霍尔IC的原理与分类
#07 磁传感器基础知识
霍尔IC是一种能够进行高/低电平数字信号输出的传感器,便于后端驱动器和微控制器进行数据处理,因此被广泛应用于各种白色家电和工业设备中。本页将介绍霍尔IC的原理和分类。
霍尔IC的原理
霍尔IC由霍尔元件和信号处理IC组成,通过信号处理IC将霍尔元件的输出电压进行比较,转换成高/低电平数字信号后输出(图1)。因此霍尔IC无法像霍尔元件一样输出“施加的磁场大小”等详细信息,却能够很快捷地得到“是否存在磁铁”等数字信号输出。
霍尔IC的输出电压范围是由输出的上拉电压确定的,因此在上拉电源电压时,将霍尔IC的电源电压与后端微控制器的输入电压范围相匹配,能够让微控制器更好的接收信号。
霍尔IC的分类
根据检测磁极的不同,霍尔IC可分为开关式霍尔IC(单极检测和双极检测)和锁存型霍尔IC。根据内部IC的驱动方式,又可分为连续驱动型霍尔IC和间歇驱动型霍尔IC。
◆ 根据检测磁极进行分类
开关式霍尔IC
(1) 单极检测
仅使用单极(S极或者N极)进行工作的霍尔IC。当S极工作时,施加N极磁场或者S极距离足够远、无磁场时,输出为高电平。
如图(2a)所示,将磁铁的S极靠近霍尔IC,当施加在霍尔IC上的磁场超过图(2b)中的Bop时,输出变为低电平。
在输出为低电平的状态下,将磁铁远离霍尔IC,S极的外加磁场低于Brp时,输出变为高电平。
* 旭化成微电子(AKM)提供的开关式霍尔IC为S极单极检测产品。
(2) 双极检测
使用双极(S极和N极)进行工作的霍尔IC。当磁铁距离足够远、无磁场时,输出为高电平。
如图(3a)所示,将磁铁的S极或者N极靠近霍尔IC,当施加到霍尔IC上的磁场超过图(3b)中的Bop时,输出变为低电平。
在输出为低电平的状态下,将磁铁远离霍尔IC,外加磁场低于Brp时,输出变为高电平。
双极检测霍尔IC适用于磁铁安装方向不固定的场景。
* 旭化成微电子(AKM)没有此类型产品。
如图(3c)所示,双极检测霍尔IC中,包含一种S极和N极输出端子独立运行的双输出型霍尔IC。双输出型霍尔IC在磁铁距离足够远、无磁场时,S极输出和N极输出均为高电平。
当磁铁靠近时,任一磁极端超过Bop(*1)时,输出切换为低电平。
双输出型霍尔IC存在S极和N极两种输出端子,适用于需要检测磁铁极性的场景。
* 旭化成微电子(AKM)没有此类型产品。
*1 当一块S极、一块N极的两块磁铁同时靠近施加磁场时,磁铁之间的磁场会相互抵消,两个输出端子不会同时输出高电平。
锁存型霍尔IC
锁存型霍尔IC通过交替感应S极和N极的磁场进行工作。通常S极一侧为Bop,N极一侧为 Brp。
当施加在霍尔IC上的S极磁场超过Bop时,输出为低电平。之后,如图(4a)所示,将磁铁旋转,使施加在霍尔IC上的磁场减小到无磁场,输出仍维持为低电平(图4b)。
如果磁铁进一步旋转,向霍尔IC施加超过Brp的N极磁场,则输出切换为高电平。此后,即使磁铁旋转,磁场发生变化,霍尔IC的输出也会保持不变,直到S极磁场超过Bop。
这种霍尔IC由于在外加磁场的极性发生变化前,输出类型维持不变(锁定),因此被称为锁存型霍尔IC。
◆ 根据驱动方式进行分类
连续驱动型霍尔IC
连续驱动型霍尔IC是较为常用的霍尔IC,适用于磁场变化快的应用,例如电机中的磁场检测。
间歇驱动型霍尔IC(低功耗霍尔IC)
间歇驱动型霍尔IC适用于以电池驱动、有低功耗要求的应用,例如各类移动设备。如图(5)所示,霍尔IC在“休眠”状态和“工作”状态之间周期性切换,“工作”状态下进行磁场检测并确定输出信号,“休眠”状态下维持此信号输出。休眠状态越长,功耗越低,但不适用于磁场变化快的应用。间歇驱动型霍尔IC的代表性应用有手提电脑的开关检测等。
* 旭化成微电子(AKM)没有此类型产品。
◆小贴士
霍尔IC为什么会存在磁滞?
霍尔IC的信号输出从高电平变成低电平的磁场值(Bop)和从低电平变成高电平的磁场值(Brp)是不同的。这种磁场差被定义为磁滞(Bh,Bh = Bop - Brp)。设置磁滞的目的是防止霍尔IC发生误读故障。
如果不设置磁滞,那么Bop=Brp。如果刚好施加这个磁场,霍尔IC的输出会因磁场的微小变化(磁场噪声)而变得时高时低,这种现象被称为振荡(图6a)。因此,需要在Bop和Brp之间设置磁滞,以防止振荡,从而避免工作故障(图6b)。