具有內(nèi)置雜散場抗干擾性的智能霍爾傳感器是在嚴苛的汽車環(huán)境中進行位置測量的理想解決方案
簡介
幾十年來，霍爾效應磁性傳感器技術一直被用于探測磁極性器件的存在或位置。大約自2010年起，包括艾邁斯歐司朗在內(nèi)的傳感器公司一直在探索如何將完整的信號鏈（從霍爾傳感器元件到信號調(diào)節(jié)、信號處理和通信接口）整合到采用標準CMOS制造工藝的單芯片系統(tǒng)中，以便提高磁性位置傳感器的應用價值。
整合旨在生產(chǎn)出具有以下特性的磁性位置傳感器系統(tǒng)：
- 更小更輕，以便將適應于空間受限的應用
- 具有競爭力的價格，受益于大規(guī)模生產(chǎn)CMOS芯片工藝帶來的經(jīng)濟效益
- 更易于實現(xiàn)的應用設計，通過大多數(shù)微控制器和微處理器所支持的一系列標準接口提供計算的位置坐標
- 提供有價值的特性，包括有助于提供可靠運行的監(jiān)控、安全性和診斷功能磁性傳感器芯片制造商已經(jīng)采用了各種方式來整合霍爾效應技術，其產(chǎn)品在成本與性能和功能之間進行了不同的權衡取舍。
在汽車行業(yè)中，磁性位置傳感器的應用具有更為獨特且嚴苛的要求。
本白皮書解釋了通用磁性位置傳感器為何不能充分滿足這些要求的原因，并描述了艾邁斯歐司朗開發(fā)的獨有（在某些情況下受專利保護）傳感器技術如何為未來的乘用車和商用車提供所需的可靠性、穩(wěn)健性和準確性。
1. 霍爾磁效應：磁性位置傳感的主要技術
美國物理學家Edwin Hall在1879年發(fā)現(xiàn)了霍爾效應，它是指當將磁場垂直于電流方向時，在載流導體兩端會產(chǎn)生電壓差。電壓差的大小取決于導體的制成材料、電流和磁場強度?；魻栃У臄?shù)學模型眾所周知，它可以方便地用于開發(fā)磁性檢測開關和位置傳感器。
1.1. 霍爾效應磁性傳感器的屬性
霍爾效應傳感器包括一個或多個嵌入式磁性元件。當外部磁場接近傳感器時，它將改變嵌入式磁場的極性和強度。隨著磁場改變，傳感器兩端的電壓差也會改變。這使傳感器能夠探測到外部磁場的存在，例如，簡單的磁性開關提供的一項有用功能是檢測筆記本電腦上蓋的打開和閉合，該應用需要在筆記本電腦鉸鏈的兩邊配備一個霍爾效應傳感器和一個磁體。自本世紀初以來，霍爾效應傳感器技術經(jīng)過發(fā)展，已經(jīng)能夠?qū)€性和旋轉(zhuǎn)位置進行極其精確的測量。
艾邁斯歐司朗的AS5270是一款典型的旋轉(zhuǎn)位置傳感器，其最大積分非線性是±1.4°，并采用12位分辨率（即以0.09°增量）測量旋轉(zhuǎn)位置。旋轉(zhuǎn)位置傳感應用可以通過簡單的組件來實現(xiàn)，該組件由一個固定的傳感器板垂直于裝在轉(zhuǎn)子軸上的旋轉(zhuǎn)磁體安裝構成。整個組件小巧輕便，這種屬性對移動和便攜式終端產(chǎn)品來說至關重要。例如，AS5270的占用面積僅為6mm x 6mm，在傳感器板上需要的小型外部元器件通常不足十個。
磁性位置傳感器不僅體積小、重量輕，而且與其他傳感器技術相比，它們還具有明顯的系統(tǒng)成本優(yōu)勢。器件制造商通過開發(fā)已經(jīng)有能力以互補金屬氧化物半導體(CMOS)標準工藝生產(chǎn)霍爾效應磁性傳感器。由于CMOS工藝擁有龐大且完善的工具、材料和設備供應商生態(tài)系統(tǒng)的支持，因此半導體傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)的規(guī)模經(jīng)濟效益。
圖1：艾邁斯歐司朗磁性位置傳感器的通用信號路徑。
1.2. 與其他位置傳感器技術的比較
磁性位置傳感器的屬性與傳統(tǒng)設計中用于電機等應用的舊位置傳感技術的屬性形成明顯對比。
電位器采用接觸式方法測量旋轉(zhuǎn)運動。電位器由一個電阻元件、一個可沿該元件移動的滑動觸點（滑動片）、位于元件兩端的電氣端子、可將滑動片從一端移向另一端的機械裝置（例如轉(zhuǎn)子）和一個包含元件和滑動片的外殼組成。當滑動片沿著元件移動時，元件的電阻值會發(fā)生變化。電位器通過測量該電阻值的改變來測量位置。由于電位器是一種接觸式技術，因此易于發(fā)生機械磨損，并且可能會因撞擊或振動而影響性能。此外，阻性元件上的污物、灰塵、油脂或水分等污染會有損性能，甚至導致提前失效。需要采用昂貴且笨重的外殼對電位器加以密封并防止污物進入。非接觸式磁性傳感技術不受這些污物的影響，因此不需要這類保護。所以，磁性傳感器系統(tǒng)往往比電位器更小巧、更經(jīng)濟且更可靠，前者不適合當今的汽車應用。
光學編碼器通過檢測帶有明暗開槽的碼盤，在LED光源和光電二極管光傳感器之間旋轉(zhuǎn)時。通過感知連續(xù)的明和暗脈沖測量可以實現(xiàn)精確的位置定位，即使在高轉(zhuǎn)速下也是如此。由于光學編碼器是一種非接觸式技術（與磁性位置傳感器相同），因此不會發(fā)生機械磨損。但是，污染會損害發(fā)射器和光傳感器的性能，從而引起在汽車應用中可靠性的擔憂。另外，光學系統(tǒng)體積龐大，并且要求容差非常低的精確組裝。
旋轉(zhuǎn)變壓器是一項成熟且常見的技術，用于汽車應用中的旋轉(zhuǎn)位置檢測。它可以在高轉(zhuǎn)速下精確地測量位置。但是，旋轉(zhuǎn)變壓器龐大笨重且價格昂貴，從而促使汽車系統(tǒng)設計人員在越來越多的應用中采用磁性傳感器作為替代產(chǎn)品。在消費電子和許多工業(yè)應用中，霍爾效應磁性傳感器廣受歡迎。由于使用壽命長、體積小且成本低，簡單的磁性傳感器被廣泛用作開關探測器和位置指示器。但是，人們發(fā)現(xiàn)這些通用器件不適合應用于汽車行業(yè)中的特殊工作條件。
2. 低成本通用霍爾技術的不足之處：汽車行業(yè)的特殊要求
在汽車應用中，對緊湊、精確的位置傳感器的需求有望大幅增長。全球汽車磁性傳感器市場規(guī)模在2018年剛剛超過10億美元，預計到2026年將增長到16億美元。該增長在很大程度上受到電氣化的推動，不僅是牽引系統(tǒng)的電氣化，還包括輔助功能（如動力轉(zhuǎn)向和離合器）的電氣化。以電子方式而非機械方式或液壓方式進行的傳動和控制（例如轉(zhuǎn)向和換）， 可以改善性能、提高可靠性并減小重量和尺寸。
2.1. 汽車應用對磁傳感器的需求增長
這些屬性對下列面向霍爾傳感器技術的汽車應用非常重要：
- 電子助力轉(zhuǎn)向中的電機位置傳感器
- 底盤位置傳感器
- 雙離合變速器中的電機位置傳感器
- 混合動力車輛和純電動車輛中的牽引電機位置傳感器
- 方向盤轉(zhuǎn)向角度傳感器
在這些應用中，霍爾效應磁性傳感器已成為主導技術，比上述第1.2節(jié)中的替代方案更受青睞。
- 重量更輕的霍爾傳感器解決方案有助于汽車制造商降低油耗
- 尺寸更小可增加機械設計的靈活性
- 與旋轉(zhuǎn)變壓器等替代技術相比，大批量生產(chǎn)的CMOS器件成本更低，有利于汽車制造商管理材料清單成本
2.2. 用于汽車設計的磁性傳感器的特殊要求
對重要的安全關鍵型汽車功能的設計人員來說，霍爾效應磁性傳感器技術具有強大的吸引力。但是汽車行業(yè)對質(zhì)量、可靠性和安全性有著特殊要求，在消費電子產(chǎn)品中大量使用的普通規(guī)格通用霍爾效應傳感器并不適用。
- 質(zhì)量：PPAP和ISO/TS 16949等認證以及AEC-Qxxx系列標準規(guī)定了汽車行業(yè)對可重復性、可追溯性和生產(chǎn)質(zhì)量的超高要求。這些標準不僅適用于元器件（芯片），而且適用于整個傳感器組件。
- 可靠性：用于關鍵汽車應用的器件的規(guī)定使用壽命至少為10年，并且其工作溫度范圍比普通消費電子或工業(yè)類器件的正常溫度范圍更寬。
- 安全性：適用于車輛電子系統(tǒng)的ISO 26262功能安全標準使汽車制造商對電子系統(tǒng)的安全設計和安全性能的關注大幅提高，包括基于霍爾效應器件的位置傳感系統(tǒng)的性能。
通用霍爾傳感器使汽車OEM廠商在上述所有三項參數(shù)方面面臨更大的故障或不符合汽車行業(yè)典型性能規(guī)格的風險。汽車制造商即便在量產(chǎn)車輛中安裝了某些符合汽車級認證的磁性位置傳感器，也仍然會遇到可靠性問題和安全性問題。
2.3. 雜散磁場干擾帶來的風險
產(chǎn)生汽車位置傳感器可靠性問題的最重要原因是外部電磁干擾?；魻栃獋鞲衅鞯墓ぷ髟硎菣z測和測量靠近傳感器的小而弱的磁體運動所引起的芯片表面的磁場變化。在沒有外部磁場的理想工作環(huán)境中，芯片磁場變化產(chǎn)生的電壓信號完全歸因于匹配磁體的運動。
但是汽車對于磁性傳感器而言并不是一個理想工作環(huán)境。諸如電機、螺線管和高壓電纜之類的汽車元器件會產(chǎn)生強磁場。如果這些元器件離傳感器較近，它們的“雜散”磁場會干擾配對磁體產(chǎn)生的磁場，從而導致在傳感器芯片的嵌入式霍爾傳感元件處傳感到的信號失真。
這種失真會導致隨機測量誤差，并有損傳感器位置測量輸出的準確性。例如，在電動車輛的牽引電機中，這可能會導致動力的嚴重減少或完全喪失，或者導致車輪轉(zhuǎn)動的不均衡、顛簸或無法預測。
2.4. 汽車用戶對磁性位置傳感器的質(zhì)量和安全性的擔憂
汽車電機中磁性傳感器的采用也讓人們開始關注生產(chǎn)單位中裝配結構的可重復性。所有霍爾效應位置傳感器測量的是相對于配對磁體的位置。例如，在電機中，安裝在電機軸上的配對磁體相對于靜止傳感器IC旋轉(zhuǎn)。
每個傳感器IC對于傳感器和磁體之間氣隙的變化，以及磁體中心點和傳感器中心點之間的偏差都有一個指定的公差。因為在生產(chǎn)環(huán)境中可達到的組裝公差與傳感器IC規(guī)定的公差不匹配，汽車制造商面臨著生產(chǎn)質(zhì)量問題。
隨著ISO 26262功能安全標準的采用，磁性位置傳感器的使用也開始遭到質(zhì)疑。符合ISO 26262標準要求在系統(tǒng)層面上進行嚴格的失效模式和影響分析(FMEA)，并采取安全對策來應對與已知失效模式相關的風險。
在基于磁性位置傳感器的位置測量系統(tǒng)中，該FMEA強調(diào)了在傳感器中能保證檢測故障以及具有內(nèi)置安全程序的必要性，以確保在檢測到故障后能夠繼續(xù)運行或安全關閉。
通用磁性位置傳感器產(chǎn)品缺乏診斷、監(jiān)控和安全失效功能，這些功能在器件失效時無法保證系統(tǒng)安全。它們也不受符合ISO 26262標準的開發(fā)、生產(chǎn)流程和文檔支持。
3. 智能霍爾傳感器：增強型霍爾效應傳感器技術可滿足汽車行業(yè)的要求
在上文中，艾邁斯歐司朗描述了質(zhì)量、可靠性和安全性設計方面的問題，這些問題來自于采用普通規(guī)格的通用磁性位置傳感器的體驗，即使對這些傳感器進行修改以達到AEC-Qxxx汽車級認證也是如此。
現(xiàn)在，本文將介紹艾邁斯歐司朗在用于汽車應用的磁性位置傳感器中實現(xiàn)的一系列技術創(chuàng)新，例如電動和混合動力車輛的牽引電機、電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、底盤和懸架控制系統(tǒng)、雙離合變速和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這些創(chuàng)新的融合，使艾邁斯歐司朗能夠創(chuàng)建全新類別的“智能霍爾傳感器”增強型磁性傳感器，提供可靠性、高質(zhì)量和安全性功能，以支持嚴苛汽車條件下的使用期限。
3.1. 差分傳感可免受雜散磁場干擾
艾邁斯歐司朗因首次發(fā)明了基于半導體、可免受幾乎任何幅度的雜散磁場干擾的技術而在傳感器領域廣為人知。
艾邁斯歐司朗的差分傳感技術的原理基礎是在每個裸片上使用兩對霍爾傳感器元件，每個元件與裸片中心的距離都相等。為了計算旋轉(zhuǎn)位置或角度，片上處理器測量由兩對霍爾元件產(chǎn)生的磁場信號之間的差異。由于可以假定任何雜散磁場對兩對霍爾元件都具有相同的影響，因此差分測量方法會自動減去外部干擾。
艾邁斯歐司朗的汽車磁性傳感器通過認證，可免受相當于4,000A/m（根據(jù)ISO 11452-8:2015標準）的外部磁場導體的干擾。
圖2：由于采用了艾邁斯歐司朗的差分測量技術，無需增設屏蔽。
3.2. 雙晶元封裝技術可實現(xiàn)完全冗余
艾邁斯歐司朗的專利技術助力雙晶元傳感器封裝制造的實現(xiàn)，該封裝提供了完全冗余：如果一個晶元的傳感器通道失效，第二個冗余通道可以立即接管測量操作。艾邁斯歐司朗的創(chuàng)新之處在于將冗余晶元放置在主晶元下方，從而使雙晶元封裝的占用面積與傳統(tǒng)的單晶元器件相同。這種節(jié)省空間的設計簡化了汽車制造商的電路板布局，同時支持用于符合ISO 26262的ASIL C或ASIL D等級的系統(tǒng)中。
圖3：艾邁斯歐司朗雙晶元封裝。位于同一外殼中完全冗余的傳感器。
3.3. 符合ISO 26262標準的高級安全功能
除了雙晶元封裝專利技術之外，艾邁斯歐司朗的知識產(chǎn)權還擴展到支持符合功能安全標準的其他各種特性。這些特性包括：
- 自動檢測失效霍爾傳感器元件
- 擴展的片上故障診斷，包括檢測缺失磁體或未對準磁體
- 安全失效功能可在傳感器發(fā)生故障時確保系統(tǒng)安全運行
- 自動增益控制(AGC)增強
3.4. 與功能安全兼容的開發(fā)流程
在評估將位置傳感器用于安全關鍵型汽車系統(tǒng)時，許多設計團隊將從研究產(chǎn)品的特性和規(guī)格開始。 但是，為了符合ISO 26262的要求，也需要仔細制定傳感器的開發(fā)和生產(chǎn)過程的規(guī)范。艾邁斯歐司朗的位置傳感器開發(fā)完全符合功能安全的特殊要求。尤其是，艾邁斯歐司朗的位置傳感器開發(fā)方法可歸類為“獨立安全單元”SEooC)流程。此外，艾邁斯歐司朗還針對所有汽車位置傳感器提供了符合ISO 26262標準的文檔，包括FMEA、安全手冊和安全審核。
3.5. 封裝和組裝創(chuàng)新
汽車位置傳感器系統(tǒng)的質(zhì)量取決于兩個因素：位置傳感器模塊本身的固有質(zhì)量以及其在應用中的組裝質(zhì)量。電機組裝中最重要的參數(shù)是與電機軸的對準，因為通常磁性位置傳感器系統(tǒng)設計為居中于軸上方。未對準會嚴重影響傳感器角度測量的準確性。
艾邁斯歐司朗的電機對準專利技術大大簡化了在生產(chǎn)線上進行單元組裝的校準過程，可幫助汽車制造商在整個生產(chǎn)過程中獲得高質(zhì)量且可重復的結果，同時可最大限度地減少返工。
艾邁斯歐司朗的創(chuàng)新還擴展到推出采用系統(tǒng)級封裝(SiP)形式的汽車級位置產(chǎn)品，該產(chǎn)品整合了傳感器和外部元器件，從而使客戶無需開發(fā)和制造自己的位置傳感器電路板。
圖4：艾邁斯歐司朗系統(tǒng)級封裝。傳感器芯片和無源元器件集成在一個封裝內(nèi)。
3.6. 性能創(chuàng)新
與典型的消費電子應用相比，汽車系統(tǒng)的質(zhì)量需求對測量輸出的準確性提出了更嚴格的容差要求。
簡而言之，汽車系統(tǒng)設計人員要求高水平的可信度，即位置傳感器的所有生產(chǎn)單元都能在應用中達到數(shù)據(jù)手冊中的標稱精度。
艾邁斯歐司朗在其汽車位置傳感器中實施多項專利技術，旨在在眾多生產(chǎn)單元范圍內(nèi)實現(xiàn)質(zhì)量一致性。例如：- DAEC?技術（動態(tài)角度誤差補償），可以補償傳感器在高轉(zhuǎn)速下的傳播延遲影響，從而在轉(zhuǎn)速高達28,000rpm時生成高精度的補償角度測量值。
- 動態(tài)偏移校正，可自動校正所有磁性位置傳感器固有的測量偏移。這種自校準技術無需增設線路末端校準，并校正了在傳感器整個使用期限內(nèi)的溫度漂移影響。
- 自動增益控制(AGC)，可擴大在傳感器系統(tǒng)在組裝過程產(chǎn)生變化的容差度。艾邁斯歐司朗位置傳感器中的 AGC 功能會在 0-3mm 范圍內(nèi)自動調(diào)整，以適應傳感器及其配對磁體之間的氣隙差異。它還可以調(diào)節(jié)由于溫度波動和噪聲幅度變化而引起的傳感器性能變化，從而在整個時間、溫度和工作條件范圍內(nèi)實現(xiàn)高度穩(wěn)定的測量性能。
3.7. 汽車專用的特性和資源
艾邁斯歐司朗的磁性位置傳感器系列已經(jīng)擴展到了汽車領域所需且獨有的特性，例如PSI5和SENT接口。
艾邁斯歐司朗還希望通過以下方式來支持其汽車工程客戶，包括：提供面向評估和開發(fā)的專用工具（例如適配器板、磁體支架、模擬軟件和基于LabView的開發(fā)軟件）；提供適用于特定汽車應用的演示系統(tǒng)，例如踏板角度傳感和電動助力轉(zhuǎn)向角度傳感；發(fā)布磁體選擇指南、磁體供應商建議和磁體分析；以及完整的應用筆記、網(wǎng)絡研討會和教程視頻庫。
4. 結論
霍爾磁性傳感器技術在汽車行業(yè)中已經(jīng)遇到了阻力，以成本驅(qū)動方式推廣霍爾傳感器通用器件已顯現(xiàn)不足。因其對雜散磁場干擾的敏感性以及難以在符合 ISO 26262 功能安全標準的系統(tǒng)設計中實施，這些器件很難應用在系統(tǒng)設計之中。但是，僅因某些霍爾效應器件不適合使用就避免使用霍爾技術并不恰當。 由艾邁斯歐司朗開發(fā)的智能霍爾傳感器技術保留了霍爾效應半導體在位置傳感應用中的所有優(yōu)勢：基于智能霍爾傳感器的系統(tǒng)體積小、重量輕、可靠耐用且不會發(fā)生磨損和污染。
而且，艾邁斯歐司朗使用的智能霍爾傳感器增強性能意味著這些器件提供汽車OEM所需的關鍵特性，包括抗雜散磁性干擾、符合ISO 26262標準、系統(tǒng)級質(zhì)量以及高測量精度和線性度，并且在整個時間、溫度和工作條件范圍內(nèi)都能保持穩(wěn)定。
由于艾邁斯歐司朗在其磁性位置傳感器系列內(nèi)實施的特有創(chuàng)新，霍爾效應傳感器得以成為一項富有價值的技術，適用于汽車中的所有任務關鍵型和安全關鍵型應用，例如電機位置傳感、踏板角度傳感和方向盤轉(zhuǎn)向角度傳感。
作者簡介
Michael Pichler現(xiàn)任高級系統(tǒng)工程師，負責非接觸式磁性和感應式位置傳感器，專注于汽車環(huán)境中的電機控制和角度傳感應用。
他還負責有關系統(tǒng)設計和傳感器集成的大客戶技術支持。
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