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共有四大類提供數(shù)字輸出的霍爾效應(yīng) IC 器件：單極開關(guān)、雙極開關(guān)、全極開關(guān)和鎖存器。本應(yīng)用說明將主要闡述鎖存開關(guān)。Allegro?公司的網(wǎng)站上提供了有關(guān) 單極開關(guān)、雙極開關(guān)和 全極開關(guān)的類似應(yīng)用說明。
鎖存型霍爾效應(yīng)傳感器 IC 也稱“鎖存器”，它是一種能鎖定輸出狀態(tài)的數(shù)字輸出霍爾效應(yīng)開關(guān)。鎖存器與雙極開關(guān)類似，它有正極 BOP 和負(fù)極 BRP，但卻能精確控制開關(guān)動(dòng)作。鎖存器要求正負(fù)極磁場同時(shí)工作。單獨(dú)的磁體位于強(qiáng)度（磁通量密度）足夠的南極（正極）磁場，會(huì)使器件切換至開啟狀態(tài)。當(dāng)器件開啟時(shí)，它會(huì)鎖定狀態(tài)并保持開啟，即時(shí)將磁場移開也是如此，直到出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)度足夠的北極（負(fù)極）磁場。當(dāng)出現(xiàn)負(fù)極磁場時(shí)，器件會(huì)關(guān)閉。它會(huì)鎖定更改的狀態(tài)并保持關(guān)閉，即時(shí)將磁場移開也是如此，直到出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)度足夠的南極（正極）磁場。
圖 1 顯示了檢測轉(zhuǎn)軸位置的應(yīng)用。多個(gè)磁體集中在一個(gè)被稱為“環(huán)形磁鐵”的簡單結(jié)構(gòu)內(nèi)，它包含相反的磁極交替排列的區(qū)域。與每個(gè)環(huán)形磁體相鄰的 IC 封裝就是霍爾鎖存器件。軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁場區(qū)向霍爾器件移動(dòng)。器件將受到最近的磁場的影響，在與南極磁場相對(duì)時(shí)開啟，在與北極磁場相對(duì)時(shí)關(guān)閉。請(qǐng)注意：器件的標(biāo)記面應(yīng)面向環(huán)形磁鐵。
圖 1.使用環(huán)形磁鐵的兩個(gè)鎖存型器件。環(huán)形磁鐵具有交替的 N（北）和 S（南）極性帶，他們圍繞霍爾器件旋轉(zhuǎn)、使其開啟和關(guān)閉。
磁性開關(guān)點(diǎn)術(shù)語
以下是用于定義霍爾開關(guān)操作的轉(zhuǎn)換點(diǎn)或開關(guān)點(diǎn)的術(shù)語：
圖 2：霍爾效應(yīng)是指在外加電流受垂直磁場影響時(shí)存在可測量的電壓。
B ? 磁通密度的符號(hào)，是用于確定霍爾器件開關(guān)點(diǎn)的一個(gè)磁場屬性。單位是高斯 (G) 或特斯拉 (T)。轉(zhuǎn)換關(guān)系是 1 G = 0.1 mT。
B 有南極和北極之分，所以有必要記住它的代數(shù)約定，B 在用于北極磁場時(shí)為負(fù)數(shù)，用于南極磁場時(shí)為正數(shù)。該約定可以用于對(duì)北極與南極數(shù)值進(jìn)行算術(shù)比較，其中磁場的相對(duì)強(qiáng)度以 B 的絕對(duì)值表示，符號(hào)表示磁場的極性。例如，一個(gè) ? 100 G（北極）磁場和一個(gè) 100 G（南極）磁場具有相同的強(qiáng)度，但是極性相反。同樣地，一個(gè) ? 100 G 磁場的強(qiáng)度要高于一個(gè) ? 50 G 磁場的強(qiáng)度。
BOP ? 磁場工作點(diǎn)；使霍爾器件開啟的強(qiáng)化磁場強(qiáng)度。器件輸出的結(jié)果狀態(tài)取決于器件的獨(dú)特電子設(shè)計(jì)。
BRP ? 磁場釋放點(diǎn)；使霍爾器件關(guān)斷的弱化磁場強(qiáng)度（對(duì)于某些類型的霍爾器件而言，則是在給出正 BOP 的情況下的強(qiáng)化負(fù)磁場的強(qiáng)度）。器件輸出的結(jié)果狀態(tài)取決于器件的獨(dú)特電子設(shè)計(jì)。
BHYS ? 開關(guān)點(diǎn)磁滯回差。霍爾器件的傳輸功能利用開關(guān)點(diǎn)之間的這個(gè)偏移值來過濾掉在應(yīng)用中可能由機(jī)械振動(dòng)或電磁噪聲引起的磁場中的小的波動(dòng)值。BHYS = | BOP ? BRP |。
典型工作狀態(tài)
鎖存?zhèn)鞲衅?IC 的開關(guān)點(diǎn)以對(duì)稱方式圍繞中性磁場 (B = 0 G)，如圖 3 所示。開關(guān)點(diǎn)的磁場強(qiáng)度相等，但磁極相反。例如，如果工作點(diǎn) BOP是 85 G（表示南極的正值），釋放點(diǎn) BRP是 ? 85 G（表示北極的負(fù)值）。鎖定最近的狀態(tài)能防止器件在受到弱磁場影響時(shí)切換。
鎖存開關(guān)會(huì)在強(qiáng)南極磁場中開啟，產(chǎn)生的輸出信號(hào)是低邏輯電位，（在輸出晶體管飽和電壓條件下，VOUT(sat)，通常是<200 mV）。鎖存開關(guān)會(huì)在強(qiáng)北極磁場中關(guān)閉，產(chǎn)生的輸出信號(hào)是低邏輯電位（最高為全電源電壓， VCC）。由于開關(guān)狀態(tài)已鎖定，所以當(dāng)磁場介于開關(guān)點(diǎn)的磁滯范圍（在 BOP 和 BRP 之間）內(nèi)時(shí)，這些器件不會(huì)切換。由于在兩個(gè)方向進(jìn)行切換前，必須穿過 0 G 點(diǎn)，所以磁滯范圍相對(duì)要比其他類型的霍爾開關(guān)的更寬。
圖 3.鎖存開關(guān)的輸出特性。存在強(qiáng)南極強(qiáng)磁場時(shí)，器件輸出切換至低邏輯電位，存在強(qiáng)北極磁場時(shí)，它會(huì)切換至高邏輯電位。在弱磁場中，鎖存器不會(huì)更改輸出狀態(tài)。
雖然器件能在任意強(qiáng)度的磁場中通電，為闡釋圖 3，從最左邊開始，此處的磁通量（橫軸上的 B）的正性小于 BRP 或 BOP。此時(shí)器件關(guān)閉，輸出電壓（VOUT，在垂直軸上）較高。
向右的箭頭表示在此方向上磁場的正性逐漸增加。當(dāng)與 BOP 相比，磁場較為偏正時(shí)，器件開啟。這使輸出電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橄喾吹臓顟B(tài)（即，變低）。
若與 BRP 相比，磁場仍偏正，則器件仍保持在開啟狀態(tài)且輸出狀態(tài)保持不變。即使在 B 的正性比 BOP 略低（在開關(guān)磁滯 BHYS 的內(nèi)置區(qū)內(nèi)）的情況下也是如此。
箭頭轉(zhuǎn)為向左表示磁場正性減少、逐漸變負(fù)。當(dāng)磁場再次降至 BRP 以下時(shí)，器件關(guān)閉。這使輸出變回初始狀態(tài)。
磁鐵
一個(gè)磁鐵可以提供兩個(gè)相反的磁極，然而，用環(huán)形或條形磁鐵材料更符合成本效益。環(huán)形和條形磁鐵可以在指定間距的情況下使磁極交替變換。環(huán)形磁鐵可以是環(huán)型或圓盤狀的組件（見圖 1），其徑向或軸向磁極交替變化。條形磁鐵是一個(gè)磁極交替變換的扁平條形結(jié)構(gòu)。環(huán)形磁鐵可以由多種材料制成，包括陶瓷、稀土材料和柔性材料。條形磁鐵采用的幾乎都是柔性材料，如丁腈橡膠粘合劑（包含定向鋇鐵氧體），或更高級(jí)的能源稀土材料。
環(huán)形磁鐵通常有許多磁極，而條形磁鐵一般用磁極/英寸來定義。一個(gè)四極環(huán)形磁鐵包含兩個(gè)北極和兩個(gè)南極且這些磁極會(huì)交替轉(zhuǎn)換 (N-S-N-S)，而一個(gè)每英寸含 11 個(gè)磁極的條形磁鐵每間隔 0.0909 英寸就有一個(gè)磁極轉(zhuǎn)換。磁鐵制造商可以滿足各種極間距離要求。
上拉電阻器
上拉電阻器必須連接在電源正極和輸出引腳之間（見圖 4）。上拉電阻器的阻值一般是 1 至 10 kΩ。最小上拉電阻是傳感器 IC 最大輸出電流（灌電流）和實(shí)際電源電壓的函數(shù)。20 mA 是最大輸出電流的典型值，在這種情況下，最少可拉 VCC / 0.020 A 的負(fù)載。在擔(dān)心電流消耗的情況下，上拉電阻最高可達(dá) 50~100 kΩ。注意：如果上拉電阻較大，可能會(huì)導(dǎo)致外部漏電流接地，而由于接地漏電流過高，即使器件處于磁關(guān)斷狀態(tài)，輸出電壓也可能會(huì)下降。這不是器件的問題，其根本原因在于上拉電阻器與傳感器 IC 輸出引腳之間的導(dǎo)體發(fā)生了電流泄露。嚴(yán)重的話，這會(huì)使傳感器 IC 輸出電壓大幅降低以至于使其喪失適當(dāng)?shù)耐獠窟壿嫻δ堋?/p>
圖 4：典型應(yīng)用圖。
旁路電容器的使用
參考圖 4 了解旁路電容器的布局設(shè)計(jì)。一般來說：
通電狀態(tài)
只有當(dāng)加電時(shí)，磁場強(qiáng)度超過 BOP 或 BRP 時(shí)，鎖存器才會(huì)在有效狀態(tài)下通電。如果磁場強(qiáng)度處于磁滯帶，即在 BOP 和 BRP 之間，則器件最初處于開啟或關(guān)閉狀態(tài)，然后在首次經(jīng)過一個(gè)開關(guān)點(diǎn)之后達(dá)到正確的狀態(tài)。可以為器件設(shè)計(jì)上電邏輯，以確保器件在到達(dá)開關(guān)點(diǎn)之前一直處于關(guān)閉狀態(tài)。
通電時(shí)間
通電時(shí)間在某種程度上取決于器件的設(shè)計(jì)。在初始通電時(shí)，數(shù)字輸出傳感器 IC（例如鎖存型器件）可在如下時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
| 器件類型 | 通電時(shí)間 |
|---|
| 非斬波設(shè)計(jì)（如 A1210 系列） | <4 μs |
| 穩(wěn)定斬波設(shè)計(jì)（如 A1220 系列） | <25 μs |
從根本上來講，這意味著：在通電之后、經(jīng)歷這段時(shí)間之前，器件的輸出可能處于一個(gè)不正確的狀態(tài)，但在經(jīng)過這段時(shí)間之后，器件的輸出肯定處于正確的狀態(tài)。
功耗
總功耗是以下兩個(gè)因素的總和：
傳感器 IC 消耗的功率，不包括在輸出端損耗的功率。這個(gè)值的大小是 VCC 與電源電流的乘積。VCC 是器件電源電壓，電源電流如數(shù)據(jù)表中所示。例如，已知 VCC = 12 V 并且電源電流 = 9 mA，則功耗 = 12 × 0.009 or 108 mW。
在輸出晶體管中消耗的功率。這個(gè)值的大小是 V(on)(sat) 與輸出電流（由上拉電阻器決定）的乘積。如果 V(on)(sat) 為 0.4 V（最壞的情況）、輸出電流為 20 mA（通常是最壞的情況），則消耗的功率為 0.4 × 0.02 = 8 mW。正如你所看到的，由于飽和電壓的值非常小，所以在輸出上的功耗也比較小。
在這個(gè)例子中，總功耗為 108 + 8 = 116 mW。將這個(gè)數(shù)字用在相關(guān)封裝的數(shù)據(jù)表的降額圖表中，檢查是否有必要降低最大允許工作溫度。
常見問題
問題：我如何確定磁鐵的方向？
回答：磁極面向器件的標(biāo)記面。標(biāo)記面上有器件的識(shí)別標(biāo)志，例如部分型號(hào)或日期代碼。
問題：我可以將磁鐵靠近器件背面嗎？
回答：可以，但要記住：如果磁鐵的磁極朝著同一個(gè)方向，則從正面看，穿過器件的磁流場的方向保持不變（例如，如果從正面看，南磁極比較接近器件，那么若從背面看，北磁極比較接近器件）。然后，北磁極會(huì)針對(duì)霍爾元件產(chǎn)生一個(gè)正磁場，而南磁極會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)磁場。
問題：有用于接近器件背面的權(quán)衡方法嗎？
回答：有。由于霍爾元件與正面（封裝標(biāo)記面）之間的距離比較近（相對(duì)于背面而言），從封裝正面接近時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“更清潔的”信號(hào)。例如，對(duì)于“UA”封裝，帶有霍爾元件的芯片位于封裝標(biāo)記面內(nèi) 0.50 mm 處，距離背面大約 1.02 mm。（標(biāo)記面與霍爾元件之間的距離稱為“有效面積深度”。）
問題：一個(gè)很大的磁場會(huì)損壞霍爾效應(yīng)器件嗎？
回答：不會(huì)。一個(gè)很大的磁場不會(huì)損壞 Allegro 霍爾效應(yīng)器件，也不會(huì)導(dǎo)致磁滯增加（計(jì)劃內(nèi)的磁滯除外）。
問題：我為什么需要一個(gè)穩(wěn)定斬波型器件？
回答：與非斬波設(shè)計(jì)相比，穩(wěn)定斬波型傳感器 IC 具有更高的靈敏度和控制更為嚴(yán)密的開關(guān)點(diǎn)。它也許還能承受更高的工作溫度。大多數(shù)新器件設(shè)計(jì)都采用了斬波型霍爾元件。
推薦的器件
Allegro 公司網(wǎng)站上的選型指南《霍爾效應(yīng)鎖存器/雙極開關(guān)》中列出了標(biāo)準(zhǔn)鎖存器。
《微功率開關(guān)/鎖存器》中列出了低功率鎖存器。
可能的應(yīng)用
速度感測
旋轉(zhuǎn)編碼器
轉(zhuǎn)數(shù)記錄
流量計(jì)
無刷電機(jī)換向
防夾天窗/門窗升降機(jī)換向
相關(guān)器件類型的應(yīng)用說明
雙極開關(guān)
全極開關(guān)
單極開關(guān)
參考：AN296067
