了解线性霍尔效应传感技术

由于支持技术的发展，霍尔效应 (磁场)传感应用进来已经进入实用阶段。本文介绍霍尔效应技术，以及该如何应用该技术，特别对线性霍尔传感器 IC应用进行探讨。

首先简要介绍一下霍尔效应技术的工作原理。简单地说，霍尔效应发现于 1879 年，并以埃德温·霍尔爵士的名字命名，它是指流经电流的导体受到磁场的影响时，在导电材料（例如硅（矽）或砷化镓 (GaA)）上可以测到电压（见图 1）。这个由磁场所产生的横向力被称为洛仑兹力。因此，霍尔效应器件需要磁场才能驱动。

尽管如今已经非常普遍，但霍尔效应技术直至二十世纪八十年代才得到普遍应用。这是因为霍尔元件上的电压非常小，很容易受外界因素的影响，比如温度和封装应力。

现代霍尔效应传感器 IC 集成了信号调制和放大技术，使霍尔效应器件步入实用阶段。

标准数字霍尔传感器 IC 有三种常见变体：单极、闭锁和双极。

带有模拟输出的线性霍尔效应器件。与数字开关类似，线性设备中可以提供丰富的功能；例如比例式输出、用户可编程、数字输出（如脉宽调制）以及单向或双向传感。

大多数标准线性霍尔效应传感器 IC 具有与磁场强度呈比例关系的比率式输出 （0.5 × VDD）。这些设备通常需要调节式 5.0 V 电源，且当不存在大磁场强度时 QVO（静态电压输出，VOUT(Q)) 为 2.5 V。

线性霍尔效应器件在整个传感磁通范围内响应，并输出比例模拟信号。

常见的霍尔型号有SiliconWisdom矽睿半导体的SWG501NS/SWU504NS/SWB512NS/SWD514NS/SWG513NS等。

线性霍尔SWG513NS在跑步机上的应用：

跑步机跑板高度检测是迎面传感技术的良好例证。如果调整跑板高度，为跑步者改变坡度，可使用线性霍尔 SWG513NS检测跑板的位移。通常磁铁连接到跑板本身，而传感器组件保持静止状态。随着跑步者增大或减小跑板的坡度，SWG513NS 通过霍尔元件测得的磁场强度变化，向控制模块提供关于相对位移的反馈。

设计线性应用：

与只需要一定磁场强度和极性来驱动的数字霍尔效应开关不同，线性设备需要稍多应用规范才能实现满意的结果。

线性 IC 的增益决定了给定距离下的分辨率。

那么如何给适当增益呢？怎么计算的呢？

用输出电压 VOUT的变化除以施加磁场强度 (Bapplied) 的变化，得到此应用的线性霍尔效应器件的相应增益。

通用计算方程如下：

增益 (mV/G) = VOUT(mV) / Bapplied(G)。

要使用示例数据，首先将 VOUT的单位从 V 转为 mV。

VOUT= V–VOUT1和Bapplied(G) = Bmax– Bmin

在现实世界中，传递函数并不是完美的线性关系，系统中可能存在一个固有的偏移量。为此，必须进一步考虑应用场合要求的精度、模数转换器或者必须读取输出的类似设备的分辨率，以及磁铁的温度系数。

在这些情况下，考虑以下因素会有所帮助：

静态输出电压的变化是温度、VOUT(Q)（TA）的函数

灵敏度（增益）的变化是温度、Vsens(Q)(TA) 的函数，以及给定磁场强度范围内设备的线性度。

可利用磁场对线性霍尔效应SWD514NS进行反向偏压，以感知亚铁材料目标。例如，在汽车行业广泛使用基于SWD514NS可精确感应凸轮凸部的位置和发动机中的曲轴的速度，以改进调速，从而获得更高的燃烧效率。SWD514NS具有很高的带宽，因此可以感知混合动力汽车的电池管理系统和直流-直流转换器中的电流变化。

审核编辑 黄宇