介紹

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共有四大類提供數字輸出的霍爾效應 IC 器件：單極開關、雙極開關、全極開關和鎖存器。本應用說明將主要闡述全極開關。Allegro?公司的網站上提供了有關 雙極開關、單極開關和 鎖存器的類似應用說明。

全極霍爾效應傳感器 IC 也稱“全極開關”，它是一種能利用強正極磁場或強負極磁場工作的數字輸出霍爾效應鎖存開關。這就簡化了應用組裝工作，因為安裝運行的磁體時，可將其任意的磁極朝向全極器件。單獨的磁體位于強度（磁通量密度）足夠的磁場，會使器件切換至開啟狀態。開啟后，全極 IC 將一直保持該狀態，直至磁場移開，并且 IC 返回關閉狀態。它能鎖定更改的狀態，并一直保持關閉，直至再次出現強度足夠的磁場。

圖 1 顯示了檢測汽車變速桿位置的應用。變速桿內包含一個磁體（紫色圓柱體）。一組微型黑色方塊表示一系列全極開關器件。當駕駛員移動變速桿時，磁體會經過單獨的霍爾器件。靠近磁體的器件會受到磁場的影響并開啟，但大部分位置較遠的器件不會受到影響，并保持關閉。磁體的南極或北極都能朝向霍爾器件，霍爾器件的標記面朝向磁體。

圖 1.使用全極開關傳感器 IC 的應用。在換擋過程中，當磁體（紫色圓柱體）經過超小型霍爾 IC 時，它們會進行開關操作。

磁性開關點術語

以下是用于定義霍爾開關操作的轉換點或開關點的術語：

圖 2：霍爾效應是指在外加電流受垂直磁場影響時存在可測量的電壓。

• B  –  磁通密度的符號，是用于確定霍爾器件開關點的一個磁場屬性。單位是高斯  (G) 或特斯拉  (T)。轉換關系是 1 G = 0.1 mT。
  
  B 有南極和北極之分，所以有必要記住它的代數約定，B 在用于北極磁場時為負數，用于南極磁場時為正數。該約定可以用于對北極與南極數值進行算術比較，其中磁場的相對強度以 B 的絕對值表示，符號表示磁場的極性。例如，一個 ?100 G（北極）磁場和一個 100 G（南極）磁場具有相同的強度，但是極性相反。同樣地，一個 ?100 G 磁場的強度要高于一個 ?50 G 磁場的強度。
  B_OP  –  磁場工作點；使霍爾器件開啟的強化磁場強度。器件輸出的結果狀態取決于器件的獨特電子設計。 

• B_RP  –  磁場釋放點；使霍爾器件關斷的弱化磁場強度（對于某些類型的霍爾器件而言，則是在給出正 B_OP 的情況下的強化負磁場的強度）。器件輸出的結果狀態取決于器件的獨特電子設計。

• B_HYS –  開關點磁滯回差。霍爾器件的傳輸功能利用開關點之間的這個偏移值來過濾掉在應用中可能由機械振動或電磁噪聲引起的磁場中的小的波動值。B_HYS = | B_OP ? B_RP |。

典型工作狀態

全極傳感器 IC 的開關點范圍以對稱方式圍繞中性磁場 (B = 0 G)，如圖 3 所示。開關點的磁場強度相等，但磁極相反。例如，假設正（南）極開關點是工作點 B_OP(S) 60 G，釋放點 B_RP(S) 為 30 G。那么，負（北）極開關點是工作點 B_OP(N) ?60 G，釋放點 B_RP(N) 為 ?30 G。鎖定最近的狀態能防止器件在受到弱磁場影響時切換。

全極開關能在任意極性的強磁場中開啟，產生的輸出信號既可以是高邏輯電位（最高為全電源電壓  V_CC），也可以是低邏輯電位（在輸出晶體管飽和電壓條件下，V_OUT(sat)，通常是<200 mV），具體取決于器件 IC 輸出級的設計。全極開關會在一個中等強度的磁場中關閉，產生的輸出信號與開啟狀態時的極性相反。與其他類型的霍爾數字開關一樣，這些器件不會在磁場強度處于開關點磁滯范圍 (B_HYS) 內時開關。此外，鎖定開關狀態還能防止器件在磁場強度相對較弱（處于釋放點 B_RP(N) 和 B_RP(S) 之間）時開關。在再次切換前，不必非要穿過 0 G 點。指定開關事件的后面可以是極性相同或相反的開關事件。

圖 3.全極開關的輸出特性。頂部區域顯示了存在強磁場時，切換至高邏輯電位，底部區域顯示了在強磁場中，切換至低邏輯電位。

雖然器件能在任意強度的磁場中通電，為闡釋圖 3，從最左邊開始，與北極工作點 B_OP(N) 相比，此處的磁通量（橫軸上的 B）更偏負性。此處的器件處于開啟狀態，輸出電壓（縱軸上的 V_OUT）取決于器件的設計：高壓（頂部區域）或低壓（底部區域）。

向右的箭頭表示在此方向上磁場的負性減少。當與 B_RP(N) 相比，磁場更弱時，器件關閉。這使輸出電壓變為相反的狀態（高壓或低壓，具體取決于器件的設計）。

當磁場一直比 B_OP(N) 和 B_OP(S) 弱時（接近 B = 0 G，圖 3 的中心），器件會保持關閉，鎖定的輸出狀態會保持不變。即使在 B 的強度比 _BRP(N) 或 B_RP(S) 略高（在開關磁滯 B_HYS 的內置區內）時也是如此。

如果下一個強磁場是負極磁場，向右的箭頭表示在此方向上磁場的正性逐漸增加。當與 B_OP(S) 相比，磁場更強時，器件開啟。這使輸出電壓變為相反的狀態（高壓或低壓，具體取決于器件的設計）。如果下一個強磁場是負極磁場，向左的箭頭表示在此方向上磁場的負性逐漸增加。當與 B_OP(N) 相比，磁場更強時，器件開啟。這使輸出電壓變回初始狀態。

上拉電阻器

上拉電阻器必須連接在電源正極和輸出引腳之間（見圖  4）。上拉電阻器的阻值一般是 1 至 10 kΩ。最小上拉電阻是傳感器 IC 最大輸出電流（灌電流）和實際電源電壓的函數。20 mA 是最大輸出電流的典型值，在這種情況下，最少可拉 V_CC / 0.020 A 的負載。在擔心電流消耗的情況下，上拉電阻最高可達 50~100 kΩ。注意：如果上拉電阻較大，可能會導致外部漏電流接地，而由于接地漏電流過高，即使器件處于磁關斷狀態，輸出電壓也可能會下降。這不是器件的問題，其根本原因在于上拉電阻器與傳感器 IC 輸出引腳之間的導體發生了電流泄露。嚴重的話，這會使傳感器 IC 輸出電壓大幅降低以至于使其喪失適當的外部邏輯功能。

圖 4：典型應用圖。

旁路電容器的使用

參考圖  4 了解旁路電容器的布局設計。一般來說：

• 對于沒有采用穩定斬波技術的設計 – ，建議在輸出和接地引腳以及電源和接地引腳之間分別放置一個 0.01 μF 的電容器。

• 對于采用了穩定斬波技術的設計， – 必須在電源和接地引腳之間放置一個 0.1 μF 的電容器，最好再在輸出和接地引腳之間放置一個 0.01 μF 的電容器。

通電狀態

只有當加電時，磁場強度超過 B_OP 或 B_RP 時，全極開關才會在有效狀態下通電。如果磁場強度處于磁滯帶，即在 B_OP 和 B_RP 之間，則器件最初處于開啟或關閉狀態，然后在首次經過一個開關點之后達到正確的狀態。可以為器件設計上電邏輯，以確保器件在到達開關點之前一直處于關閉狀態。

通電時間

通電時間在某種程度上取決于器件的設計。在初始通電時，數字輸出傳感器 IC（例如鎖存型器件）可在如下時間內達到穩定狀態。  

從根本上來講，這意味著：在通電之后、經歷這段時間之前，器件的輸出可能處于一個不正確的狀態，但在經過這段時間之后，器件的輸出肯定處于正確的狀態。

功耗

總功耗是以下兩個因素的總和：

• 傳感器 IC 消耗的功率，不包括在輸出端損耗的功率。這個值的大小是 V_CC 與電源電流的乘積。V_CC 是器件電源電壓，電源電流如數據表中所示。例如，已知 V_CC = 12 V 并且電源電流 = 9 mA，則功耗 = 12 × 0.009 or 108 mW。

• 在輸出晶體管中消耗的功率。這個值的大小是 V_(on)(sat) 與輸出電流（由上拉電阻器決定）的乘積。如果 V_(on)(sat) 為 0.4 V（最壞的情況）、輸出電流為 20 mA（通常是最壞的情況），則消耗的功率為 0.4 × 0.02 = 8 mW。正如你所看到的，由于飽和電壓的值非常小，所以在輸出上的功耗也比較小。

在這個例子中，總功耗為 108 + 8 = 116 mW。將這個數字用在相關封裝的數據表的降額圖表中，檢查是否有必要降低最大允許工作溫度。

常見問題

問題：我如何確定磁鐵的方向？

回答：磁極面向器件的標記面。標記面上有器件的識別標志，例如部分型號或日期代碼。

問題：我可以將磁鐵靠近器件背面嗎？

回答：可以，但要記住：如果磁鐵的磁極朝著同一個方向，則從正面看，穿過器件的磁流場的方向保持不變（例如，如果從正面看，南磁極比較接近器件，那么若從背面看，北磁極比較接近器件）。然后，北磁極會針對霍爾元件產生一個正磁場，而南磁極會產生一個負磁場。

問題：有用于接近器件背面的權衡方法嗎？

回答：有。由于霍爾元件與正面（封裝標記面）之間的距離比較近（相對于背面而言），從封裝正面接近時會出現一個“更清潔的”信號。例如，對于“UA”封裝，帶有霍爾元件的芯片位于封裝標記面內 0.50 mm 處，距離背面大約 1.02 mm。（標記面與霍爾元件之間的距離稱為“有效面積深度”。）

問題：一個很大的磁場會損壞霍爾效應器件嗎？

回答：不會。一個很大的磁場不會損壞 Allegro 霍爾效應器件，也不會導致磁滯增加（計劃內的磁滯除外）。

問題：我為什么需要一個穩定斬波型器件？

回答：與非斬波設計相比，穩定斬波型傳感器 IC 具有更高的靈敏度和控制更為嚴密的開關點。它也許還能承受更高的工作溫度。大多數新器件設計都采用了斬波型霍爾元件。

推薦的器件

Allegro 公司網站上的選型指南 《霍爾效應鎖存器/雙極開關》中列出了標準鎖存器。

 《微功率開關/鎖存器》中列出了低功率鎖存器。

可能的應用

• 手機

• 無繩電話

• 尋呼機

• 掌上電腦

相關器件類型的應用說明

• 雙極 開關 

• 單極 開關 

• 鎖存型 開關 （鎖存器） 

參考：AN296070