2019年06月17日 | 迈瑞特转向柱组合开关中使用的无触点技术

2019-06-17

迈瑞特汽车电子在上海展展示出来的柱向组合开关中使用了无触点技术，这引起很多人的兴趣。

无触点开关是汽车机电一体化中一个最令人困惑的名字。当人们第一次听到这个名词时都会问：“开关怎么可以不接触，开关的工作原理就是进行接触”为了理解机电一体化中什么是非接触，首先必须了解接触开关的含义

迈瑞特,转向柱

图1 （上）接触开关的简化示例

滑块如箭头所示移动，并根据其位置短路或断开印刷电路板（PCB）上的接触区域。在两个区块之间存在的电接触是开关的编码位置，因此这类型的开关通常被称为接触开关。这种开关是当前最通用的开关技术。它造价便宜，简单并可靠。但它真的可靠嘛？它很难有很长的使用寿命。当触点磨损，PCB表面腐蚀，又或者弹簧失去弹性。当然，这些情况是在长时间使用后发生的损坏。接触式开关当然也可以制造得更加坚固，但这需要更多的成本也可能使得PCB板尺寸变大，而开关的外壳倾向于变得越来越小。

这就是无触点技术的起源，它实现了在不使用电触点的情况下对旋钮、拨杆或者按钮发现位置的信号这样的操作。这种类型的开关有很多种，每种都有其优点和缺点。这里主要呈述两种类型：光学和电磁无触点开关。

光学开关依靠光信号来确定他们的位置。简单的形式中，它们由光源（LED），光敏元件和移动屏幕或反射器制成（请参考图２）当这个屏幕位于相对光源和光敏元件之间时，起到阻挡光源的作用。　市面上已经有现成的光学屏障探测器，作为光学开关的组件。但是，有的时候无法使用屏障，此时反射器可能是更好的解决方案。光源和光敏元件相邻放置在PCB板上，在这上面使用反射器，能检测到状态变化的存在。

迈瑞特,转向柱

图2.处于关闭（a）和开启（b）状态的无触点光学开关的示例。屏障在光源和光敏元件之间移动，阻挡光线。

光学开关与接触式开关相比有一些比较突出的优点。他们使用寿命更长，更不容易受到损害，而且相对便宜，哪怕是与接触式开关相比较。它们磨损得更慢，不会出现类似PCB触点的腐蚀情况。价格方面，有些光学开关也许与接触式开关类似。这也许与我我们的直觉不一样，但接触开关通常需要多个精确制造的元件，这会增加整体的价格。

当然，与接触式开关相比，光学开关也有一些明显的缺点。LEDS光源需要比接触开关的滑块更多的电力。当需要唤醒功能时，光学开关可能不适用。众所周知，光学开关容易受到随时间推移其元件被污洉和灰尘进覆盖而受到影响，这迫使产品的外壳设计成防尘并进行长时间的验证，这两者都增加最终产品的造价。

接近无触点开关的另外一种解决方案是磁性开关。这种开关由一个作为磁场源的永磁体及一个检测磁体位置的磁场传感器。（请见图3示例）

迈瑞特,转向柱

图3. 磁性无触点开关的示例。圆柱形磁铁在磁场传感器上方移动。

请注意磁铁可以在两个方向上移动。

IC供应商已经在过去多年中已经开发出来多种用于于无触点开关的传感器，磁性无触点开关有两种可能的操作方式：第一种情况，传感器对磁能量的某个阈值作出反应, 以此单个传感器构造简单的通断开关。阈值传感器输出通常是开路集电极输出，允许输出直接通过线束连接到ECU。第二种类型的磁性开关使用传感器来报告一个或多个轴中的磁通量的连续值。这种开关通常需要微控制器来处理传感数据并确定磁体位置，然后通过数字总线传输。这种方式增加了开关的复杂性，但允许它校正温度并实现更复杂的磁铁运动（如X-Y 操纵杆）。

磁性开关具有优于接触式和光学式开关的特点，第一个优点是显而易见的：磁铁不受灰尘和环境污染的影响。磁性开关可以在较脏的环境中使用，例如：浸泡于液体中。另外一个不那么明显的优点就是能耗。磁传感器通常比光学开关的LED使用更少的电流。这使得磁性开关成为需要唤醒时的首选设备。磁性开关的另一个优点来自其机械简单性。它无需在PCB上精确定位滑块，也无需通过探测器缝隙中精确移动的光学屏障。磁体的安装不需要很高的精确性，可以在校正过程中进行校准。

当然磁性开关也具有某些缺点，其中之一是可能通过外部磁场干扰其工作。这种类型的开关需要彻底的EMC/ESC设计验证，并且可能需要额外的电路/屏蔽，以便在存在外部磁场的情况下使其保持运行。此外，其附近任何磁性材料，无论是金属、塑料甚至油脂，都可能干扰其正常操作。最后一个缺点是价格，磁性传感器比光学屏障或者接触开关更贵，并且可能需要微型控制器。

总体来说，无触点开关对比接触式开关，虽然具有明显的优势但可能不适合所有的应用场景。迈瑞特汽车电子作为汽车机电一体化的供应商，可以为客户提供无触点和接触式两种开关，以满足客户的可能出现的任何需求。

本文作者：

迈瑞特高级软件工程师 Andrzej Wetula

迈瑞特,转向柱

迈瑞特转向柱组合开关无触点技术

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