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共有四大類提供數(shù)字輸出的霍爾效應(yīng) IC 器件：單極開關(guān)、雙極開關(guān)、全極開關(guān)和鎖存器。本應(yīng)用說明將主要闡述雙極開關(guān)。如需了解關(guān)于單極開關(guān)、全極開關(guān)和 鎖存器的類似應(yīng)用說明，請?jiān)L問 Allegro? 網(wǎng)站。

雙極傳感器 IC 旨在設(shè)計(jì)成為靈敏開關(guān)。（請注意：“雙極”指的是磁極性，與雙極半導(dǎo)體芯片結(jié)構(gòu)無關(guān)。）雙極開關(guān)具有一致的磁滯性，但個(gè)別器件的開關(guān)點(diǎn)發(fā)生在相對偏正極或偏負(fù)極的范圍內(nèi)。因?yàn)榇艌鰳O性的交替確保了開關(guān)點(diǎn)的切換并且一致的磁滯性確保了周期性，故而這些器件適用于需要緊密排列、南北兩極交替使用的情況，從而導(dǎo)致所需的磁信號幅度 ΔB 最小。

圖 1 展示了應(yīng)用于檢測旋轉(zhuǎn)軸的位置（例如在無刷直流電動(dòng)機(jī) (BLDC) 中）的情況。多個(gè)磁鐵并入一個(gè)簡單的結(jié)構(gòu)，稱為“環(huán)形磁鐵”，它包含相對磁極性的交替區(qū)域。與每個(gè)環(huán)形磁鐵相鄰的 IC 封裝就是霍爾雙極開關(guān)器件。軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁場區(qū)向霍爾器件移動(dòng)。器件將受到最近的磁場的影響，在與南極磁場相對時(shí)開啟，在與北極磁場相對時(shí)關(guān)閉。請注意：器件的標(biāo)記面應(yīng)面向環(huán)形磁鐵。

圖 1：兩個(gè)使用環(huán)形磁鐵的雙極器件應(yīng)用范例。環(huán)形磁鐵具有交替的 N（北）和 S（南）極性帶，他們圍繞霍爾器件旋轉(zhuǎn)、使其開啟和關(guān)閉。

磁性開關(guān)點(diǎn)術(shù)語

以下是用于定義霍爾開關(guān)操作的轉(zhuǎn)換點(diǎn)或開關(guān)點(diǎn)的術(shù)語：

圖 2：霍爾效應(yīng)是指在外加電流受垂直磁場影響時(shí)存在可測量的電壓。

• B  ?  磁通密度的符號，是用于確定霍爾器件開關(guān)點(diǎn)的一個(gè)磁場屬性。單位是高斯  (G) 或特斯拉  (T)。轉(zhuǎn)換關(guān)系是 1 G = 0.1 mT。
  
  B 有南極和北極之分，所以有必要記住它的代數(shù)約定，B 在用于北極磁場時(shí)為負(fù)數(shù)，用于南極磁場時(shí)為正數(shù)。該約定可以用于對北極與南極數(shù)值進(jìn)行算術(shù)比較，其中磁場的相對強(qiáng)度以 B 的絕對值表示，符號表示磁場的極性。例如，一個(gè) ? 100 G（北極）磁場和一個(gè) 100 G（南極）磁場具有相同的強(qiáng)度，但是極性相反。同樣地，一個(gè) ? 100 G 磁場的強(qiáng)度要高于一個(gè) ? 50 G 磁場的強(qiáng)度。
  
  

•  B_OP  ?  磁場工作點(diǎn)；使霍爾器件開啟的強(qiáng)化磁場強(qiáng)度。器件輸出的結(jié)果狀態(tài)取決于器件的獨(dú)特電子設(shè)計(jì)。

•  B_RP  ?  磁場釋放點(diǎn)；使霍爾器件關(guān)斷的弱化磁場強(qiáng)度（對于某些類型的霍爾器件而言，則是在給出正 B_OP 的情況下的強(qiáng)化負(fù)磁場的強(qiáng)度）。器件輸出的結(jié)果狀態(tài)取決于器件的獨(dú)特電子設(shè)計(jì)。

• B_HYS ?  開關(guān)點(diǎn)磁滯回差?；魻柶骷膫鬏敼δ芾瞄_關(guān)點(diǎn)之間的這個(gè)偏移值來過濾掉在應(yīng)用中可能由機(jī)械振動(dòng)或電磁噪聲引起的磁場中的小的波動(dòng)值。B_HYS = | B_OP ? B_RP |。

典型工作狀態(tài)

雙極開關(guān)通常有一個(gè)正值 B_OP 和一個(gè)負(fù)值 B_RP，但這些開關(guān)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)的磁場強(qiáng)度水平并不是正好關(guān)于中性水平 B = 0 G 對稱的。憑借這一特點(diǎn)，雙極開關(guān)比鎖存型開關(guān)更靈敏、B_HYS 也更?。p極開關(guān)最初一直被當(dāng)作是一個(gè)替代早期鎖存器的低成本選擇）。僅有一小部分 (≈10%) 雙極開關(guān)的開關(guān)點(diǎn)范圍完全在正（南）極或完全在負(fù)（北）極。所有這些典型范圍都可以通過正（南）極和負(fù)（北）極磁場的交替變化穩(wěn)定得到。在磁場被移除時(shí)，開關(guān)通常會關(guān)閉，但是為了確保釋放，需要外加一個(gè)相反的磁場。

例如，雙極開關(guān)可以是一個(gè)最大工作點(diǎn) B_OP(max) 為 45 G、最小釋放點(diǎn) B_RP(min) 為 –40 G、最小磁滯 B_HYS(min) 為 15 G 的器件。但其最小工作點(diǎn) B_OP(min) 可以低至 –25 G、最大釋放點(diǎn) B_RP(max) 可以高至 30 G。圖  3 展示了具有此類開關(guān)點(diǎn)的假想器件單元的特征。圖  3 頂部的曲線“最小 ΔB”展示了一個(gè)小的振幅如何引起開關(guān)的切換。

圖  3：一個(gè)雙極開關(guān)可能的開關(guān)點(diǎn)范圍展示（與低磁通振幅、窄間距磁極交替目標(biāo)一起使用）

圖 3 闡明了雙極開關(guān)的三個(gè)常用工作模式之間的差異：

• “鎖存模式”描述的是任何一個(gè)有正值 B_OP 和負(fù)值 B_RP、像霍爾鎖存型開關(guān)那樣需要兩個(gè)磁場來完成操作（但實(shí)際上并未鎖存該器件的狀態(tài)）的雙極開關(guān)單元

• “單極模式”描述的是任何一個(gè) B_OP 和 B_RP 均為正值（南極）的雙極開關(guān)單元

• “負(fù)單極模式”（有時(shí)也稱為“負(fù)開關(guān)”模式）描述的是任何一個(gè) B_OP 和 B_RP 均為負(fù)值（北極）的雙極開關(guān)單元

如果在磁極經(jīng)過并且磁通密度接近中性水平 B = 0 G 時(shí)霍爾開關(guān)沒有切換，那么在下一個(gè)磁極開始增加相反極性的磁通密度時(shí)，該開關(guān)必將關(guān)閉，因此，釋放點(diǎn)的磁通密度就變得沒有那么重要了。雙極霍爾開關(guān)利用這個(gè)額外的釋放點(diǎn)磁通量余量來實(shí)現(xiàn)更低的工作點(diǎn)通量密度，在環(huán)形磁鐵應(yīng)用中，這是一個(gè)明顯的優(yōu)勢。

從圖  3 底部的 V_OUT 曲線可以看出，對于這些模式，每個(gè)磁極的轉(zhuǎn)換都是可靠的，而在不同的工作模式下輸出的占空比也有所不同。在鎖存模式下工作的雙極開關(guān)具有近乎對稱的開關(guān)點(diǎn)。當(dāng)它與等間距的環(huán)形磁鐵磁極配合工作時(shí)，它的占空比將趨向完美。話雖如此，即使開關(guān)點(diǎn)被扭曲，它的占空比仍然會接近 50%、關(guān)斷時(shí)間所占比例為另外的 50%。對于電動(dòng)機(jī)換相來說，這是非常理想的，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的效率。具有單極模式的單元在南磁極經(jīng)過時(shí)執(zhí)行開啟和關(guān)閉操作，在北磁極經(jīng)過時(shí)沒有反應(yīng)。在這種模式下，這些單元擁有大概 40% 的占空比、關(guān)斷時(shí)間所占比例為 60%。在負(fù)單極模式下工作的單元在北磁極經(jīng)過時(shí)執(zhí)行開啟和關(guān)閉操作，在南磁極經(jīng)過時(shí)沒有反應(yīng)。在這種模式下，這些單元擁有大概 60% 的占空比、關(guān)斷時(shí)間所占比例為 40%。

圖 4 的三個(gè)面板顯示了雙極傳感器 IC 的工作模式的轉(zhuǎn)換特征。

圖  4A：鎖存模式的特征。請注意：開關(guān)點(diǎn)磁滯區(qū) B_HYS 包括中性通量密度水平 B = 0 G。

• 為了解釋圖  4A，假設(shè)器件通電時(shí)磁通密度在最左邊，其中磁通量（B，在水平軸上）的負(fù)性比 B_RP 或 B_OP 要高。此時(shí)器件關(guān)閉，輸出電壓（V_OUT，在垂直軸上）較高。

• 向右的箭頭表示在此方向上磁場的正性逐漸增加。當(dāng)與 B_OP 相比，磁場較為偏正時(shí)，器件開啟。這使輸出電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橄喾吹臓顟B(tài)（即，變低）。

• 若與 B_RP 相比，磁場仍偏正，則器件仍保持在開啟狀態(tài)且輸出狀態(tài)保持不變。即使在 B 的正性比 B_OP 略低（在開關(guān)磁滯 B_HYS 的內(nèi)置區(qū)內(nèi)）的情況下也是如此。

• 箭頭轉(zhuǎn)為向左表示磁場正性減少、逐漸變負(fù)。當(dāng)磁場再次降至 B_RP 以下時(shí)，器件關(guān)閉。這使輸出變回初始狀態(tài)（即，變高）。

• 為了解釋圖  4B，假設(shè)器件通電時(shí)磁通密度在最左邊，其中磁通量（B，在水平軸上）的正性比 B_RP 或 B_OP 要低。此時(shí)器件關(guān)閉，輸出電壓（V_OUT，在垂直軸上）較高。

• 向右的箭頭表示在此方向上磁場的正性逐漸增加。當(dāng)與 B_OP 相比，磁場較為偏正時(shí)，器件開啟。這使輸出電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橄喾吹臓顟B(tài)（即，變低）。

• 若與 B_RP 相比，磁場仍偏正，則器件仍保持在開啟狀態(tài)且輸出狀態(tài)保持不變。即使在 B 的正性比 B_OP 略低（在開關(guān)磁滯 B_HYS 的內(nèi)置區(qū)內(nèi)）的情況下也是如此。

• 箭頭轉(zhuǎn)為向左表示在此方向上磁場的正性減少。當(dāng)磁場再次降至 B_RP 以下時(shí)，器件關(guān)閉。這使輸出變回初始狀態(tài)（即，變高）。

圖  4C：負(fù)單極（負(fù)開關(guān)）模式的特征。請注意：相對于中性通量密度水平 B = 0 G 而言，開關(guān)點(diǎn)磁滯區(qū) B_HYS 的磁性完全更偏向北極。南極磁場雖然可以在北極磁場經(jīng)過后通過消散剩余的磁通量來幫助切換，但它不會對器件產(chǎn)生任何影響。 

• 為了解釋圖  4C，假設(shè)器件通電時(shí)磁通密度在最左邊，其中磁通量（B，在水平軸上）的負(fù)性比 B_RP 或 B_OP 要高。此時(shí)器件關(guān)閉，輸出電壓（V_OUT，在垂直軸上）較高。

• 向右的箭頭表示在此方向上磁場的負(fù)性減少。當(dāng)磁場的負(fù)性比 B_OP 要低時(shí)，器件開啟。這使輸出電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橄喾吹臓顟B(tài)（即，變低）。

• 若磁場的負(fù)性仍比 B_OP 要低，則器件仍保持在開啟狀態(tài)且輸出狀態(tài)保持不變。即使在 B 的正性比 B_OP 略低（在開關(guān)磁滯 B_HYS 的內(nèi)置區(qū)內(nèi)）的情況下也是如此。

• 箭頭轉(zhuǎn)為向左表示在此方向上磁場的正性減少。當(dāng)磁場再次降至 B_RP 以下時(shí)，器件關(guān)閉。這使輸出變回初始狀態(tài)（即，變高）。

磁鐵

一個(gè)磁鐵可以提供兩個(gè)相反的磁極，然而，用環(huán)形或條形磁鐵材料更符合成本效益。環(huán)形和條形磁鐵可以在指定間距的情況下使磁極交替變換。環(huán)形磁鐵可以是環(huán)型或圓盤狀的組件（見圖  1），其徑向或軸向磁極交替變化。條形磁鐵是一個(gè)磁極交替變換的扁平條形結(jié)構(gòu)。環(huán)形磁鐵可以由多種材料制成，包括陶瓷、稀土材料和柔性材料。條形磁鐵采用的幾乎都是柔性材料，如丁腈橡膠粘合劑（包含定向鋇鐵氧體），或更高級的能源稀土材料。

環(huán)形磁鐵通常有許多磁極，而條形磁鐵一般用磁極/英寸來定義。一個(gè)四極環(huán)形磁鐵包含兩個(gè)北極和兩個(gè)南極且這些磁極會交替轉(zhuǎn)換 (N-S-N-S)，而一個(gè)每英寸含 11  個(gè)磁極的條形磁鐵每間隔 0.0909 英寸就有一個(gè)磁極轉(zhuǎn)換。磁鐵制造商可以滿足各種極間距離要求。

上拉電阻器

上拉電阻器必須連接在電源正極和輸出引腳之間（見圖  4）。上拉電阻器的阻值一般是 1 至 10 kΩ。最小上拉電阻是傳感器 IC 最大輸出電流（灌電流）和實(shí)際電源電壓的函數(shù)。20 mA 是最大輸出電流的典型值，在這種情況下，最少可拉 V_CC / 0.020 A 的負(fù)載。在擔(dān)心電流消耗的情況下，上拉電阻最高可達(dá) 50~100 kΩ。注意：如果上拉電阻較大，可能會導(dǎo)致外部漏電流接地，而由于接地漏電流過高，即使器件處于磁關(guān)斷狀態(tài)，輸出電壓也可能會下降。這不是器件的問題，其根本原因在于上拉電阻器與傳感器 IC 輸出引腳之間的導(dǎo)體發(fā)生了電流泄露。嚴(yán)重的話，這會使傳感器 IC 輸出電壓大幅降低以至于使其喪失適當(dāng)?shù)耐獠窟壿嫻δ堋?/p>

圖 5：典型應(yīng)用圖。

旁路電容器的使用

參考圖  5 了解旁路電容器的布局設(shè)計(jì)。一般來說：

• 對于沒有采用穩(wěn)定斬波技術(shù)的設(shè)計(jì)， ? 建議在輸出和接地引腳以及電源和接地引腳之間分別放置一個(gè) 0.01 μF 的電容器。

• 對于采用了穩(wěn)定斬波技術(shù)的設(shè)計(jì)， ? 必須在電源和接地引腳之間放置一個(gè) 0.1 μF 的電容器，最好再在輸出和接地引腳之間放置一個(gè) 0.01 μF 的電容器。

通電狀態(tài)

在接通電源時(shí)，只有在磁場強(qiáng)度大于 B_OP 或小于 B_RP 的情況下，雙極器件才能有效通電。如果磁場強(qiáng)度處于磁滯帶，即在 B_OP 和 B_RP 之間，則器件最初處于開啟或關(guān)閉狀態(tài)，然后在首次經(jīng)過一個(gè)開關(guān)點(diǎn)之后達(dá)到正確的狀態(tài)。可以為器件設(shè)計(jì)上電邏輯，以確保器件在到達(dá)開關(guān)點(diǎn)之前一直處于關(guān)閉狀態(tài)。 

通電時(shí)間

通電時(shí)間在某種程度上取決于器件的設(shè)計(jì)。數(shù)字輸出傳感器 IC（例如雙極器件）在初始通電時(shí)可在如下時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 

從根本上來講，這意味著：在通電之后、經(jīng)歷這段時(shí)間之前，器件的輸出可能處于一個(gè)不正確的狀態(tài)，但在經(jīng)過這段時(shí)間之后，器件的輸出肯定處于正確的狀態(tài)。

功耗

總功耗是以下兩個(gè)因素的總和：

• 傳感器 IC 消耗的功率，不包括在輸出端損耗的功率。這個(gè)值的大小是 V_CC 與電源電流的乘積。V_CC 是器件電源電壓，電源電流如數(shù)據(jù)表中所示。例如，已知 V_CC = 12 V 并且電源電流 = 9 mA，則功耗 = 12 × 0.009 or 108 mW。

• 在輸出晶體管中消耗的功率。這個(gè)值的大小是 V_(on)(sat) 與輸出電流（由上拉電阻器決定）的乘積。如果 V_(on)(sat) 為 0.4 V（最壞的情況）、輸出電流為 20 mA（通常是最壞的情況），則消耗的功率為 0.4 × 0.02 = 8 mW。正如你所看到的，由于飽和電壓的值非常小，所以在輸出上的功耗也比較小。

在這個(gè)例子中，總功耗為 108 + 8 = 116 mW。將這個(gè)數(shù)字用在相關(guān)封裝的數(shù)據(jù)表的降額圖表中，檢查是否有必要降低最大允許工作溫度。

常見問題

問題：我如何確定磁鐵的方向？

回答：磁極面向器件的標(biāo)記面。標(biāo)記面上有器件的識別標(biāo)志，例如部分型號或日期代碼。

問題：我可以將磁鐵靠近器件背面嗎？

回答：可以，但要記住：如果磁鐵的磁極朝著同一個(gè)方向，則從正面看，穿過器件的磁流場的方向保持不變（例如，如果從正面看，南磁極比較接近器件，那么若從背面看，北磁極比較接近器件）。然后，北磁極會針對霍爾元件產(chǎn)生一個(gè)正磁場，而南磁極會產(chǎn)生一個(gè)負(fù)磁場。

問題：有用于接近器件背面的權(quán)衡方法嗎？

回答：有。由于霍爾元件與正面（封裝標(biāo)記面）之間的距離比較近（相對于背面而言），從封裝正面接近時(shí)會出現(xiàn)一個(gè)“更清潔的”信號。例如，對于“UA”封裝，帶有霍爾元件的芯片位于封裝標(biāo)記面內(nèi) 0.50 mm 處，距離背面大約 1.02 mm。（標(biāo)記面與霍爾元件之間的距離稱為“有效面積深度”。）

問題：一個(gè)很大的磁場會損壞霍爾效應(yīng)器件嗎？

回答：不會。一個(gè)很大的磁場不會損壞 Allegro 霍爾效應(yīng)器件，也不會導(dǎo)致磁滯增加（計(jì)劃內(nèi)的磁滯除外）。

問題：我為什么需要一個(gè)穩(wěn)定斬波型器件？

回答：與非斬波設(shè)計(jì)相比，穩(wěn)定斬波型傳感器 IC 具有更高的靈敏度和控制更為嚴(yán)密的開關(guān)點(diǎn)。它也許還能承受更高的工作溫度。大多數(shù)新器件設(shè)計(jì)都采用了斬波型霍爾元件。

推薦的器件

Allegro 雙極開關(guān)載列于公司網(wǎng)站的選擇指南中，詳情請參考“霍爾效應(yīng)鎖存器與 雙極開關(guān)”。

可能的應(yīng)用

• 無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)

• 速度感測

• 脈沖計(jì)數(shù)器、編碼器

• 汽車

相關(guān)器件類型的應(yīng)用說明

• 單極 開關(guān) 

• 全極 開關(guān) 

• 鎖存型 開關(guān) （鎖存器） 

參考：AN27705