【導讀】之前的文章中，我們聊到了磁鐵的類型以及其如何在同軸模式下與MPS MagAlpha傳感器一起使用。本文將在這里探討另一種“側(cè)軸”模式拓撲。MPS MagAlpha傳感器在IC的中心使用了一系列霍爾陣列，該霍爾元件可感應到來自旋轉(zhuǎn)磁體磁場的水平矢量。這種磁場通常位于傳感器上方或側(cè)面的一對徑向磁化的磁極（見圖1）。
圖 1：MagAlpha 傳感器同軸和側(cè)軸模式
側(cè)軸拓撲有兩種形式：一種為“標準”側(cè)軸模式，其傳感器封裝表面與磁鋼的旋轉(zhuǎn)軸相互垂直；另一種為“正交”側(cè)軸模式，其傳感器封裝表面與磁鋼的旋轉(zhuǎn)軸平行。與同軸模式相比，這兩種設計過程中都需要更多的考慮，而MPS 磁仿真工具可以提供一種有效的方法，能在進行真正的機械設計之前對方案進行性能評估。
介紹
當將MagAlpha傳感器與旋轉(zhuǎn)軸一側(cè)的磁鐵協(xié)同工作時，霍爾陣列會同時看到徑向磁場分量Br和切向分量Bt（或者在正交側(cè)軸的情況下看到垂直分量Bz）。最常見的側(cè)軸拓撲結(jié)構(gòu)使用徑向極化的環(huán)形磁鐵（見圖2）。
在這種結(jié)構(gòu)中，徑向場Br的大小通常大于切向分量Bt。當傳感器感應到大小不相等的兩個磁場時，隨著磁鋼的旋轉(zhuǎn)，角度輸出將變?yōu)榉蔷€性。所以，必須對兩個場的大小進行歸一化，以便傳感器感應到大小恒定的旋轉(zhuǎn)場矢量。MagAlpha傳感器集成了偏置電流微調(diào)（BCT）寄存器，可以平衡兩個磁場的場幅，從而獲得線性角度響應。更多詳細信息，請參考 應用說明 “在側(cè)軸貼裝中使用 MagAlpha 傳感器”。
圖 2：徑向極化的兩極環(huán)周圍的徑向和切向磁場
經(jīng)過上述微調(diào)之后，由于X軸或Y軸上的感應增益降低，傳感器會感應到較低的合成磁場。在標準側(cè)軸拓撲中，由于IC封裝有一定厚度，所以傳感器霍爾陣列也會離磁環(huán)表面比較遠。因此，磁環(huán)設計必須留有足夠的剩磁（常用BR表示），以滿足傳感器的最低磁場要求。由于鐵氧體和塑性鐵氧體磁體在200mT至300mT BR范圍內(nèi)的剩磁較低，它們無法很好地在側(cè)軸模式中工作，尤其是在BCT微調(diào)引起的感應增益降低之后。
為了實現(xiàn)充足的磁場強度，磁環(huán)通常必須由具有較高初始剩磁的材料制成，例如燒結(jié)（約0.9T至1.4T BR）或鍵合聚合物（約0.6T至0.7T BR）的釹鐵硼（NdFeB）。直徑較大的磁環(huán)，采用鍵合的聚合物材料更具成本效益，但與同等尺寸的燒結(jié)環(huán)相比，鍵合的聚合物環(huán)的場強約為一半。所以必須調(diào)整磁環(huán)的尺寸，才能確保在選定的距離以及BCT調(diào)整后滿足傳感器的最低磁場強度的要求。
MagAlpha系列集成了兩個用來優(yōu)化側(cè)軸模式的傳感器：MA710和MA310，當磁場強度太低時，這些產(chǎn)品具有更高的內(nèi)部增益，可適應最低15mT的最小場（大多數(shù)MagAlpha系列通常為30mT至40mT）。
點擊這里，查看上述示例中使用的MagAlpha系列產(chǎn)品磁仿真工具
仿真器工具可以支持MagAlpha系列所有磁鐵類型以及傳感器到磁體的拓撲。它能有效地原型化和評估不同磁鐵和安裝位置的傳感器性能，可避免反復試驗。機械和電磁公差對系統(tǒng)的影響也可以通過工具高級設置選項輸入，以評估對角度分辨率性能的影響。
圖3 顯示了使用結(jié)合釹環(huán)的側(cè)軸設計示例。環(huán)的內(nèi)徑為20mm，外徑為30mm，高度為2mm。 在這個示例中，該環(huán)具有簡單的兩極徑向磁化的700mT剩磁。在標準的側(cè)軸拓撲中使用MA710傳感器，傳感器組件理想地放置在環(huán)形磁鋼的側(cè)面，以使霍爾陣列恰好位于磁鐵高度的一半。MA710 QFN傳感器封裝的標稱高度為0.9mm，內(nèi)部霍爾陣列位于封裝表面下方0.5mm處。因此可以得到垂直參數(shù)Z為0mm。
圖 3：標準側(cè)軸拓撲MA710角度傳感器
使用仿真器掃描從r = 16.5mm到20mm的距離，傳感器的合適位置應在r = 17mm處（見圖4）。在此位置，傳感器在IC封裝的邊緣與環(huán)形磁鋼表面之間的氣隙為0.5mm（滿足安裝最小誤差），而且正切磁場BT大約為18mT（相對比較大）。徑向磁場Br在大約82mT，比BT大得多，這將導致傳感器輸出角度非線性，需要通過BCT寄存器進行一些校正以減小徑向磁場的幅度。選定r=17mm后，仿真器可以計算出該位置需要的BCT寄存器數(shù)值為200。將此值應用于傳感器，可得到分辨率約為11.3位（3-sigma）的解決方案。
圖 4：標準側(cè)軸拓撲中傳感器觀測到的磁場與半徑的仿真器圖
圖5 顯示了仿真器總結(jié)報告。
圖 5：磁鋼仿真工具報告
值得注意的是，在側(cè)軸模式下，機械公差和磁化公差對傳感器線性度的影響要大得多。因此，必須考慮這些公差以確保符合最終設計期望。使用仿真器進行第一遍查找初始設置后，建議通過高級參數(shù)部分添加各種公差來執(zhí)行一系列進一步的仿真器迭代。有關(guān)公差及其影響的討論，請參見應用說明 AN142（“側(cè)軸配置中的線性度”）
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