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“防抱死”(ABS)中的智能霍爾傳感器

人氣: | 時間:2014/7/4 9:33:58 | 關閉

汽車磁傳感器的發展需要考慮技術和係統兩個方麵。本文首先對技術問題提出了總的看法,之後對現代車輛穩定係統進行了總結。從這兩個方麵出發,本文定義了新一代智能霍爾傳感器的技術和要求,並對新一代智能霍爾傳感器的有關結論進行了描述。

  磁傳感器技術。

  ABS對安全至關重要,所以四個車輪的輪速信號在所有情況下都必須高質、可靠。用於檢測輪速的磁傳感器是一個關鍵部件。

  基於感應線圈的磁傳感器仍廣泛用於汽車輪速的檢測. 這種無源可變磁阻(VR)也被稱為感應傳感器,在中速範圍內提供廉價的轉速感應技術。VR傳感器的輸出是正弦電壓,其幅度和頻率與轉速成比例。VR傳感器的一大局限在於不能感應零速度。

  為克服這一局製,有源半導體的磁傳感器迅速替代了VR方法。隻有它們能夠滿足市場對高精度、高性能的更多需求。

  基於半導體技術發展的測量速度和位置的磁傳感器,大致分為三種技術,它們是巨磁阻(GMR),磁阻(MR) 和霍爾技術。

  基於GMR的感應單元在磁震幅很低的情況下能提供很高的信號幅度,它們為後續產品的開發奠定了基礎。它們有很高的靈敏度,不過有些地方仍需改進。比如它在苛刻的環境中(如高溫)的長期穩定性問題;由於昂貴的GMR製成工藝所導致的單片集成費用等。

  MR傳感器的磁阻與磁場密度成正比。目前用於輪速感應的MR傳感器具有更好的靈敏度,其信噪比高於霍爾效應傳感器2_3倍。但是MR傳感器的體積大,費用比霍爾傳感器略高。

  與MR和GMR相比較,霍爾效應的磁靈敏度最小,但是霍爾效應原理固有的集成性,能把磁霍爾板和集成電路結合在一個矽片上。這就使它在半導體產品產量上得到良好的經濟效益,可在價格方麵上很有競爭力。通過把霍爾探頭嵌入混合信號的方法,可以補償其靈敏度相對較低的缺點,並把智能特征加到傳感器中。另外,感應單元可集成在單片上,這是由於不再需要把信號通過幾毫米互連線傳輸到另外的電子電路,從而增加了抗濕度和抗電磁兼容的“魯棒性”。霍爾傳感器的單片解決方案,因其部件少、連線少、環境的串擾比較小,而具有可靠性方麵的優勢。

  汽車係統

  磁感應技術除了對精度和可靠性有很高的要求外,安裝及其隨後的機械變化是影響選擇磁傳感器的另一因素。正確安裝傳感器和編碼輪很關鍵。占空比的劇烈變化或脈衝的丟失都是不允許的,係統的相位抖動必須降到最小。係統必須能處理機械變化方麵的問題以確保在任何情況下不發生上述現象。

  為減小由傳感器或電線引起的噪聲和電磁幹擾(EMI)影響,通常由電控單元(ECU)過濾來自傳感器的輪速信息,這樣限製了係統的動態性能響應。所以傳感器的高抗噪聲和抗電磁兼容性便能放鬆了ECU內部濾波器的限製, 從而可以更精確地計算車速。

  除了速度信息以外,在汽車啟動後使汽車動態控製係統(VDC)實施的轉動方向之類的信息也極為重要。這種方向信息直接為前向驅動條件啟動VDC,它應在無任何時延的情況下使用來自四車輪的傳感信號。

  車輪磁信號的幅度和質量的更多信息,即使在功能簡化的情況下也應能給駕駛員提供警告指示。另外,這些信息也應用於檢查和連續監控傳感器和編碼輪子等的正確安裝。

  輪速傳感器與ECU的接口必須簡單、價格合理,對於EMC和噪聲問題必須可靠穩定,以確保在係統環境下傳感器操作的安全。

  智能差分霍爾磁傳感器

  為實現上述要求,使用BiCMOS工藝的差分霍爾效應集成電路(IC)被選作基本磁感應單元。這種先進的霍爾IC提供關於轉動速度、轉動方向、裝配位置、現代車輛動態控製和ABS之間限定氣隙的信息。此智能霍爾傳感器也可對ABS係統進行診斷。

  這種傳感器無需外部組件便可正常操作, 具有很高的動態性能. 該傳感器的截止頻率約為1Hz,限製了編碼輪子最小速度的測量為2cm/s(48齒多極編碼輪)。

  傳感器輸出被設計成基於脈寬調製(PWM)的兩線電流接口,其原理示於圖1。其良好的精度和靈敏度在苛刻的汽車設計指標下,也能滿足很寬的溫度範圍、穩健的ESD、高彈性的EMC。

  霍爾效應技術和運行原理

  磁傳感器的核心是差分霍爾效應IC,采用亞微米BiCMOS工藝。BiCMOS對混合信號而言是一個理想的選擇,它使數字CMOS部分的高密度封裝與雙極部分的EMI良好表現結合得十分完美。

  這種差分霍爾傳感器通過測量磁場的差分磁通密度檢測鐵磁或永久磁輪子的運動。為檢測鐵磁齒輪的運動,必須通過後偏永久磁鐵提供磁場,如圖2所示。 

  差分霍爾傳感器對於靜磁和機械失調有很好的抑製作用,具有特有的自校準算法,可進一步減小失調。自校準過程中隻需要很少的過濾脈衝。初始自校準序列後的每個磁輸入信號過零點都激發出一個輸出脈衝。 

  除速度信號外,英飛淩(Infineon)公司所開發的TLE4942-x係列, 還通過(PWM調製)輸出脈衝長度的變化來提供方向信息。

  除此之外, 以滿足亞太市場的不同需求, Infineon也了依據7/14 mA標準電流接, 另外開發了隻提供速度信號的TLE4941-x係列。 

  性能

  霍爾傳感器的整體性能與汽車環境相適應:電路和封裝的工作溫度從-40到170℃,同時可允許峰值溫度在限定時間內高達190℃。PWM電流接口在可

  靠的信息傳輸和低平均電耗之間做出教好的折衷選擇, 既降低了功耗又最大限度地減小了IC內部的自熱效應,因此可以允許更高的環境溫度。靜電釋放(ESD)的魯棒性能和抗電磁幹擾(EMI)性能都符合汽車的嚴格要求。 

  霍爾IC和輪速磁傳感器封裝

  霍爾傳感器封裝是超薄雙列塑封。封裝表麵和芯片表麵間距僅0.3mm,以把IC封裝的工作氣隙縮減量降低到最小。雙列引線盡可能地寬,以允許連接線直接焊接。為了增加EMI的魯棒性,還可以在引線之間安裝一個陶瓷電容。擁有這種EMI電容的霍爾傳感器和中央ECU提供的12V電壓一起組成最終的磁傳感器,是不再需要其他元件。


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