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Navigate：霍尔效应IC应用指南
来源：Allegro
低成本简化开关
简化开关是霍尔传感器IC的强项。霍尔效应IC开关在单个集成电路芯片中融合了霍尔电压发生器、信号放大器、施密特触发电路和晶体管输出电路。其输出干净、迅速且不会发生开关跳跃（机械开关的固有问题）。霍尔开关通常以最高100kHz的重复频率工作，而且比普通的电动机械开关的成本要少很多。
高效、精确、低成本的线性传感器IC
线性霍尔效应传感器采用磁偏探测电磁体、永久磁体或铁磁体的磁场强度中的运动、位置或变化。能耗极低。输出是线性的，而且温度稳定。传感器IC的频率响应平直，最高约为25kHz。
与电感或光电子传感器相比，霍尔效应传感器IC更高效、更精确，成本也更低。
适用于工作环境恶劣的敏感电路
霍尔效应传感器IC能有效抵御环境中的有害物质，所以适用于在环境恶劣的条件下工作。这种电路非常灵敏，并能在紧公差应用中提供可靠、重复的操作。
应用
霍尔效应IC目前可用于点火系统、速度控制系统、安全系统、校正系统、测微计、机械极限开关、计算机、打印机、磁盘驱动器、键盘、机床、钥匙开关和按钮开关。它们还能用于转速计取样、限流开关、位置检测器、选择器开关、电流传感器、线性电位计、旋转编码器和无刷直流电机整流器。
霍尔效应：工作原理
基本霍尔元件是一小片半导体材料，也称霍尔元件或有效面积，如图1所示。
图1.霍尔效应器件的有效面积原理图，其中霍尔元件由标有X的组件表示。
图2所示的恒压电源产生的恒定偏置电流，即IBIAS，会在半导体片材内流动。输出电压VHALL可沿片材的宽度方向测量。在无磁场的情况下，VHALL的数值可以忽略。
图2.无磁场时的VHALL
如果将偏压霍尔元件放在通量线与偏置电流垂直（参阅图3）的磁场中，电压输出的变化会与磁场强度成正比。这就是在霍尔(E.F.Hall)于1879年发现的霍尔效应。
图3.与偏置电流垂直的磁通量（绿色箭头）产生的霍尔效应（感应VHALL）。
线性输出霍尔效应器件
基本霍尔元件的输出电压很小。这会产生问题，特别是在电气噪声环境中。在电路中添加一个稳定的优质DC放大器和电压调整器（参阅图4和图5）不仅能有效改善传感器输出，还能允许霍尔效应器件在更广的电压范围内工作。改造后的器件能提供易于使用的模拟输出，这种线性输出与应用的磁通量密度成比例。
图4.带VHALL放大的霍尔电路
图5.具有电压调整器和DC放大器的霍尔效应器件
数字输出霍尔效应开关
增加内置磁滞的施密特触发阈值检测器，如图6所示，能使霍尔效应电路具备数字输出功能。当施加的磁通量密度超过一定限制时，触发器会准确地将关闭状态切换成开启状态，而不必出现触点颤动。内置磁滞会产生一个磁盲区，在经过阈值后，该区域中的开关动作会禁用，从而能消除振荡（乱真输出开关）。
图6.具有数字输出功能的霍尔电路
为电路增加集电极开路NPN或N沟道场效应(NFET)晶体管（参阅图7），能使开关具备数字逻辑兼容功能。场效应管是一种饱和开关，它会在施加的磁通量密度大于器件开启跳变点的地方，对输出终端进行接地短路。开关能兼容所有数字产品系列。输出晶体管能吸收足够的电流，以直接驱动多种负载，包括继电器、三端双向晶闸管、可控硅整流器(SCR)和灯具。
图7.霍尔开关的常用电路元件
图7所示的电路元件焊装在单晶硅片上，并在小型环氧或陶瓷封装内密封压制，它们是所有霍尔效应数字开关的常用电路元件。霍尔效应器件类型之间的区别主要是规格的差异，如磁力性参数、工作温度范围和温度系数。
工作状态
所有霍尔效应器件均由磁场激活。必须为器件安装底座并提供电气连接。包括加载电流、环境条件和电源电压必须在数据表所示的极限范围内。
磁场有两个重要特性：磁通量密度B（主要指磁场强度）和磁场极性（磁北极或磁南极）。对霍尔效应器件而言，与其有源区相关的磁场方向也很重要。霍尔效应器件的有效面积（霍尔元件）埋置在硅片上，该硅片与封装的一个特定面平行并略靠近其内部。该表面也被称为标记面，因为它通常是标记型号的一面（每个器件的数据表都会显示距离印记面的有效面积深度）。为使开关以最佳状态工作，必须保证磁通量线以垂直方式横越有效面积（平面霍尔元件的印记面或垂直霍尔元件的感应边缘），而且必须在横越时具有正确的极性。因为有效面积更靠近封装包背部的印记面，并暴露在硅片的印记面一侧，所以采用这种朝向能产生更清晰的信号。
在无磁场的情况下，大多数霍尔效应数字开关都会关闭（输出开路）。只有存在有足够磁通量密度的磁场，并且沿正确的方向具有正确的极性时，这些开关才会开启。例如，磁南极靠近印记面会执行开关动作，而磁北极不会产生任何影响。在应用中，将一小块永久磁体的磁南极靠近平面霍尔开关的印记面或垂直霍尔开关的感应边缘（参阅图8）会使输出晶体管开启。磁体从任意方向接近时，3D霍尔开关的输出将打开。
图8.磁体相对于器件有效面积的平面和中心线的运动，使霍尔效应器件开始工作
可使用转移特性曲线，以图表形式阐释该原理。图9和图10显示了随霍尔元件中存在的磁通量密度B（单位：高斯(G)；1G=0.1mT）变化的输出电压。横轴显示的是磁通量密度。纵轴显示的是霍尔开关的数字输出。注意，此处应用了代数符号约定，即增加的正值B表示增强的南极磁场，增加的负值B表示增强的北极磁场。例如，+200B磁场和–200B磁场的强度相同，但具有相反的极性（分别是磁南极与磁北极）。
如图9所示，在无磁场(0G)的情况下，开关处于关闭状态，在外部上拉电阻器的作用下输出电压等于电源电压(12V)。然后使永久磁体的磁南极沿垂直方向靠近器件的有效面积。当磁南极靠近开关的印记面（平面霍尔元件）或感应边缘（垂直霍尔元件）时，霍尔元件会暴露在逐渐增强的正磁通量密度下。当磁场强度达到临界点（本例中为240G）时，输出晶体管会启动，输出电压达到0V。磁通量密度的该数值被称为工作点，BOP。继续提高磁场强度不会产生影响；开关已经打开，并会一直保持开启。应用到霍尔效应传感器的磁场强度没有上限。
图9. 逐渐靠近的磁南极产生的磁通量不断增大，从而激活了霍尔开关的转移特性（开启）
由于内置磁滞的作用，因此要关闭开关，必须使磁通量密度的数值远低于240G工作点（此类图表有时被称为磁滞图表）。在本例中，我们使用90G磁滞，也就是说，当磁通量密度减小到150G（图10）时，器件会关闭。磁通量密度的该数值被称为释放点，BRP。
图10. 逐渐远离的磁南极产生的磁通量不断减小，从而停用霍尔开关的转移特性（关闭）
为从该图中获取数据，需要增加一个电源和负载电阻，以限制通过输出晶体管的电流，并使输出电压的数值接近0V（参阅图11）。
图11. 转移特性图表的测试电路
特性与公差
启动和关闭霍尔开关所需的准确磁通量密度值会因多种因素的影响而不同，其中包括设计标准和制造公差。极端温度条件也会对工作状态和释放点产生一定程度的影响，经常也被称为开关阈值或开关点。
数据表提供了与每种器件类型的工作点、释放点数值和磁滞相对应的最坏情况下的磁特性。
必须保证达到或低于最大工作点磁通量密度时，所有开关都会开启。当磁场减弱时，所有器件都会在磁通量密度降至最小释放点数值以下前关闭。必须保证每种器件都保留最少量的磁滞，以确保开关动作清楚准确。这种磁滞能确保开关输出迅速、准确，而且只会在每次阈交时进行，即使在机械振动或电气噪声环境下也是如此。
双极霍尔数字开关
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，但磁场极性的交替能确保开关，一致的磁滞能确保周期性。
双极开关的实例是一个最大工作点BOP（最大）45G、最小释放点BRP（最小）–40、最小磁滞BHYS（最小）15G的开关。但最小工作点BOP（最小）可低至–25G，最大释放点BRP（最大）可增至30G。图12显示了具有这些开关点的假设开关的特性。图12顶部的曲线“最小ΔB”显示了一个小的振幅如何引起开关的切换。“单极模式”开关的开关点完全在正极（南极）范围内，“负单极模式”开关的开关点完全在负极（北极）范围内，“锁存模式”开关的开关点会跨越南极和北极范围（工作方式类似于下节描述的霍尔器件类型，数字锁存）。由图12底部的VOUT曲线可以看出，对于每种可能性，输出的工作循环都完全不同，但每个磁极交替处的一致开关很可靠。
图12.一个双极开关可能的开关点范围实例（与低磁通振幅、窄间距磁极交替目标一起使用）
在前面讨论的应用中，霍尔开关在磁南极（正磁通量）靠近时工作（打开）。当磁南极移开（磁通量密度接近0）时，霍尔开关必须释放（关闭）。在环形磁体上，南北两极都是交替出现的。释放点的磁通量密度变得不再重要，因为如果霍尔开关在磁通量趋于0（已通过南极）时没有关闭，当紧随的北极使磁通量变为负时，它一定会关闭。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。
数字锁存
与可能利用磁南极或磁北极释放的双极开关不同，锁存（本质上是双极）能更精确地控制工作和释放参数。这种霍尔集成电路已被设计为只在磁南极工作（打开）。在磁南极移开后，它一直保持开启状态。为使双极锁存释放（关闭），必须存在一磁北极。这种南极-北极交替工作如果设计得当，就能产生接近50%的工作循环，如图13所示。
图13.双极锁存特性的实例（用于精确控制工作循环、磁极交替）
我们提供了范围广泛的霍尔效应锁存，它们专门用于需要精确控制工作循环的操作环境，例如直流电机整流。锁存还能用于轴编码器、速度计元件和转速表传感器。
平面和垂直霍尔元件
平面和垂直传感器基于相同的物理现象（霍尔效应），但是结构有所差异，因此感应的磁场会根据磁场与器件的方向而有所差异。平面霍尔元件的结构中，霍尔元件与芯片在同一平面上，因此可以感应垂直于印记面的磁场。垂直霍尔元件的结构中，霍尔元件与芯片所在平面垂直，因此可以感应垂直于定义的感应边缘（相对于封装印记面而言，在顶部、右侧或左侧）的磁场。
术语表
有效面积：封闭的集成电路芯片上的霍尔元件的位置。
气隙：从磁极或目标表面到封装表面的距离。
安匝(NI)：磁通势的mks制单位。
安匝/米(NI/m)：磁化力的米制单位。1安匝/米等于79.6奥斯特。
双极：霍尔传感器IC使用磁南极和磁北极的工作方法。
抗磁力(Hc)：必须用于使磁料中的磁通量密度降至0的消磁力，以奥斯特表示。
磁通量集中器：任何用于吸引磁力线的铁质金属。
高斯(G)：磁通量密度的CGS制单位。等同于1麦每平方厘米(Mx/cm2)。1高斯等于10-4特斯拉。
吉伯：磁通势的CGS制单位。
迎面式：霍尔传感器IC的运动方式。将磁极移向或挪离封装表面时，磁场将增强和减弱。
最大能量乘积(BHmax)：磁体材料消磁曲线上B和H的最高乘积。以高斯-奥斯特×106(MGOe)计算。
麦克斯韦(Mx)：总磁通量的CGS制单位。1麦等于10-8韦伯。
奥斯特(Oe)：磁化力的CGS制单位。等同于吉伯每厘米(gilberts/cm)。1奥斯特等于125.7安匝每米。
平面霍尔元件：感测垂直于晶片平面或封装面的磁场的霍尔元件。
剩余磁感应(Bd)：去除应用的磁通势后，在一个磁电路中剩余的磁感应。当磁电路中没有气隙时，剩余磁感应与残留磁感应是相同的。有气隙时，剩余磁感应臂残留磁感应要小。剩余磁感应以高斯为单位。
残留磁感应(Br)：当足以使磁料饱和的磁化力降至0时，磁料的闭合磁电路中残余的磁通量密度。剩余磁感应以高斯为单位。
侧滑式：霍尔传感器IC的运动方式。当一个永久磁体以横向运动通过封装表面时，磁场将增强金额减弱。
特斯拉(T)：磁通量密度的mks制单位。等同于1韦伯每平方米(Wb/m2)。1特斯拉等于104高斯。
环形线圈：一种环状的线圈，通常由铁、钢或铁氧体组成。
有效总气隙(TEAG)：从磁极面到霍尔效应传感器IC的有效面积的距离。
单极：霍尔传感器IC使用单个磁极的工作方法，通常使用磁南极。
叶片：任何用于使磁场从霍尔传感器IC转向的铁质金属（至少为相关磁体的1.5倍宽）。
垂直霍尔元件：感测垂直于感应边缘（顶部、右侧或左侧）的磁场的霍尔元件。
开口：在叶片中至少为相关磁体1.5倍宽的开口。
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