2018年04月23日 | 评估套件助力 传感器设计成本有效减少

开发人员套件虽能以磁传感器设计产品，费用却相当昂贵，其500欧元的价格甚至未能涵盖必备的磁铁/传感器。

有鉴于此，已有厂商现正推出各式设计套件，价格约落在每件20欧元，有助于轻松评估传感器。 开发人员必须判定所选的传感器是否在设计初期即可达到效能需求。 为达成此目标，他们需要更快速、更简单的效能检测。 下一步是针对不同设计参数定义作业范围。 必备的磁铁也需要运作。 最终步骤则是确保传感器能实际投入制造。 多样评估套件如英飞凌(Infineon)旗下的「3D Magnetic Sensor 2Go」、「Current Sensor 2Go」、「Speed Sensor 2Go」等，旨在使开发人员了解传感器于设计时间初期的个别应用，并帮助其轻松进入设计时间。 该公司的评估套件目前支持用于三维位置侦测的3D「TLV493D」磁传感器，以及「TLI4970」电流传感器、「TLE4922」速度传感器。

三维感测更精准

TLV493D 3D磁传感器(图1)测量x、y和z方向的磁场，并侦测三维、线性和旋转动作，展现其广泛的适用范围涵盖汽车、工业和消费性应用。

图1 英飞凌TLV493D 3D传感器提供高度三维感测。
可能的应用包含游戏杆和控制组件，例如家电和多功能按钮、电流表的防篡改功能，或是其他需要精准位置测量和/或低电流功耗的应用。 例如，TLV493D-A1B6采用TSOP-6封装，尺寸为2.9mm×1.6mm。

此作法是在传感器芯片上整合垂直及水平霍尔传感器而成。 垂直霍尔传感器侦测平面方向的x及y场分量，水平霍尔传感器则侦测垂直方向的z场分量。

英飞凌使用包含节电振荡器在内的各种技术，将传感器的电流功耗降至仅几微安培。 传感器具备数字输出功能，使用快速双线I2C标准接口，可透过总线模式在传感器及微控制器之间进行双向通讯。

「3D Magnetic Sensor 2Go」设计套件(图2)提供配备3D磁传感器的评估板，并搭载ARM Cortex-M0处理器的XMC1000型微控制器，可将设计整合至此传感器。 该套件具备所有组件及功能，足以提供高效率的设计支持，并且内含除错器。 XMC4200微控制器亦提供了除错和USB通讯，并透过Micro USB连接器提供与图形用户接口(GUI)的电力与通讯。 评估板亦含显示供电和除错状态的LED、用户可设定的LED、电压控制器、反向电流二极管与ESD保护二极管。 若是使用脚位接头，亦可连接示波器或是外部微控制器。

封装内也包含了单一磁铁，能够以手动的方式配置。 英飞凌也提供可安装于评估板的磁铁固定座。 如图2显示为两种设计，为游戏杆和旋钮。


图2 3D Magnetic Sensor 2Go套件具备游戏杆或旋钮的磁铁固定座(转接器)
特殊在线设计工具支持传感器常见应用，如角度/线性位置测量及游戏杆(图3)。 此工具为三项应用各提供预先定义或用户自定义的磁铁，可使用在线仿真工具定义磁铁、磁铁动作和传感器的位置。 传感器侦测动作并输出对应的讯号。 用户可选择角度测量动作，例如磁铁旋转、线性移动，亦包含游戏杆应用的特定动作，如3D磁铁动作。


图3 在线仿真工具可用于定义磁铁、磁铁动作与3D传感器位置。
此工具会自动为每个传感器位置计算三个磁场方向。 此计算方式以用户定义的传感器组态为基础，将传感器和磁铁的安装公差列入考虑。

套件的软件封装也包含PC和韧体使用的图形用户接口，可储存在通讯用的闪存，与3D传感器一同装置于微控制器。 Segger J-Link USB驱动器以评估板与PC相连接。

藉由3D Magnetic Sensor 2Go，可调整各种操作模式，如x、y、z方向的测量更新率，也意味着电流功耗同样可调整。

电流测量安全防护不可少

TLI4970是高精度电流传感器，以英飞凌的霍尔效应技术为基础，在一次侧总线与二次侧微控制器接口之间进行电流隔离(图4)。 「无芯」概念无磁通量集中器，在开放回路组态中可大幅缩小组件尺寸，这种架构也可避免产生迟滞效应。 全数字传感器解决方案毋须外部校正或额外组件，如AD转换器、运算放大器、电压参考等，如此可简化设计，降低PCB面积与成本。 芯片采用类似QFN的小巧SMD封装(7.0mm×7.0mm)，提供1.6%的过热与使用寿命高准确度感测，以及最高75mA的偏移误差。


图4 英飞凌TLI4970霍尔电流传感器结构
TLI4970具备过电流侦测，可自行设定临界值与可程序滤波器，一般电流功耗为12mA。 TLI4970配备的差动测量原则能防止外部磁场造成干扰，而传感器采用独立结构以测量温度与机械压力。

上述两种参数在运作时采分别测量，组件因此得以永久有效偏移。 此为长期稳定测量的基础，同样适用于有效、可靠、成本优化的转换器或驱动器。 TLI4970可测量最高+/-50A的交直流电，适用的装置如太阳能转换器、具备功率因子校正(PFC)的电源供应器、充电器或电子驱动器等。 非接触式测量技术不会产生任何额外损耗，适用于低功率设计(Rp<0.6mΩ)。 由于采用整合式离散磁场抑制，此款传感器对于外部磁场极不敏感。

除了提供精准的电流测量，也提供足够的保护，可用于功率放大器等。 举例而言，外部短路可能会触发临界过电流。 为确保延迟极为短暂，TLI4970提供平行讯号路径，因此传感器一般只需要1.8µs来侦测错误。 若要依据应用的需求微调过电流临界值，系统开发人员可在传感器中同时进行电流值与下行过滤的程序设计。 因总线整合至SMD封装，传感器可于提供时完全校正。 TLI4970是率先透过16位数字SPI接口传送测量值的电流传感器之一。 例如，此款传感器整合差动放大器、滤波器及讯号处理功能，并可在进行电流隔离时，同步测量最高600V的作业电压与最高3,600V的测试电压。

易用的设计套件适用于TLI4970电流传感器以及Current Sensor 2GO(图5)，此款套件功能与3D Sensor 2GO套件相似，并包含以下功能：


图5 Current Sensor 2Go套件
1.TLI4970-D050T4(配备数字接口的电流传感器)

2.XMC1100(配备ARM Cortex-M0)

3.内建J-Link Lite除错器(以XMC4200微控制器为基础)

4.USB供电(MicroUSB)、ESD反向电流保护

5.GUI

霍尔传感器精准测速

TLE4922霍尔传感器透过测量磁场变化，可侦测铁磁结构的动作与位置，此种结构可以是磁性编码器车轮或铁磁性齿轮。 TLE4922可以透过回授偏压组态使用简易型、符合成本效益的磁铁，同时更具备高气隙效能和切换准确性。 此款传感器对震动和气隙跳动极不敏感，可于最高8kHz的频率范围准确侦测速度。

TLE4922尤其适用于旋转独立安装(TIM)组态，可取代汽车和两轮车应用的被动式可变磁阻(VR)传感器，更具备出色的抖动行为。

此外，传感器提供对于短路、过热和反向电压的全方位保护功能，同时拥有良好的电磁兼容性(EMC)和ESD耐用性，适合在严苛环境下使用。 此款传感器采用4脚位SSO-4-1封装。

以TLE4922为基础的各式应用可采取易用的Speed-Sensor-2GO套件(图6)。 该套件内含传感器(TLE4922-XAN)以及回授偏压磁铁(Bomatec铁氧体磁铁)。 PC可使用USB连接器轻松连接。 GUI型评估工具于实际应用时，可撷取并显示数字与仿真的模拟数据作为参数功能，例如气隙、温度和频率等。


图6 Speed Sensor 2Go套件
套件采用TLE4922，可由内部连接至提供的模块或其他由客户组装的模块；也可作为制图工具用于处理磁场。 内部架构对应至线性霍尔传感器。 开发人员可使用TLE4922评估齿轮的模块定位。

英飞凌除了提供用于侦测3D位置、电流、速度的设计套件外，未来也将提供适用于角度传感器的相似评估解决方案，并以完整的文件和Arduino Shield提供设计支持。 在线仿真工具也有助于选择适合不同类型应用的产品。 用户选择应用后，即可使用各种磁性与传感器参数执行计算，以仿真磁场。 此外，工具也可根据磁铁及其残留磁性判断最佳气隙。 至于角度传感器，在线工具可依组装公差判定最大角度误差。

(本文作者任职于英飞凌)