Abstract

傳統(tǒng)的開關(guān)具有許多功能，例如可以實現(xiàn)ON/OFF開關(guān)，可以改變部件的運動方向，可以通過旋鈕的形式用角度做量程控制等等。 這些傳統(tǒng)的開關(guān)主要是機械方案，成本很低，但機械結(jié)構(gòu)件都會存在磨損問題，頻繁使用會縮短系統(tǒng)的壽命。針對這類問題， TI 的霍爾效應(yīng)傳感器可以在許多開關(guān)應(yīng)用中替代機械開關(guān)，從而實現(xiàn)穩(wěn)健的設(shè)計，與機械開關(guān)相比，系統(tǒng)壽命更長。本應(yīng)用文檔介紹了四種 TI 霍爾傳感器的開關(guān)解決方案。涵蓋了市面上開關(guān)常用的ON/OFF功能，方向控制功能，旋轉(zhuǎn)控制功能，以及一些要求嚴格的系統(tǒng)方案。TI的霍爾傳感器的產(chǎn)品規(guī)劃很好的覆蓋了傳統(tǒng)開關(guān)的絕大多數(shù)類型，優(yōu)良的性能和極低的成本也引領(lǐng)了傳統(tǒng)開關(guān)由機械化往電子化轉(zhuǎn)變的趨勢

1. ON/OFF開關(guān)的解決方案

大多數(shù) ON/OFF 開關(guān)都是基于機械的。 機械開關(guān)用于許多應(yīng)用，包括工業(yè)、樓宇的自動化以及各種電器中。 即使這樣的解決方案具有許多優(yōu)點，它仍然存在一些不足之處。 例如會限制系統(tǒng)的使用壽命。

如果系統(tǒng)對產(chǎn)品的使用壽命有要求或者提升的需求，那么這類產(chǎn)品就可以考慮使用霍爾感應(yīng)開關(guān)來替代原有的機械部件以實現(xiàn)這種ON/OFF開關(guān)的功能。 TI的明星產(chǎn)品DRV5032，兼具了性能和低成本并且有單極霍爾效應(yīng)開關(guān)和雙極霍爾效應(yīng)開關(guān)。 DRV5032 器件是一款超低功耗數(shù)字開關(guān)霍爾效應(yīng)傳感器，專為最緊湊和針對小型化和電池供電的系統(tǒng)設(shè)計的系統(tǒng)。該器件提供多個磁閾值、采樣率、輸出驅(qū)動器和封裝，以適應(yīng)各種應(yīng)用。

下面是霍爾感應(yīng)開關(guān)的原理， DRV5032 可根據(jù)磁鐵與霍爾傳感器的距離向系統(tǒng)控制單元發(fā)出觸發(fā)信號。當(dāng)施加的磁通密度超過操作的閾值時，該設(shè)備可以直接輸出一個低電壓，或通過開漏結(jié)構(gòu)輸出配置拉至低電平狀態(tài)。 輸出會保持低電平狀態(tài)，直到磁通密度降低到小于閾值，然后輸出會變成高電平，或者高阻抗狀態(tài)。關(guān)于磁鐵的放置以及設(shè)計，TI的Application Report SLVAEH3 有詳細的介紹，可以作為參考來進行設(shè)計。DRV5032的閾值提供了3.9mT，4.8mT，9.5mT，63mT四個版本。 芯片內(nèi)部集成振蕩器電路，并有兩個頻率版本可選。如果對采樣實時性要求高，可以選擇20Hz版本，如果對功耗敏感，可以選擇5Hz版本。該器件在 1.65 V 至 5.5 V 的 VCC 范圍內(nèi)工作，擁有標準的 SOT-23，TO-92 封裝以及更小的X2SON封裝。

Figure 1. DRV5032 ON/OFF 開關(guān)方案

2. 有方向選擇的開關(guān)方案

許多應(yīng)用場景需要使用 3 位置開關(guān)來選擇電機的旋轉(zhuǎn)方向。 例如很多電器或者工控產(chǎn)品會需要一些電機實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的方向選擇，主要分為電機的正向旋轉(zhuǎn)、反向旋轉(zhuǎn)還有待機狀態(tài)。 傳統(tǒng)的解決方案主要是基于接觸式機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，由于多方向摩擦或者接觸的原因，機械損耗會加劇?；魻柛袘?yīng)方案可以很好的解決這個問題，同時也可以通過以下方案來實現(xiàn)三個方向的選擇。 由于 DRV5032 具有兩個單極輸出，可響應(yīng)磁體的不同極性，因此只需使用一個磁體和一個霍爾開關(guān)即可實現(xiàn)方向選擇。 它可以感應(yīng)兩個不同方向的磁場。 這是只有一個 DRV5032 的低成本解決方案。下面是實現(xiàn)方式以及對應(yīng)的選擇邏輯描述。

Figure 2. 單芯片方向選擇的開關(guān)模型

Table 1. 方向選擇的開關(guān)邏輯

Figure 3. 雙芯片方向選擇的開關(guān)方案

但是這個解決方案有一個設(shè)計難點。 它需要將霍爾傳感器安裝在磁鐵的正中間的位置以確保準確的觸發(fā)控制邏輯，這在大規(guī)模量產(chǎn)的生產(chǎn)中是個難點，很難確保生產(chǎn)的一致性問題。關(guān)于這種痛點，另一種方案是用兩片DRV5032去實現(xiàn)3位置控制。一片DRV5032對S極進行觸發(fā)，另一片對對N極進行觸發(fā)。這樣，就可以降低生產(chǎn)對磁鐵位置的苛刻要求，降低了一致性的難度，從而實現(xiàn)三位置的控制邏輯。

3. 旋鈕開關(guān)的解決方案

市面上還有很多開關(guān)是用角度或位置來進行控制的，這就需要開關(guān)可以做旋轉(zhuǎn)等操作。傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)為了使開關(guān)可以360度的旋轉(zhuǎn)會需要更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，這無疑是給成本和壽命帶來了更大的挑戰(zhàn)。 TI 的 3D 霍爾傳感器可以檢測三軸磁感應(yīng)值并計算不同軸的角度值，進而可以幫助旋轉(zhuǎn)類型的開關(guān)實現(xiàn)控制。 TI的明星產(chǎn)品 TMAG5710 和 TMAG5273 都有適用于該應(yīng)用的參考設(shè)計。TMAG5710的評估板設(shè)計了一個旋轉(zhuǎn)開關(guān)，旋鈕內(nèi)部鑲嵌了一塊圓形的磁鐵，TMAG5710會對磁鐵的旋轉(zhuǎn)進行磁感應(yīng)強度的檢測，進而將線性的信號傳遞給控制單元?？刂茊卧梢葬槍@三軸的磁感應(yīng)值進行計算，最終得到相應(yīng)的角度和位置信息。

Figure 4. 旋轉(zhuǎn)開關(guān)的完整解決方案

此外，TI的3D霍爾傳感器還有相應(yīng)的GUI軟件，配合著評估版可以直接在電腦端評估3D霍爾傳感器的性能。可視化界面可以直接動態(tài)監(jiān)測出對應(yīng)的角度和磁感應(yīng)強度。

4. 可靠性增強型的方案

有些產(chǎn)品是需要過很多安全認證的，這種類型的產(chǎn)品會對系統(tǒng)的可靠性以及抗干擾性有很高的要求。因為霍爾傳感器在一定程度上都會受到外部磁場的影響，如果系統(tǒng)只使用單個或者兩個霍爾傳感器，這樣的系統(tǒng)是無法規(guī)避所有的外部干擾的。針對這個問題，TI 有一套完整的解決方案。如下，兩片DRV5032可以配合磁鐵實現(xiàn)開關(guān)和方向控制功能。同時還有兩片DRV5032做信號檢測輔助系統(tǒng)識別外來的干擾信號。當(dāng)系統(tǒng)有這樣四個有效信號后，控制單元就可以充分的用邏輯判斷出絕大多數(shù)的風(fēng)險， 進而實現(xiàn)了增強系統(tǒng)可靠性的功能。TI的參考設(shè)計TIDA-060032詳細的介紹了這套方案設(shè)計，可以根據(jù)系統(tǒng)需求進行參考。

同時方案中的線性霍爾傳感器DRV5056可以實現(xiàn)對磁鐵距離的線性監(jiān)測并輸出一個線性信號給到控制單元，進而可以實現(xiàn)調(diào)速等控制功能。

Figure 5. 可靠性增強型方案的模型

審核編輯：湯梓紅