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“防抱死”(ABS)中的智能霍尔传感器
发布时间:2013/11/4

  汽车磁传感器的发展需要考虑技术和系统两个方面。本文首先对技术问题提出了总的看法,之后对现代车辆稳定系统进行了总结。从这两个方面出发,本文定义了新一代智能霍尔传感器的技术和要求,并对新一代智能霍尔传感器的有关结论进行了描述。

  磁传感器技术。

  ABS对安全至关重要,所以四个车轮的轮速信号在所有情况下都必须高质、可靠。用于检测轮速的磁传感器是一个关键部件。

  基于感应线圈的磁传感器仍广泛用于汽车轮速的检测. 这种无源可变磁阻(VR)也被称为感应传感器,在中速范围内提供廉价的转速感应技术。VR传感器的输出是正弦电压,其幅度和频率与转速成比例。VR传感器的一大局限在于不能感应零速度。

  为克服这一局制,有源半导体的磁传感器迅速替代了VR方法。只有它们能够满足市场对高精度、高性能的更多需求。

  基于半导体技术发展的测量速度和位置的磁传感器,大致分为三种技术,它们是巨磁阻(GMR),磁阻(MR) 和霍尔技术。

  基于GMR的感应单元在磁震幅很低的情况下能提供很高的信号幅度,它们为后续产品的开发奠定了基础。它们有很高的灵敏度,不过有些地方仍需改进。比如它在苛刻的环境中(如高温)的长期稳定性问题;由于昂贵的GMR制成工艺所导致的单片集成费用等。

  MR传感器的磁阻与磁场密度成正比。目前用于轮速感应的MR传感器具有更好的灵敏度,其信噪比高于霍尔效应传感器2_3倍。但是MR传感器的体积大,费用比霍尔传感器略高。

  与MR和GMR相比较,霍尔效应的磁灵敏度最小,但是霍尔效应原理固有的集成性,能把磁霍尔板和集成电路结合在一个硅片上。这就使它在半导体产品产量上得到良好的经济效益,可在价格方面上很有竞争力。通过把霍尔探头嵌入混合信号的方法,可以补偿其灵敏度相对较低的缺点,并把智能特征加到传感器中。另外,感应单元可集成在单片上,这是由于不再需要把信号通过几毫米互连线传输到另外的电子电路,从而增加了抗湿度和抗电磁兼容的“鲁棒性”。霍尔传感器的单片解决方案,因其部件少、连线少、环境的串扰比较小,而具有可靠性方面的优势。

  汽车系统

  磁感应技术除了对精度和可靠性有很高的要求外,安装及其随后的机械变化是影响选择磁传感器的另一因素。正确安装传感器和编码轮很关键。占空比的剧烈变化或脉冲的丢失都是不允许的,系统的相位抖动必须降到最小。系统必须能处理机械变化方面的问题以确保在任何情况下不发生上述现象。

  为减小由传感器或电线引起的噪声和电磁干扰(EMI)影响,通常由电控单元(ECU)过滤来自传感器的轮速信息,这样限制了系统的动态性能响应。所以传感器的高抗噪声和抗电磁兼容性便能放松了ECU内部滤波器的限制, 从而可以更精确地计算车速。

  除了速度信息以外,在汽车启动后使汽车动态控制系统(VDC)实施的转动方向之类的信息也极为重要。这种方向信息直接为前向驱动条件启动VDC,它应在无任何时延的情况下使用来自四车轮的传感信号。

  车轮磁信号的幅度和质量的更多信息,即使在功能简化的情况下也应能给驾驶员提供警告指示。另外,这些信息也应用于检查和连续监控传感器和编码轮子等的正确安装。

  轮速传感器与ECU的接口必须简单、价格合理,对于EMC和噪声问题必须可靠稳定,以确保在系统环境下传感器操作的安全。

  智能差分霍尔磁传感器

  为实现上述要求,使用BiCMOS工艺的差分霍尔效应集成电路(IC)被选作基本磁感应单元。这种先进的霍尔IC提供关于转动速度、转动方向、装配位置、现代车辆动态控制和ABS之间限定气隙的信息。此智能霍尔传感器也可对ABS系统进行诊断。

  这种传感器无需外部组件便可正常操作, 具有很高的动态性能. 该传感器的截止频率约为1Hz,限制了编码轮子最小速度的测量为2cm/s(48齿多极编码轮)。

  传感器输出被设计成基于脉宽调制(PWM)的两线电流接口,其原理示于图1。其良好的精度和灵敏度在苛刻的汽车设计指标下,也能满足很宽的温度范围、稳健的ESD、高弹性的EMC。

  霍尔效应技术和运行原理

  磁传感器的核心是差分霍尔效应IC,采用亚微米BiCMOS工艺。BiCMOS对混合信号而言是一个理想的选择,它使数字CMOS部分的高密度封装与双极部分的EMI良好表现结合得十分完美。

  这种差分霍尔传感器通过测量磁场的差分磁通密度检测铁磁或永久磁轮子的运动。为检测铁磁齿轮的运动,必须通过后偏永久磁铁提供磁场,如图2所示。

  差分霍尔传感器对于静磁和机械失调有很好的抑制作用,具有特有的自校准算法,可进一步减小失调。自校准过程中只需要很少的过滤脉冲。初始自校准序列后的每个磁输入信号过零点都激发出一个输出脉冲。

  除速度信号外,英飞凌(Infineon)公司所开发的TLE4942-x系列, 还通过(PWM调制)输出脉冲长度的变化来提供方向信息。

  除此之外, 以满足亚太市场的不同需求, Infineon也了依据7/14 mA标准电流接, 另外开发了只提供速度信号的TLE4941-x系列。

  性能

  霍尔传感器的整体性能与汽车环境相适应:电路和封装的工作温度从-40到170℃,同时可允许峰值温度在限定时间内高达190℃。PWM电流接口在可

  靠的信息传输和低平均电耗之间做出教好的折衷选择, 既降低了功耗又最大限度地减小了IC内部的自热效应,因此可以允许更高的环境温度。静电释放(ESD)的鲁棒性能和抗电磁干扰(EMI)性能都符合汽车的严格要求。

  霍尔IC和轮速磁传感器封装

  霍尔传感器的封装是超薄双列塑封。封装表面和芯片表面间距仅0.3mm,以把IC封装的工作气隙缩减量降低到最小。双列引线尽可能地宽,以允许连接线直接焊接。为了增加EMI的鲁棒性,还可以在引线之间安装一个陶瓷电容。拥有这种EMI电容的霍尔传感器和中央ECU提供的12V电压一起组成最终的磁传感器,是不再需要其他元件。

  结束语

  本文比较了当今市场上轮速传感器所使用的各种磁传感器技术, 指出虽然和MR与GMR技术相比,霍尔传感器所提供的电信号幅度是最小的,但是仍能设计出满足现代汽车环境和系统要求的传感器。本文从电路、提高鲁棒性和高性能的封装等各方面对用于ABS的传感器的工作原理做了详细讨论。该霍尔传感器性能优良, 功能多,性价比极具竞争力, 对于整个亚太地区从现有的无源机械线圈过渡到有源方案,将起到至关重要的作用。

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