線性霍爾效應(yīng)傳感器能為消費(fèi)者技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來高價(jià)值的效益，但還必須大幅降低耗電量，以滿足設(shè)備設(shè)計(jì)人員與終端使用者的期許。
簡介：提升感測(cè)效率為進(jìn)步的關(guān)鍵
提升感測(cè)效率是改善使用者體驗(yàn)的關(guān)鍵，方得以滿足智能型手機(jī)、相機(jī)和游戲控制器等消費(fèi)性裝置的需求，同時(shí)讓物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 發(fā)揮完整潛力。對(duì)消費(fèi)性應(yīng)用來說，擁有多重功能的智能按鈕更是支持復(fù)雜互動(dòng)與手勢(shì)型控制不可或缺的組件。另外就 IoT 方面，控制器則要能感測(cè)出細(xì)微的移動(dòng)或位置差異，才能準(zhǔn)確推估資產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)。以智能大樓內(nèi)的保全系統(tǒng)為例，基本傳感器能偵測(cè)窗戶是否關(guān)上，而更具智能的傳感器則能讓系統(tǒng)得知窗戶是否上鎖。
線性霍爾效應(yīng)傳感器提供比機(jī)械開關(guān)等替代方案更為細(xì)膩的感測(cè)方式，機(jī)械開關(guān)為目前常見于游戲桿或游戲控制器等計(jì)算機(jī)配件內(nèi)的技術(shù)。線性霍爾效應(yīng)傳感器提供非接觸式位置感測(cè)解決方案，高度可靠，方便加入設(shè)計(jì)。相較于光學(xué)傳感器等其他非接觸式感測(cè)裝置，線性霍爾效應(yīng)裝置更不容易發(fā)生光學(xué)窗口因灰塵或其他污染物而模糊所造成的錯(cuò)誤。線性霍爾效應(yīng)傳感器已廣泛用于多種工業(yè)應(yīng)用上，像是用來感測(cè)旋轉(zhuǎn)閥的位置等。
霍爾效應(yīng)與線性傳感器
霍爾效應(yīng)系指當(dāng)傳導(dǎo)材料放置在一個(gè)磁場內(nèi)，且有電流通過時(shí)，導(dǎo)體產(chǎn)生可測(cè)量電壓的現(xiàn)象。此電壓與通過的電流及垂直導(dǎo)體的磁通量成正比，如圖 1 所示�；魻栃�(yīng)傳感器 IC 整合高增益放大和其他訊號(hào)調(diào)節(jié)電路，例如偏移消除，以與其他邏輯或模擬電路的電壓兼容，產(chǎn)生能夠表示所偵測(cè)之磁通量的輸出。
圖 1． 使用霍爾效應(yīng)傳感器 IC 感測(cè)磁通量
目前有許多霍爾效應(yīng)裝置：具備數(shù)字輸出的傳感器可用作近位感應(yīng)開關(guān)，用于像是筆記本電腦的開／關(guān)偵測(cè)（在上蓋嵌入一塊小磁鐵） 等應(yīng)用。另一方面，線性霍爾效應(yīng)傳感器能夠產(chǎn)生模擬輸出，且輸出與磁鐵和傳感器之間的距離成正比。這類傳感器可用于滑過機(jī)構(gòu)，用來偵測(cè)磁鐵經(jīng)過傳感器旁的位置。例如，當(dāng)磁鐵條經(jīng)過傳感器時(shí)，輸出電壓將隨通量密度的變化而變動(dòng)，通量密度于磁鐵在遠(yuǎn)處時(shí)為零，磁鐵接近 N 極時(shí)為最大負(fù)通量，磁鐵位在傳感器中央時(shí)為零，接近 S 極時(shí)為最大正通量。磁鐵持續(xù)移動(dòng)經(jīng)過，傳感器的輸出接近零。
線性裝置的其它主要操作模式為迎頭感測(cè)，磁鐵往傳感器表面接近或遠(yuǎn)離。在此情況下，磁通量及輸出電壓從零開始，于磁鐵最接近傳感器時(shí)變?yōu)樽畲蟆D 2 顯示線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的輸出電壓如何在磁鐵接近 IC 表面時(shí)隨磁場強(qiáng)度變化。
圖 2． 線性霍爾效應(yīng)裝置的傳輸曲線
節(jié)電應(yīng)用
霍爾效應(yīng)最早發(fā)現(xiàn)于 19 世紀(jì)，但商用霍爾效應(yīng)傳感器 IC 一直到最近才推出，這些裝置同時(shí)還整合了低噪聲放大器和產(chǎn)生可用輸出電壓的訊號(hào)處理電路�；魻栃�(yīng)傳感器（包括線性裝置） 直到最近才廣泛應(yīng)用于工業(yè)的近位與位置感測(cè)作業(yè)，像是液位感測(cè)和閥位置控制等。
使用于消費(fèi)性便攜設(shè)備上時(shí)，線性霍爾效應(yīng)傳感器則有機(jī)會(huì)加入額外的功能，像是使用傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)難以執(zhí)行的功能，因?yàn)閭鞲衅鞒四軅蓽y(cè)按鈕何時(shí)按下，也能準(zhǔn)確判斷按鈕的位置。如此一來，裝置便能整合多功能按鈕，像是照相手機(jī)或數(shù)字單反相機(jī)的按鈕，半按可自動(dòng)對(duì)焦，全按則釋放快門。同樣地，線性霍爾效應(yīng)傳感器也能讓游戲控制器的按鈕控制額外的功能或感測(cè)更多復(fù)雜的玩家手勢(shì)。
另一方面，這些新興應(yīng)用也對(duì)線性霍爾效應(yīng)傳感器提出更嚴(yán)苛的要求。其中以超低耗電量最為重要，除了確保高階功能的運(yùn)作，還要避免縮短電池使用壽命。舉例來說，IoT 裝置通常需要自動(dòng)運(yùn)作長達(dá) 5 年、10 年或甚至 20 年，且只靠一顆小電池或能源采集系統(tǒng)供電。傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)傳感器的耗電量盡管只有數(shù)毫安，卻足以使設(shè)計(jì)人員無法達(dá)到運(yùn)作期間終生免維護(hù)的要求。就消費(fèi)性電子產(chǎn)品來說，電池使用壽命有任何明顯減損，都可能危害到市場銷售量。
全微功率傳感器
針對(duì)線性霍爾效應(yīng)傳感器可用來偵測(cè)按鈕位置的許多情況下，傳感器 IC 只需要在要取得位置信息時(shí)短暫地完整運(yùn)作。將電源管理整合到 IC，有助于在不需執(zhí)行感測(cè)功能時(shí)避免不必要的能源消耗。
像是 Diodes AH8500 和 AH8501 等部分傳感器具備 Enable 腳位，可讓主機(jī)控制操作模式。根據(jù)預(yù)設(shè)，內(nèi)部下拉電阻會(huì)讓傳感器保持在休眠模式下，此時(shí)典型消耗電流僅 8．9?A。在 Enable 腳位驅(qū)動(dòng)高電位，裝置便進(jìn)入啟用模式，以默認(rèn)的取樣頻率 6．25kHz 運(yùn)作，此時(shí)典型消耗電流為 1．16mA。或者，可用 PWM 訊號(hào)設(shè)定高達(dá) 7．14kHz 的自定義取樣率。
加入 Enable 腳位后，這些裝置極適合用于各種利用訊號(hào)來啟動(dòng)傳感器的 IoT 應(yīng)用，像是智能大樓保全或門禁系統(tǒng)。另一方面，相機(jī)、手機(jī)和游戲終端機(jī)等消費(fèi)性裝置則無法預(yù)期用戶何時(shí)會(huì)按下按鈕，因此無法驅(qū)動(dòng) Enable 腳位的高電位。這些情況下，使用者需要的是立即的響應(yīng)。使用于這類應(yīng)用時(shí)，AH8502 和 AH8503 默認(rèn)以微功率模式運(yùn)作，默認(rèn)取樣率 24Hz 下的典型耗電量僅 13?A。偵測(cè)到活動(dòng)時(shí)，傳感器便以 Turbo 模式運(yùn)作，還能視需要提高取樣率。裝置具備 Control 腳位，系統(tǒng)可透過此腳位將取樣率調(diào)整至最高 7．14kHz，此時(shí)耗電量最高為 1．16mA。
這些裝置擁有更強(qiáng)化的電源管理，像是在閑置時(shí)關(guān)閉模擬電路和 ADC，并在周期之間套用申請(qǐng)專利中的省電技巧，因此無論在正常、休眠及微功率模式下，其消耗電流均比替代的低功耗線性霍爾效應(yīng)傳感器要低許多。
這些裝置整合訊號(hào)調(diào)節(jié)電路，包括 8 位的 ADC 與 DAC，如圖 3 所示，可產(chǎn)生 8 位分辨率的模擬輸出，適用于各種 IoT 與消費(fèi)性應(yīng)用。
圖 3． 整合訊號(hào)調(diào)節(jié)提供 8 位模擬分辨率
針對(duì)需要高準(zhǔn)確度的應(yīng)用，AH8501 （具 Enable 腳位） 與 AH8503 還有可調(diào)整輸出的選項(xiàng)，確保準(zhǔn)確度靈敏度保持在 ±3％ 內(nèi)。加上裝置擁有非常低的溫度系數(shù) ±3％，確保靈敏度變異最大不超過 ±6％。這些裝置的靈敏度準(zhǔn)確度比價(jià)格相當(dāng)?shù)奶娲桨竷?yōu)異許多，與目前市面上價(jià)格高出許多的線性霍爾效應(yīng)傳感器相比也更為有利。不可調(diào)整的 AH8500 （具備 Enable 腳位） 與 AH8502 的靈敏度準(zhǔn)確度在 ±15％ 內(nèi)，但可彈性在生產(chǎn)在線執(zhí)行校正。
線性霍爾效應(yīng)傳感器大多會(huì)將 ESD 防護(hù)整合于 I／O，但提供的防護(hù)層級(jí)通常最高只有 1kV 或 2kV。AH850x 擁有強(qiáng)化的防護(hù)等級(jí)，可耐受最高 6kV，對(duì)廠房內(nèi)生產(chǎn)期間或終端使用者使用時(shí)遇到危害的抗擾性更為優(yōu)異。
擁有強(qiáng)化的 ESD 防護(hù)，便可省下外部防護(hù)組件，有助于降低物料列表成本，并減少電路板占用空間。這些裝置提升防護(hù)等級(jí)后，也能用在咖啡機(jī)等家電，以及工業(yè)應(yīng)用和消費(fèi)性行動(dòng)裝置上。
結(jié)論
自第一塊商用 IC 問世后，霍爾效應(yīng)傳感器迅速成為市場寵兒，尤其是在需要高可靠度、非接觸式位置或近位偵測(cè)的工業(yè)應(yīng)用。
IoT 的興起，加上消費(fèi)性電子裝置市場對(duì)改善用戶體驗(yàn)的需求不斷增加，這兩股趨勢(shì)為霍爾效應(yīng)傳感器帶來額外的成長商機(jī)，特別是能夠支持復(fù)雜功能 （例如多功能按鈕）的線性傳感器。相對(duì)較高的耗電量，甚至是某些微功率傳感器，使這些裝置的使用范圍受到局限，但現(xiàn)在最新一代的全微功率線性霍爾效應(yīng)傳感器推出后，要在可接受的低耗電量下執(zhí)行復(fù)雜的位置感測(cè)則成為可能。結(jié)合高準(zhǔn)確度、強(qiáng)化整合式 ESD 防護(hù)及操作彈性后，這些先進(jìn)裝置的使用范圍得以大幅延伸。 |
