【導(dǎo)讀】霍爾傳感器生成的信號(hào)電壓與磁通密度和霍爾元件中的電流成比例。當(dāng)使用CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)，傳感器的性能由工藝確定。因此，只能通過(guò)減少霍爾元件的測(cè)量周期，降低電源電壓以及使用超低功耗電路設(shè)計(jì)技術(shù)(ULP)來(lái)降低電流消耗。
在所有的傳感器技術(shù)領(lǐng)域中超低功耗節(jié)能設(shè)計(jì)的趨勢(shì)可以說(shuō)是非常明顯的。帶有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和故障安全保護(hù)功能的便攜式設(shè)備和傳感器尤其需要對(duì)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行低功耗測(cè)量。此外，在很多應(yīng)用中，即便外部電源不可用，也需要檢測(cè)出位置變化。測(cè)量所需的能量可通過(guò)能量采集解決方案獲得或由電池提供。使用霍爾傳感器的磁性位置測(cè)量，可以集成到包含完整信號(hào)調(diào)理電路的單芯片編碼器中。
集成式霍爾傳感器可節(jié)省空間和節(jié)約成本，但工作期間所需的功率相對(duì)較高。這里的解決方法是讓霍爾傳感器短時(shí)啟動(dòng)。快速位置測(cè)量(像電機(jī)控制所需的位置測(cè)量)需要霍爾傳感器快速評(píng)估和發(fā)送脈沖，而計(jì)量應(yīng)用程序所需要的采樣率較低。因此，節(jié)能工作需要采取特殊的解決方案。
如何實(shí)現(xiàn)微安？
霍爾傳感器生成的信號(hào)電壓與磁通密度和霍爾元件中的電流成比例。當(dāng)使用CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)，傳感器的性能由工藝確定。因此，只能通過(guò)減少霍爾元件的測(cè)量周期，降低電源電壓以及使用超低功耗電路設(shè)計(jì)技術(shù)(ULP)來(lái)降低電流消耗。
測(cè)量頻率僅設(shè)置在位置測(cè)量所需的那樣高。只有在確實(shí)需要時(shí)，ULP電路設(shè)計(jì)才會(huì)啟動(dòng)個(gè)別功能模塊。可編程的掉電和喚醒電路可確保避免不必要的啟動(dòng)，從而將平均電流消耗降至最低。將I/O端口的供電電壓減少至3.3V或1.8V，可進(jìn)一步減少電流消耗，簡(jiǎn)化電池的選擇。
為減少外部磁場(chǎng)的干擾，一對(duì)霍爾傳感器可用于一體化的霍爾編碼器集成電路，適用于不同的磁場(chǎng)組件。磁場(chǎng)由在芯片上方旋轉(zhuǎn)的磁鐵生成。使用三相抽樣法時(shí)僅需要3個(gè)霍爾傳感器，而非慣用的4個(gè)傳感器，這樣可以減少約25%的電流消耗。
始終開啟
為實(shí)現(xiàn)持久的電池供電工作，集成單芯片ULP設(shè)計(jì)必須能夠完全自動(dòng)開關(guān)。圖1顯示了基于iC-Haus公司iC-TW11的這種ULP架構(gòu)。這一器件是專門為電池供電的、需要高集成度節(jié)能和精確位置測(cè)量應(yīng)用而開發(fā)的。它通過(guò)SPI接口與中央微控制器(ULP設(shè)計(jì)更好)相連。只有在真的需要時(shí)，霍爾傳感器才會(huì)進(jìn)行位置測(cè)量和采樣。
圖1：帶有微控制器的超低功耗霍爾編碼器架構(gòu)
Hall Sensors霍爾傳感器
From other Encoder來(lái)自其他編碼器
Timing and Power Control時(shí)序和電源控制
SAMPLE采樣
Angle Calculation角度計(jì)算
Configuration Memory配置存儲(chǔ)器
SPI Communication SPI通信
Micro-controller微控制器
它沒(méi)有不必要的測(cè)量周期，因?yàn)檫@樣可能會(huì)浪費(fèi)電池的電能。在完成測(cè)量和轉(zhuǎn)換后，所有不需要的電路元件將會(huì)關(guān)閉。同時(shí)，霍爾傳感器、帶控制和自動(dòng)校準(zhǔn)的下行放大器電路以及角度測(cè)量插值的采樣必須同時(shí)做到快速和節(jié)能。這樣，在10Hz采樣率和10位分辨率的情況下實(shí)現(xiàn)了低于3μA的平均電流。
在位置測(cè)量之間自動(dòng)啟動(dòng)待機(jī)模式中，完整單芯片霍爾編碼器的最大電流消耗僅為100nA。供電電流與所選采樣頻率的函數(shù)關(guān)系如圖2所示。連接到外部的接口工作在3.3V或1.8V電壓下。因此，與使用較低供電電壓的ULP微控制器接口時(shí)，不需要電平轉(zhuǎn)換電路。
圖2：電流消耗與采樣率的關(guān)系
iC-TW11 Average Current Consumption iC-TW11平均電流消耗
Normal Power Mode正常功耗模式
Low Power Mode低功耗模式
Sampling Rate采樣率
對(duì)于位置測(cè)量，希望實(shí)現(xiàn)短時(shí)測(cè)量，這意味著在測(cè)量開始和結(jié)束之間的延時(shí)較短。為了使ULP微控制器在一次位置測(cè)量之后能切換到待機(jī)模式，該器件設(shè)置了喚醒微控制器的中斷輸出。如果需要多個(gè)位置值，如可移動(dòng)的多軸機(jī)器人，設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)一個(gè)SPI鏈路和多個(gè)中斷線路將多個(gè)iC-TW11級(jí)聯(lián)起來(lái)。由于并不總是需要有最高精度，集成濾波器功能可以關(guān)閉，以節(jié)能更多的電能。
在正常工作中，iC-TW11采樣率達(dá)到4kHz，且濾波器和自動(dòng)放大器校準(zhǔn)功能開啟，以實(shí)現(xiàn)10位分辨率的最大精度。如果關(guān)閉濾波器，延時(shí)可降低到50μs，采樣率最高可達(dá)20kHz。在采樣率相同的情況下，關(guān)閉濾波器通常可減少近乎90%的電流消耗。可由微控制器或通過(guò)單獨(dú)的觸發(fā)輸入(即外部事件)啟動(dòng)測(cè)量周期。如果有新的位置值，微控制器通過(guò)中斷從待機(jī)模式切換至工作狀態(tài)。絕對(duì)位置數(shù)據(jù)通過(guò)時(shí)鐘速率高達(dá)16MHz的4線SPI接口讀取。由于iC-TW11和微控制器的工作時(shí)間減少，高時(shí)鐘速率也將影響到電流消耗的減少。對(duì)于測(cè)試目的或磁氣隙測(cè)量的需求，內(nèi)部原始霍爾傳感器值(10位)、正弦值和余弦值(12位)以及放大系數(shù)(18步)可選。
如果峰值電流由電容器提供，可使用能量采集解決方案(如帶無(wú)線傳感器的方案)替代電池。對(duì)于數(shù)字控制按鈕，也可以用超級(jí)電容器緩沖來(lái)應(yīng)對(duì)電源故障。
切換電源線路
在某些應(yīng)用中，即便在外部電源不可用的情況下，也需要進(jìn)行高能效位置測(cè)量。對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，在出現(xiàn)電源故障后，其由于慣性仍可繼續(xù)移動(dòng)，如果未能識(shí)別到位置變化，且在錯(cuò)誤數(shù)據(jù)下重啟，將會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。因此，這些執(zhí)行器的所有連續(xù)移動(dòng)必須通過(guò)多匝編碼器安全地檢測(cè)出。其要么有機(jī)械齒輪，要么有帶電源故障保護(hù)(如配備電池)的電子記錄功能。對(duì)于消耗量測(cè)量設(shè)備，如工業(yè)水/氣表，即便在沒(méi)有外部供電電壓的情況下，也必須能夠?qū)崿F(xiàn)采集。因此，必須能夠在電池供電和外部供電之間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。
圖3顯示了使用iC-PV對(duì)葉輪進(jìn)行磁掃描的氣表或水表的方框圖。這一ULP單片霍爾編碼器可在節(jié)能電池工作和正常電網(wǎng)工作之間自動(dòng)切換。
圖3：工業(yè)水/氣表計(jì)量應(yīng)用中的ULP編碼器
Preset預(yù)置
Meter表計(jì)
Readout讀數(shù)
如果供電電壓VDD降低至低于限定電平，iC-PV將自動(dòng)切換至電池供電VBAT。在電源恢復(fù)后，iC-PV通過(guò)串行接口為讀數(shù)器件提供計(jì)數(shù)值，用于消耗量計(jì)算。測(cè)量結(jié)果通過(guò)8位CRC核對(duì)，誤差通過(guò)低電平有效NERR輸出以及串行數(shù)據(jù)傳輸中的誤差位來(lái)反映。
4個(gè)霍爾傳感器以可調(diào)1至3位分辨率檢測(cè)位置變化。旋轉(zhuǎn)數(shù)在長(zhǎng)度高達(dá)40位的多匝計(jì)數(shù)器中計(jì)數(shù)。iC-PV也具有3位八進(jìn)制分辨率的并行輸出。外部EEPROM在校準(zhǔn)期間通過(guò)單獨(dú)的I2C接口進(jìn)行編程，iC-PV在上電時(shí)加載CRC所保證的配置數(shù)據(jù)。
在工作模式和待機(jī)模式下，iC-PV的ULP設(shè)計(jì)采用類似于此前描述的iC-TW11的方法來(lái)減少電流消耗。然而，iC-PV有自己獨(dú)立的周期和時(shí)序控制，以在無(wú)需使用外部微控制器的情況下，周期性地啟動(dòng)規(guī)定的測(cè)量周期。根據(jù)設(shè)定的采樣率，旋轉(zhuǎn)可在12000rpm至100000rpm的速度范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)。平均電流消耗范圍從僅2μA至30μA，從而使電池緩沖的工作可維持?jǐn)?shù)年。
小結(jié)
如以上案例所示，只要我們使用ULP單芯片霍爾編碼器進(jìn)行位置測(cè)量，那么就可以在直接電池工作或甚至是在出現(xiàn)電源故障的情況下有效進(jìn)行。在第一個(gè)案例下，測(cè)量周期通過(guò)微控制器進(jìn)行外部控制和處理。在發(fā)生電源故障的案例中，單芯片霍爾編碼器iC-PV通過(guò)備份電池供電。變化能夠被檢測(cè)并保留，以至于在外部電源恢復(fù)時(shí)能夠用于發(fā)送。由于通過(guò)ULP設(shè)計(jì)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)極低電流消耗(小于10μA)的解決方案，在單芯片編碼器中對(duì)霍爾傳感器和模擬和數(shù)字評(píng)估電路進(jìn)行集成非常有利。
