霍尔效应IC开关在消费电子市场中的应用

21世纪的超小型IC封装创新为机械设备提供了有益的替代方案。

据半导体行业协会称，消费电子市场在2004年成为半导体的最大用户和主要驱动因素并持续增长比公司部门还要大。在消费类电子产品中，便携式产品是增长最快的领域。市场研究公司Gartner Dataquest的数据显示，预计2007年手机数量将从2007年的10亿多个增加到2010年的近15亿个。

同时为正确的组件，消费类电子产品，特别是消费电子产品的供应商提供大量机会。便携式部分对供应商提出了很高的要求，要求小尺寸，高功能，低功耗和低成本作为验收的主要标准。在这个竞争激烈的舞台上，霍尔效应被证明是为蜂窝电话，便携式计算机，数码相机，导航系统，电子玩具等添加功能的正确解决方案。霍尔效应是20世纪后期通过使用LSI（大规模集成）IC技术和先进封装实现的磁性技术。在便携式消费电子产品中，霍尔效应传感器提供了有效的替代方案。与其他非接触技术相比，机械开关具有更高的可靠性，以及成本和/或性能优势。霍尔效应IC采用集成双极感应和CMOS逻辑电路，具有高度可靠的半导体封装和小磁铁，可提供多种有用功能。

便携式电子产品中的应用

在消费类电子产品中，产品的接受程度越来越由以下因素决定：

用户界面，传感器提供意识

整体用户体验，其中微妙的功能可以成为“哇！”因此。霍尔效应IC开关的使用有助于其中几种应用的产品验收。

开/关检测

便携式电脑，翻盖式或千斤顶式电话，以及其他具有旋转铰链和蛤壳设计的便携式设备（见图1）历来使用机械开关来指示打开或关闭位置。了解设备是打开还是关闭对于为睡眠电路供电以及将设备恢复到睡眠模式以节省电量至关重要。

图1：霍尔当手机盖关闭时，IC开关检测到磁铁的存在。

霍尔效应IC开关检测是否存在磁场，并输出数字信号用于ON/OFF。与具有潜在磨损机制的机械开关相比，霍尔方法是一种非接触式，长寿命的解决方案。与机械开关相比，在许多情况下，霍尔效应开关可以简化传感器位置的选择。

一些较新的手机，数码相机和其他便携式仪器使用滑动机制（见图2）显示显示器或键盘，当设备处于待机模式时通常会被覆盖。在这些应用中，通常使用霍尔效应IC开关/磁体组合。 IC通常是单极霍尔效应IC。单极霍尔效应IC开关仅在检测到足够强度和极性的磁场时工作。 S极检测设备最常见，但也可以使用N极检测设备。

图2：霍尔效应IC开关在手机盖关闭时检测磁铁的存在。

能够检测任一极性磁场的全极霍尔效应IC开关也可用于此应用。单极器件通常需要较少的功率来操作，但磁体必须正确定向，而全极设备的操作与磁体方向无关。

屏幕方向

在另一个变型中，屏幕枢转以允许磁体的正面或背面要显示的显示。系统必须辨别显示器的哪一侧面向观察者。该应用程序通常用于PDA，数码相机和平板电脑。一些用于台式计算机的平板显示器可以在纵向和横向模式之间旋转。

在这些应用中，必须使用霍尔效应IC传感器，它不仅能够检测磁场，还能够区分磁场。极性（参见图3）。

具有双输出的全极霍尔效应IC开关可以通过单个器件控制屏幕方向和其他类似功能。

图3：极性区分全极霍尔效应IC开关可用于控制多个显示器的操作和方向。

功能选择和控制

多功能手机中越来越重要的功能是滚轮或轨迹球（参见图4），一个人机界面，允许用户滚动列表，增加或减少音量，或实现另一个功能。一些低成本的MP3播放器使用顺时针或逆时针移动的转轮选择MP3歌曲或滚动菜单项列表。

电容式甚至电阻式触摸感应也用于这些应用，但霍尔效应传感器提供成本较低的解决方案。

图4：双极霍尔效应IC开关检测交替极性磁场的存在，以识别顺时针或逆时针运动。

此应用需要使用两个双极锁存霍尔效应IC。转轮具有一系列交替的N极和S极磁铁。组合使用的两个霍尔效应IC用于检测车轮的顺时针或逆时针旋转。

手机，计算机和游戏手机中的更高级应用程序使用可左右上下移动的轨迹球。这些设计使用四个霍尔效应开关来确定球的移动方向和速度。虽然移动电话使用霍尔效应传感器来实现各种功能，但这些功能中的一些可用于便携式计算机，数码相机，霍尔效应技术基础

电流在垂直于磁场的导体中流动会在相对的两侧产生一个电压，称为霍尔电压。导体。虽然自1879年Edwin Hall发现这种现象以来已经知道这一点，但半导体技术已经减小了霍尔效应器件的尺寸，并增加了几个关键特性，使霍尔效应开关，传感器和其他产品在许多应用中非常有用。如图5所示，垂直于半导体封装平面的磁场和其内部的芯片产生低电平的霍尔电压。霍尔元件配置为惠斯通电桥，需要额外的电路，包括放大和偏移电压补偿。

霍尔效应传感应用的设计考虑因素包括磁场强度和磁铁接近度。对于最小的传感系统，建议使用钕磁铁而不是铁氧体磁铁。厚度为1 mm或3 mm的4 mm x 4 mm钕磁铁在磁铁和霍尔效应IC之间的间隔为7.66 mm至10.4 mm。增加检测距离需要增加厚度，截面积或两者。对于一些手机，还使用MR（磁阻），GMR（巨磁阻）或AMR（各向异性磁阻）传感技术。在这些技术中，场方向与霍尔效应场方向相反，这需要正交磁场。通常，磁体强度需要大约是霍尔效应器件的两倍。然而，在引入霍尔效应传感器的芯片级封装之前，MR封装更小。采用更新，更小的霍尔效应IC，如ROHM的产品，采用1.1 mm x 1.1 mm x 0.5 mm CSP（芯片级封装），MR封装尺寸优势基本消失，特别是因为设计人员可以通过使用更小的尺寸来节省空间和成本图5：当磁铁垂直于流动时，霍尔电压是由半导体材料中的电流引起的。

ROHM的霍尔效应技术《 br》 ROHM的霍尔效应IC使用单个单片硅芯片和内置电路，以提供额外的功能和易于连接。此外，ROHM不是一直使用的模拟输出，而是率先在输出端使用CMOS逻辑，以提供低功耗。今天，所有ROHM霍尔效应开关都使用CMOS推挽逻辑来提供数字输出，无需其他霍尔效应开关中常见的单FET输出所需的外部上拉电阻。 CMOS输出直接连接到微控制器。图6显示了霍尔效应元件以及所有ROHM霍尔效应IC共用的附加电路，包括时序逻辑（SW），动态失调消除，放大，采样和保持，比较器，振荡器（OSC），锁存和推挽输出。 ROHM的一些霍尔效应传感器具有两个推挽输出，可实现更强大的功能。

采样和保持电路可降低电池供电应用的功耗。 ROHM的霍尔效应IC通常具有50毫秒的采样周期。如图7所示，器件唤醒48-μs的磁场样本，然后返回休眠状态。因此，2.7 V应用的典型工作电流仅为8μA，1.8 V工作时的典型工作电流甚至更低，仅为5μA。由于ROHM霍尔效应IC专为电池供电应用而设计，它们可以在低至1.65 V至3.3 V的电压下工作。专为滚轮或轨迹球应用而设计的双极霍尔效应IC具有更快的0.5 ms采样周期。 br》

图6：ROHM霍尔效应元件的框图。

图7：每50 ms周期48μs的典型采样时间将平均电流消耗降低至8μA ROHM霍尔效应IC中的传感元件和电路设计确保了高ESD（静电放电）容差，在人体模型中测得的额定值高达8 kV。单片硅霍尔效应传感器的工作温度范围为-40°C至85°C，具有较高的磁通密度检测稳定性与温度的关系。此外，许多型号具有高灵敏度，典型工作点为3.7 mT（设计用于1.8 V操作的IC为3.0 mT）。动态偏移消除消除了霍尔元件惠斯通电桥的差分，提高了精度，迟滞比较器提高了抗噪性能。

安装面积为1.1 mm x 1.1 mm x 0.5 mm，ROHM的VCSP5OL1 CSP提供最小的霍尔效应传感器适用于要求最苛刻，空间有限的应用。图8显示了与HVSOF5 SMT（表面贴装）封装相比的CSP。

图8：ROHM的霍尔效应IC采用表面贴装HVSOF5封装，占位面积仅为1.6 mm x 1.6 mm，采用更小的VCSP5OL1 1.1 mm方形芯片级封装。

ROHM的霍尔效应拓扑结构

为了为各种应用提供合适的传感器，ROHM霍尔效应IC有四种不同的设计，如图9a至9d所示。

单极器件仅检测是否存在特定极性磁场。竞争霍尔效应IC供应商通常只提供这种类型的器件用于S极检测。

图9a：用于S极检测的ROHM单极霍尔效应IC拓扑结构。

ROHM提供N和S极版本。单极器件可提供最高的节能效果，但需要特别注意磁铁的正确极性位置。

全极霍尔效应IC可检测两个磁极，无需标记磁铁表面。

图9b：ROHM的全极霍尔IC拓扑检测N极或S极。

极性鉴别全极霍尔效应传感器具有双输出，可识别N极和S极，因此可以检测位置和方向。图9c：ROHM的极性鉴别全极霍尔效应IC开关具有双输出。

双极（锁定）操作霍尔效应器件检测交替极点，但如果未检测到极点则不会改变状态。最新的双极设计BU52040HFV具有0.5 ms的响应时间，比其他ROHM霍尔效应传感器快约100倍，可满足数码相机，移动电话，PDA或MP3播放器上的微动轮应用要求。

图9d：只有当磁极反转时，ROHM的双极霍尔IC才会改变状态。

未来产品中的霍尔效应

虽然便携式消费电子产品代表了霍尔效应开关的快速增长市场，但它只是可以从该技术中受益的一个部分。白色家电行业经常需要类似的功能，特别是门开/关指示。甚至汽车也可以利用方向盘位置/旋转等应用中的非接触式传感。虽然这些应用的产品必须符合不同的规格，包括比消费产品更高的电压操作，但它们是ROHM产品组合的计划增加。最终，几个行业将受益于使用小而灵敏的霍尔效应IC。