英飞凌TLV493D 3D传感器提供高度三维检测

市场上的开发人员套件虽能以磁传感器设计产品，费用却相当昂贵，其500欧元的价格甚至未能涵盖必备的磁铁/传感器。有鉴于此，已有厂商现正推出各式设计套件，价格约落在每件20欧元，有助于轻松评估磁传感器。开发人员必须判定所选的磁传感器是否在设计初期即可达到效能需求。为达成此目标，他们需要更快速、更简单的效能检测。下一步是针对不同设计参数定义工作范围。必备的磁铁也需要运作。最终步骤则是确保磁传感器能实际投入制造。多样评估套件如英飞凌（Infineon）旗下的“3D Magnetic Sensor 2Go”、“Current Sensor 2Go”、“Speed Sensor 2Go”等，旨在使开发人员了解传感器于设计时间初期的个别应用，并帮助其轻松进入设计时间。该公司的评估套件目前支持用于三维位置检测的3D “TLV493D”磁传感器，以及“TLI4970”电流传感器、“TLE4922”速度传感器。

三维检测更精准

TLV493D 3D磁传感器（图1）测量x、y和z方向的磁场，并检测三维、线性和旋转动作，展现其广泛的适用范围涵盖汽车、工业和消费性应用。

图1 英飞凌TLV493D 3D传感器提供高度三维检测

可能的应用包含游戏杆和控制组件，例如家电和多功能按钮、电流表的防篡改功能，或是其他需要精准位置测量和/或低电流功耗的应用。 例如，TLV493D-A1B6采用TSOP-6封装，尺寸为2.9mm x 1.6mm。

此作法是在传感器芯片上整合垂直及水平霍尔传感器而成。 垂直霍尔传感器检测平面方向的x及y场分量，水平霍尔传感器则检测垂直方向的z场分量。

英飞凌使用包含节电振荡器在内的各种技术，将传感器的电流功耗降至仅几微安培。 传感器具备数字输出功能，使用快速双线I2C标准接口，可通过总线模式在传感器及微控制器之间进行双向通信。“3D Magnetic Sensor 2Go”设计套件（图2）提供配备3D磁传感器的评估板，并搭载ARM Cortex-M0处理器的XMC1000型微控制器，可将设计整合至此传感器。该套件具备所有组件及功能，足以提供高效率的设计支持，并且内含除错器。XMC4200微控制器也提供了除错和USB通信，并通过Micro USB连接器提供与图形用户接口（GUI）的电力与通信。 评估板也含显示供电和除错状态的LED、用户可设定的LED、电压控制器、反向电流二极管与ESD保护二极管。若是使用脚位接头，亦可连接示波器或是外部微控制器。

封装内也包含了单一磁铁，能够以手动的方式配置。 英飞凌也提供可安装于评估板的磁铁固定座。 如图2显示为两种设计，为游戏杆和旋钮。

图2 3D Magnetic Sensor 2Go套件具备游戏杆或旋钮的磁铁固定座（转接器）

特殊在线设计工具支持传感器常见应用，如角度/线性位置测量及游戏杆（图3）。 此工具为三项应用各提供预先定义或用户自定义的磁铁，可使用在线仿真工具定义磁铁、磁铁动作和传感器的位置。传感器检测动作并输出对应的信号。用户可选择角度测量动作，例如磁铁旋转、线性移动，亦包含游戏杆应用的特定动作，如3D磁铁动作。

图3 在线仿真工具可用于定义磁铁、磁铁动作与3D传感器位置

此工具会自动为每个传感器位置计算三个磁场方向。 此计算方式以用户定义的传感器组态为基础，将传感器和磁铁的安装公差列入考虑。

套件的软件封装也包含PC和韧体使用的图形用户接口，可储存在通信用的闪存，与3D传感器一同装置于微控制器。Segger J-Link USB驱动器以评估板与PC相连接。

借由3D Magnetic Sensor 2Go，可调整各种操作模式，如x、y、z方向的测量更新率，也意味着电流功耗同样可调整。

电流测量安全防护不可少

TLI4970是高精度电流传感器，以英飞凌的霍尔效应技术为基础，在一次侧总线与二次侧微控制器接口之间进行电流隔离（图4）。“无芯”概念无磁通量集中器，在开放回路组态中可大幅缩小组件尺寸，这种架构也可避免产生迟滞效应。 全数字传感器解决方案毋须外部校正或额外组件，如AD转换器、运算放大器、电压参考等，如此可简化设计，降低PCB面积与成本。芯片采用类似QFN的小巧SMD封装（7.0mm x 7.0mm），提供1.6%的过热与使用寿命高准确度感测，以及最高75mA的偏移误差。

图4 英飞凌TLI4970霍尔电流传感器结构

TLI4970具备过电流检测，可自行设定临界值与可程序滤波器，一般电流功耗为12mA。TLI4970配备的差动测量原则能防止外部磁场造成干扰，而传感器采用独立结构以测量温度与机械压力。

上述两种参数在运作时采分别测量，组件因此得以永久有效偏移。 此为长期稳定测量的基础，同样适用于有效、可靠、成本优化的转换器或驱动器。

TLI4970可测量最高+/-50A的交直流电，适用的装置如太阳能转换器、具备功率因子校正（PFC）的电源供应器、充电器或电子驱动器等。 非接触式测量技术不会产生任何额外损耗，适用于低功率设计（Rp<0.6mΩ）。 由于采用整合式离散磁场抑制，此款传感器对于外部磁场极不敏感。

除了提供精准的电流测量，也提供足够的保护，可用于功率放大器等。 举例而言，外部短路可能会触发临界过电流。 为确保延迟极为短暂，TLI4970提供平行讯号路径，因此传感器一般只需要1.8µs来检测错误。 若要依据应用的需求微调过电流临界值，系统开发人员可在传感器中同时进行电流值与下行过滤的程序设计。 因总线整合至SMD封装，传感器可于提供时完全校正。 TLI4970是率先透过16位数字SPI接口传送测量值的电流传感器之一。 例如，此款传感器整合差动放大器、滤波器及信号处理功能，并可在进行电流隔离时，同步测量最高600V的作业电压与最高3,600V的测试电压。

易用的设计套件适用于TLI4970电流传感器以及Current Sensor 2GO（图5），此款套件功能与3D Sensor 2GO套件相似，并包含以下功能：

图5 Current Sensor 2Go套件

1. TLI4970-D050T4（配备数字接口的电流传感器）2. XMC1100（配备ARM Cortex-M0）3. 内建J-Link Lite除错器（以XMC4200微控制器为基础）4. USB供电（MicroUSB）、ESD反向电流保护5. GUI霍尔传感器精准测速

TLE4922霍尔传感器通过测量磁场变化，可检测铁磁结构的动作与位置，此种结构可以是磁性编码器车轮或铁磁性齿轮。TLE4922可以通过回授偏压组态使用简易型、符合成本效益的磁铁，同时更具备高气隙效能和切换准确性。此款传感器对震动和气隙跳动极不敏感，可于最高8kHz的频率范围准确检测速度。

TLE4922尤其适用于旋转独立安装（TIM）组态，可取代汽车和两轮车应用的被动式可变磁阻（VR）传感器，更具备出色的抖动行为。

此外，传感器提供对于短路、过热和反向电压的全方位保护功能，同时拥有良好的电磁兼容性（EMC）和ESD耐用性，适合在严苛环境下使用。 此款传感器采用4脚位SSO-4-1封装。

以TLE4922为基础的各式应用可采取易用的Speed-Sensor-2GO套件（图6）。 该套件内含传感器（TLE4922-XAN）以及回授偏压磁铁（Bomatec铁氧体磁铁）。 PC可使用USB连接器轻松连接。 GUI型评估工具于实际应用时，可撷取并显示数字与仿真的模拟数据作为参数功能，例如气隙、温度和频率等。

图6 Speed Sensor 2Go套件

套件采用TLE4922，可由内部连接至提供的模块或其他由客户组装的模块；也可作为制图工具用于处理磁场。 内部架构对应至线性霍尔传感器。 开发人员可使用TLE4922评估齿轮的模块定位。

英飞凌除了提供用于检测3D位置、电流、速度的设计套件外，未来也将提供适用于角度传感器的相似评估解决方案，并以完整的文件和Arduino Shield提供设计支持。 在线仿真工具也有助于选择适合不同类型应用的产品。 用户选择应用后，即可使用各种磁性与传感器参数执行计算，以仿真磁场。 此外，工具也可根据磁铁及其残留磁性判断最佳气隙。 至于角度传感器，在线工具可依组装公差判定最大角度误差。