摘要：本文簡要介紹霍耳傳感器，特別是汽車和工業(yè)領(lǐng)域的2線、霍耳數(shù)字開關(guān)的應用。詳細介紹了利用完全集成的霍耳傳感器接口在汽車和工業(yè)應用中增加診斷功能和可靠保護的方法，本文提供了對地電位偏差承受能力的測試結(jié)果。
引言
霍耳效應的原理是磁場與導體中流過的電流相垂直時，流過電流的導體兩側(cè)會出現(xiàn)電勢差。
霍耳效應傳感器基于這一原理檢測磁場的變化，輸出與之成比例變化的電壓，可以實現(xiàn)無接觸檢測，因此能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的封裝，不受環(huán)境因素的影響。
由于在惡劣環(huán)境中具有較高的可靠性，霍耳傳感器被普遍用于工業(yè)和汽車領(lǐng)域，從車窗升降和天窗控制電機速度的調(diào)節(jié)到車門開/關(guān)檢測及鑰匙點火系統(tǒng)。
霍耳傳感器的類型
目前有各種類型的霍耳傳感器，例如3線和2線數(shù)字傳感器、線性傳感器、電流傳感器以及雙極性或單極性數(shù)字開關(guān)等。2線傳感器有兩個連接點：電源/輸出和地，3線傳感器的電源和輸出采用單獨的連接點。
2線霍耳數(shù)字開關(guān)通常用于汽車和工業(yè)領(lǐng)域，在這類應用中，抗噪聲能力非常關(guān)鍵，要求霍耳傳感器與相關(guān)電子器件之間的電氣隔離?；舳鷤鞲衅鞴ぷ鲿r總會吸收一定的電流，這種電流模式信號抗噪聲能力較強，有助于進行簡單診斷。
這些傳感器提供兩種不同的電流電平，具體取決于是否有磁場。電流電平會因為不同的傳感器廠商而有所差異，但低電平范圍一般在5mA至8mA (沒有磁場)，高電平范圍在11mA至14mA (有磁場)。
霍耳傳感器接口
MAX9921是首款用于2線霍耳數(shù)字開關(guān)與微控制器接口的集成方案。它具有兩個獨立通道，為兩個傳感器提供電流通路，監(jiān)測電流電平，每個通道通過開漏輸出為微控制器產(chǎn)生一路數(shù)字輸出，圖1所示為器件結(jié)構(gòu)圖和典型應用電路。
圖1. MAX9921結(jié)構(gòu)圖和典型應用電路。
作為一款高靠性IC，MAX9921設(shè)計用于惡劣的工作環(huán)境，例如工業(yè)和汽車等應用。器件工作在6V至18V電池電壓范圍，可以承受最高60V的瞬變電壓 (拋負載)?；舳斎攵思闪藢Φ囟搪繁Ｗo、電源短路保護以及高達±15kV的靜電放電(ESD)保護功能。內(nèi)部輸入保護電路省去了外部電路，從而降低成 本和空間。
MAX9921的兩個通道獨立工作，器件對每路輸入提供診斷和故障保護。診斷模式下，診斷輸出結(jié)合兩個獨立通道輸出，提供基本的診斷信息，監(jiān)視傳感器的工作狀態(tài)。診斷功能包括：輸入開路(沒有接傳感器)、輸入短路至地、輸入短路至電池電壓(VBAT)以及VBAT超出范圍等。診斷功能可以識別出兩路輸入中的哪一路受到以上故障的影響。集成的診斷輸出電路無需固件執(zhí)行這一功能，也不需要微控制器的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)測量霍耳電流。
較高的地電位差承受能力可減少連線
雖然MAX9921是面向2線霍耳傳感器應用設(shè)計，但該器件也可以用于實現(xiàn)霍耳傳感器的單線接口。其高邊電流檢測拓撲使其能夠承受較高的傳感器與 MAX9921和微控制器地之間的地電位差。較高的地電位差承受力可以避免使用地連接線(例如，汽車底盤的地連接線)，支持霍耳傳感器的單線接口。
圖2所示電路用于測試MAX9921對地電位差的承受能力。電路沒有使用霍耳傳感器，而是使用了可編程負載，用于吸收電流，可以在較大范圍內(nèi)設(shè)置電流，精度達到所選滿量程值的0.1%。試驗中選擇了10mA滿量程值，精度達10?A。如圖3所示，MAX9921帶滯回的電流門限小于1mA，確保在惡劣環(huán)境或嘈雜環(huán)境下可靠工作。
圖2. 測試MAX9921地電位差承受能力的電路。
圖3. MAX9921的電流閾值和滯回。
在第一個試驗中，流入可編程負載的電流置為9.05mA，比MAX9921輸出從低電平(~0V)切換到高電平(~5V，上拉電阻接5V)的閾值低50?A。通過直流電壓發(fā)生器(V)，可編程負載地電位與MAX9921地電位的差。如表1所示，VBAT = 12V，MAX9921的門限能夠承受高達±8V的地電位差!
表1. 電流門限為9.05mA時可承受的地電位差。
進行類似試驗，測試8.2mA由高電平到低電平切換電流門限的可靠性。電流置為8.25mA，即使地電位相差±8V，MAX9921輸出也不會發(fā)生翻轉(zhuǎn)(表2)。
表2. 電流門限為8.2mA時可承受的地電位差。
MAX9921的高邊電流檢測拓撲使該器件能夠承受傳感器與接口之間高達±8V的地電位差。這在霍耳傳感器距離邏輯電路(MAX9921接口和微控制器) 較遠的應用中特別重要。在類似應用中，MAX9921可以省去器件本身與霍耳傳感器之間的地連接線，從而節(jié)省了成本和空間。
結(jié)論
MAX9921較高的地電位差承受力、輸入保護電路、高達60V的耐壓以及診斷功能使得MAX9921成為汽車、工業(yè)等惡劣環(huán)境下霍耳傳感器與微控制器接口的理想選擇，提供完備、可靠的集成方案。
