開發(fā)人員套件雖能以磁傳感器設(shè)計(jì)產(chǎn)品，費(fèi)用卻相當(dāng)昂貴，其500歐元的價(jià)格甚至未能涵蓋必備的磁鐵/傳感器。

有鑒于此，已有廠商現(xiàn)正推出各式設(shè)計(jì)套件，價(jià)格約落在每件20歐元，有助于輕松評(píng)估傳感器。 開發(fā)人員必須判定所選的傳感器是否在設(shè)計(jì)初期即可達(dá)到效能需求。 為達(dá)成此目標(biāo)，他們需要更快速、更簡單的效能檢測(cè)。 下一步是針對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)定義作業(yè)范圍。 必備的磁鐵也需要運(yùn)作。 最終步驟則是確保傳感器能實(shí)際投入制造。 多樣評(píng)估套件如英飛凌(Infineon)旗下的「3D Magnetic Sensor 2Go」、「Current Sensor 2Go」、「Speed Sensor 2Go」等，旨在使開發(fā)人員了解傳感器于設(shè)計(jì)時(shí)間初期的個(gè)別應(yīng)用，并幫助其輕松進(jìn)入設(shè)計(jì)時(shí)間。 該公司的評(píng)估套件目前支持用于三維位置偵測(cè)的3D「TLV493D」磁傳感器，以及「TLI4970」電流傳感器、「TLE4922」速度傳感器。

三維感測(cè)更精準(zhǔn)

TLV493D 3D磁傳感器(圖1)測(cè)量x、y和z方向的磁場(chǎng)，并偵測(cè)三維、線性和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，展現(xiàn)其廣泛的適用范圍涵蓋汽車、工業(yè)和消費(fèi)性應(yīng)用。

圖1 英飛凌TLV493D 3D傳感器提供高度三維感測(cè)。
可能的應(yīng)用包含游戲桿和控制組件，例如家電和多功能按鈕、電流表的防篡改功能，或是其他需要精準(zhǔn)位置測(cè)量和/或低電流功耗的應(yīng)用。 例如，TLV493D-A1B6采用TSOP-6封裝，尺寸為2.9mm×1.6mm。

此作法是在傳感器芯片上整合垂直及水平霍爾傳感器而成。 垂直霍爾傳感器偵測(cè)平面方向的x及y場(chǎng)分量，水平霍爾傳感器則偵測(cè)垂直方向的z場(chǎng)分量。

英飛凌使用包含節(jié)電振蕩器在內(nèi)的各種技術(shù)，將傳感器的電流功耗降至僅幾微安培。 傳感器具備數(shù)字輸出功能，使用快速雙線I2C標(biāo)準(zhǔn)接口，可透過總線模式在傳感器及微控制器之間進(jìn)行雙向通訊。

「3D Magnetic Sensor 2Go」設(shè)計(jì)套件(圖2)提供配備3D磁傳感器的評(píng)估板，并搭載ARM Cortex-M0處理器的XMC1000型微控制器，可將設(shè)計(jì)整合至此傳感器。 該套件具備所有組件及功能，足以提供高效率的設(shè)計(jì)支持，并且內(nèi)含除錯(cuò)器。 XMC4200微控制器亦提供了除錯(cuò)和USB通訊，并透過Micro USB連接器提供與圖形用戶接口(GUI)的電力與通訊。 評(píng)估板亦含顯示供電和除錯(cuò)狀態(tài)的LED、用戶可設(shè)定的LED、電壓控制器、反向電流二極管與ESD保護(hù)二極管。 若是使用腳位接頭，亦可連接示波器或是外部微控制器。

封裝內(nèi)也包含了單一磁鐵，能夠以手動(dòng)的方式配置。 英飛凌也提供可安裝于評(píng)估板的磁鐵固定座。 如圖2顯示為兩種設(shè)計(jì)，為游戲桿和旋鈕。


圖2 3D Magnetic Sensor 2Go套件具備游戲桿或旋鈕的磁鐵固定座(轉(zhuǎn)接器)
特殊在線設(shè)計(jì)工具支持傳感器常見應(yīng)用，如角度/線性位置測(cè)量及游戲桿(圖3)。 此工具為三項(xiàng)應(yīng)用各提供預(yù)先定義或用戶自定義的磁鐵，可使用在線仿真工具定義磁鐵、磁鐵動(dòng)作和傳感器的位置。 傳感器偵測(cè)動(dòng)作并輸出對(duì)應(yīng)的訊號(hào)。 用戶可選擇角度測(cè)量動(dòng)作，例如磁鐵旋轉(zhuǎn)、線性移動(dòng)，亦包含游戲桿應(yīng)用的特定動(dòng)作，如3D磁鐵動(dòng)作。


圖3 在線仿真工具可用于定義磁鐵、磁鐵動(dòng)作與3D傳感器位置。
此工具會(huì)自動(dòng)為每個(gè)傳感器位置計(jì)算三個(gè)磁場(chǎng)方向。 此計(jì)算方式以用戶定義的傳感器組態(tài)為基礎(chǔ)，將傳感器和磁鐵的安裝公差列入考慮。

套件的軟件封裝也包含PC和韌體使用的圖形用戶接口，可儲(chǔ)存在通訊用的閃存，與3D傳感器一同裝置于微控制器。 Segger J-Link USB驅(qū)動(dòng)器以評(píng)估板與PC相連接。

藉由3D Magnetic Sensor 2Go，可調(diào)整各種操作模式，如x、y、z方向的測(cè)量更新率，也意味著電流功耗同樣可調(diào)整。

電流測(cè)量安全防護(hù)不可少

TLI4970是高精度電流傳感器，以英飛凌的霍爾效應(yīng)技術(shù)為基礎(chǔ)，在一次側(cè)總線與二次側(cè)微控制器接口之間進(jìn)行電流隔離(圖4)。 「無芯」概念無磁通量集中器，在開放回路組態(tài)中可大幅縮小組件尺寸，這種架構(gòu)也可避免產(chǎn)生遲滯效應(yīng)。 全數(shù)字傳感器解決方案毋須外部校正或額外組件，如AD轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器、電壓參考等，如此可簡化設(shè)計(jì)，降低PCB面積與成本。 芯片采用類似QFN的小巧SMD封裝(7.0mm×7.0mm)，提供1.6%的過熱與使用壽命高準(zhǔn)確度感測(cè)，以及最高75mA的偏移誤差。


圖4 英飛凌TLI4970霍爾電流傳感器結(jié)構(gòu)
TLI4970具備過電流偵測(cè)，可自行設(shè)定臨界值與可程序?yàn)V波器，一般電流功耗為12mA。 TLI4970配備的差動(dòng)測(cè)量原則能防止外部磁場(chǎng)造成干擾，而傳感器采用獨(dú)立結(jié)構(gòu)以測(cè)量溫度與機(jī)械壓力。

上述兩種參數(shù)在運(yùn)作時(shí)采分別測(cè)量，組件因此得以永久有效偏移。 此為長期穩(wěn)定測(cè)量的基礎(chǔ)，同樣適用于有效、可靠、成本優(yōu)化的轉(zhuǎn)換器或驅(qū)動(dòng)器。 TLI4970可測(cè)量最高+/-50A的交直流電，適用的裝置如太陽能轉(zhuǎn)換器、具備功率因子校正(PFC)的電源供應(yīng)器、充電器或電子驅(qū)動(dòng)器等。 非接觸式測(cè)量技術(shù)不會(huì)產(chǎn)生任何額外損耗，適用于低功率設(shè)計(jì)(Rp<0.6mΩ)。 由于采用整合式離散磁場(chǎng)抑制，此款傳感器對(duì)于外部磁場(chǎng)極不敏感。

除了提供精準(zhǔn)的電流測(cè)量，也提供足夠的保護(hù)，可用于功率放大器等。 舉例而言，外部短路可能會(huì)觸發(fā)臨界過電流。 為確保延遲極為短暫，TLI4970提供平行訊號(hào)路徑，因此傳感器一般只需要1.8μs來偵測(cè)錯(cuò)誤。 若要依據(jù)應(yīng)用的需求微調(diào)過電流臨界值，系統(tǒng)開發(fā)人員可在傳感器中同時(shí)進(jìn)行電流值與下行過濾的程序設(shè)計(jì)。 因總線整合至SMD封裝，傳感器可于提供時(shí)完全校正。 TLI4970是率先透過16位數(shù)字SPI接口傳送測(cè)量值的電流傳感器之一。 例如，此款傳感器整合差動(dòng)放大器、濾波器及訊號(hào)處理功能，并可在進(jìn)行電流隔離時(shí)，同步測(cè)量最高600V的作業(yè)電壓與最高3,600V的測(cè)試電壓。

易用的設(shè)計(jì)套件適用于TLI4970電流傳感器以及Current Sensor 2GO(圖5)，此款套件功能與3D Sensor 2GO套件相似，并包含以下功能：


圖5 Current Sensor 2Go套件
1.TLI4970-D050T4(配備數(shù)字接口的電流傳感器)

2.XMC1100(配備ARM Cortex-M0)

3.內(nèi)建J-Link Lite除錯(cuò)器(以XMC4200微控制器為基礎(chǔ))

4.USB供電(MicroUSB)、ESD反向電流保護(hù)

5.GUI

霍爾傳感器精準(zhǔn)測(cè)速

TLE4922霍爾傳感器透過測(cè)量磁場(chǎng)變化，可偵測(cè)鐵磁結(jié)構(gòu)的動(dòng)作與位置，此種結(jié)構(gòu)可以是磁性編碼器車輪或鐵磁性齒輪。 TLE4922可以透過回授偏壓組態(tài)使用簡易型、符合成本效益的磁鐵，同時(shí)更具備高氣隙效能和切換準(zhǔn)確性。 此款傳感器對(duì)震動(dòng)和氣隙跳動(dòng)極不敏感，可于最高8kHz的頻率范圍準(zhǔn)確偵測(cè)速度。

TLE4922尤其適用于旋轉(zhuǎn)獨(dú)立安裝(TIM)組態(tài)，可取代汽車和兩輪車應(yīng)用的被動(dòng)式可變磁阻(VR)傳感器，更具備出色的抖動(dòng)行為。

此外，傳感器提供對(duì)于短路、過熱和反向電壓的全方位保護(hù)功能，同時(shí)擁有良好的電磁兼容性(EMC)和ESD耐用性，適合在嚴(yán)苛環(huán)境下使用。 此款傳感器采用4腳位SSO-4-1封裝。

以TLE4922為基礎(chǔ)的各式應(yīng)用可采取易用的Speed-Sensor-2GO套件(圖6)。 該套件內(nèi)含傳感器(TLE4922-XAN)以及回授偏壓磁鐵(Bomatec鐵氧體磁鐵)。 PC可使用USB連接器輕松連接。 GUI型評(píng)估工具于實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可擷取并顯示數(shù)字與仿真的模擬數(shù)據(jù)作為參數(shù)功能，例如氣隙、溫度和頻率等。


圖6 Speed Sensor 2Go套件
套件采用TLE4922，可由內(nèi)部連接至提供的模塊或其他由客戶組裝的模塊；也可作為制圖工具用于處理磁場(chǎng)。 內(nèi)部架構(gòu)對(duì)應(yīng)至線性霍爾傳感器。 開發(fā)人員可使用TLE4922評(píng)估齒輪的模塊定位。

英飛凌除了提供用于偵測(cè)3D位置、電流、速度的設(shè)計(jì)套件外，未來也將提供適用于角度傳感器的相似評(píng)估解決方案，并以完整的文件和Arduino Shield提供設(shè)計(jì)支持。 在線仿真工具也有助于選擇適合不同類型應(yīng)用的產(chǎn)品。 用戶選擇應(yīng)用后，即可使用各種磁性與傳感器參數(shù)執(zhí)行計(jì)算，以仿真磁場(chǎng)。 此外，工具也可根據(jù)磁鐵及其殘留磁性判斷最佳氣隙。 至于角度傳感器，在線工具可依組裝公差判定最大角度誤差。

(本文作者任職于英飛凌)