（即，变高）。

磁铁

一个磁铁可以提供两个相反的磁极，然而，用环形或条形磁铁材料更符合成本效益。环形和条形磁铁可以在指定间距的情况下使磁极交替变换。环形磁铁可以是环型或圆盘状的组件（见图  1），其径向或轴向磁极交替变化。条形磁铁是一个磁极交替变换的扁平条形结构。环形磁铁可以由多种材料制成，包括陶瓷、稀土材料和柔性材料。条形磁铁采用的几乎都是柔性材料，如丁腈橡胶粘合剂（包含定向钡铁氧体），或更高级的能源稀土材料。

环形磁铁通常有许多磁极，而条形磁铁一般用磁极/英寸来定义。一个四极环形磁铁包含两个北极和两个南极且这些磁极会交替转换 (N-S-N-S)，而一个每英寸含 11  个磁极的条形磁铁每间隔 0.0909 英寸就有一个磁极转换。磁铁制造商可以满足各种极间距离要求。

上拉电阻器

上拉电阻器必须连接在电源正极和输出引脚之间（见图  4）。上拉电阻器的阻值一般是 1 至 10 kΩ。最小上拉电阻是传感器 IC 最大输出电流（灌电流）和实际电源电压的函数。20 mA 是最大输出电流的典型值，在这种情况下，最少可拉 V_CC / 0.020 A 的负载。在担心电流消耗的情况下，上拉电阻最高可达 50~100 kΩ。注意：如果上拉电阻较大，可能会导致外部漏电流接地，而由于接地漏电流过高，即使器件处于磁关断状态，输出电压也可能会下降。这不是器件的问题，其根本原因在于上拉电阻器与传感器 IC 输出引脚之间的导体发生了电流泄露。严重的话，这会使传感器 IC 输出电压大幅降低以至于使其丧失适当的外部逻辑功能。

图 5：典型应用图。

旁路电容器的使用

参考图  5 了解旁路电容器的布局设计。一般来说：

• 对于没有采用稳定斩波技术的设计， − 建议在输出和接地引脚以及电源和接地引脚之间分别放置一个 0.01 µF 的电容器。
• 对于采用了稳定斩波技术的设计， − 必须在电源和接地引脚之间放置一个 0.1 µF 的电容器，最好再在输出和接地引脚之间放置一个 0.01 µF 的电容器。

通电状态

在接通电源时，只有在磁场强度大于 B_OP 或小于 B_RP 的情况下，双极器件才能有效通电。如果磁场强度处于磁滞带，即在 B_OP 和 B_RP 之间，则器件最初处于开启或关闭状态，然后在首次经过一个开关点之后达到正确的状态。可以为器件设计上电逻辑，以确保器件在到达开关点之前一直处于关闭状态。 

通电时间

通电时间在某种程度上取决于器件的设计。数字输出传感器 IC（例如双极器件）在初始通电时可在如下时间内达到稳定状态。 

从根本上来讲，这意味着：在通电之后、经历这段时间之前，器件的输出可能处于一个不正确的状态，但在经过这段时间之后，器件的输出肯定处于正确的状态。

功耗

总功耗是以下两个因素的总和：

• 传感器 IC 消耗的功率，不包括在输出端损耗的功率。这个值的大小是 V_CC 与电源电流的乘积。V_CC 是器件电源电压，电源电流如数据表中所示。例如，已知 V_CC = 12 V 并且电源电流 = 9 mA，则功耗 = 12 × 0.009 or 108 mW。
• 在输出晶体管中消耗的功率。这个值的大小是 V_(on)(sat) 与输出电流（由上拉电阻器决定）的乘积。如果 V_(on)(sat) 为 0.4 V（最坏的情况）、输出电流为 20 mA（通常是最坏的情况），则消耗的功率为 0.4 × 0.02 = 8 mW。正如你所看到的，由于饱和电压的值非常小，所以在输出上的功耗也比较小。

在这个例子中，总功耗为 108 + 8 = 116 mW。将这个数字用在相关封装的数据表的降额图表中，检查是否有必要降低最大允许工作温度。

常见问题

问题：我如何确定磁铁的方向？

回答：磁极面向器件的标记面。标记面上有器件的识别标志，例如部分型号或日期代码。

问题：我可以将磁铁靠近器件背面吗？

回答：可以，但要记住：如果磁铁的磁极朝着同一个方向，则从正面看，穿过器件的磁流场的方向保持不变（例如，如果从正面看，南磁极比较接近器件，那么若从背面看，北磁极比较接近器件）。然后，北磁极会针对霍尔元件产生一个正磁场，而南磁极会产生一个负磁场。

问题：有用于接近器件背面的权衡方法吗？

回答：有。由于霍尔元件与正面（封装标记面）之间的距离比较近（相对于背面而言），从封装正面接近时会出现一个“更清洁的”信号。例如，对于“UA”封装，带有霍尔元件的芯片位于封装标记面内 0.50 mm 处，距离背面大约 1.02 mm。（标记面与霍尔元件之间的距离称为“有效面积深度”。）

问题：一个很大的磁场会损坏霍尔效应器件吗？

回答：不会。一个很大的磁场不会损坏 Allegro 霍尔效应器件，也不会导致磁滞增加（计划内的磁滞除外）。

问题：我为什么需要一个稳定斩波型器件？

回答：与非斩波设计相比，稳定斩波型传感器 IC 具有更高的灵敏度和控制更为严密的开关点。它也许还能承受更高的工作温度。大多数新器件设计都采用了斩波型霍尔元件。

推荐的器件

Allegro 双极开关载列于公司网站的选择指南中，详情请参考“霍尔效应锁存器与 双极开关”。

可能的应用

• 无刷直流电动机的转动
• 速度感测
• 脉冲计数器、编码器
• 汽车

相关器件类型的应用说明

• 单极 开关 
• 全极 开关 
• 锁存型 开关 （锁存器） 

参考：AN27705