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  IMC - HALL 簡(jiǎn)介

  霍爾效應(yīng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電流檢測(cè)、磁位置檢測(cè)和地磁場(chǎng)傳感器(也稱為電子羅盤)領(lǐng)域?；魻栃?yīng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可以集成到標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝中，成為了一種頗具成本優(yōu)勢(shì)的檢測(cè)技術(shù)。Melexis 還擁有專有的集磁點(diǎn) (IMC) 技術(shù)，使用高性能硅霍爾片進(jìn)行測(cè)量，將局部的水平磁場(chǎng) (Bx) 轉(zhuǎn)換為垂直分量 (Bz)。

  ▲ 該動(dòng)畫展示了電流流過(guò)銅排時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)線，演示不同部位對(duì)磁場(chǎng)線產(chǎn)生的影響：

  屏蔽罩主要用于將磁場(chǎng)集中在一個(gè)區(qū)域內(nèi)。

  集磁點(diǎn)(來(lái)自芯片)使磁力線“彎曲”并集中，便于水平霍爾板(來(lái)自芯片)檢測(cè)

  圖中的示例只關(guān)注集磁點(diǎn)本身，展示了集磁點(diǎn)的工作原理

   (黃色圓盤表示集磁點(diǎn))

  集磁點(diǎn)不僅可以提高靈活性，還具有磁增益與尺寸成正比的直接優(yōu)勢(shì)。

  IMC - HALL 與機(jī)械裝配誤差

  當(dāng)涉及到電流檢測(cè)時(shí)，機(jī)械設(shè)計(jì)在檢測(cè)技術(shù)的選擇中起著重要作用。導(dǎo)流體相對(duì)于傳感器芯片的位置有多種可能性，這正是 IMC-Hall® 技術(shù)相比傳統(tǒng)基于磁芯解決方案帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)。

  首先，電流導(dǎo)體(也可以嵌入 PCB)、PCB 和傳感芯片可實(shí)現(xiàn)高效緊湊的垂直堆疊。這對(duì)于在大尺寸 PCB 上搭載電流傳感器芯片以及其他組件的嵌入式應(yīng)用而言格外實(shí)用。該技術(shù)可簡(jiǎn)化組裝過(guò)程，這在中間組裝過(guò)程中體現(xiàn)的尤為明顯。

  其次，該技術(shù)檢測(cè)方向平行于芯片，芯片可以采用表面貼片式封裝。這可簡(jiǎn)化 PCB 封裝過(guò)程，從而節(jié)省成本。

  相比之下，基于磁芯的技術(shù)則需要采用通孔式封裝，并不適合垂直堆疊。采用該技術(shù)的廠商試圖引入成本更高的引腳彎折技術(shù)，實(shí)現(xiàn)芯片的表面貼片式封裝。有時(shí)，塑料支架甚至需要達(dá)到更高的抗機(jī)械振動(dòng)性。振動(dòng)可以看作是一種機(jī)械設(shè)計(jì)因素，會(huì)影響電流測(cè)量相關(guān)的磁信號(hào)。從機(jī)械設(shè)計(jì)的角度考慮，IMC-Hall 技術(shù)是一種更為可靠的解決方案。

  有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 Melexis 參考設(shè)計(jì)指南

  集磁點(diǎn)尺寸

  IMC-Hall® 傳感器芯片有 4 種不同的版本/尺寸，覆蓋廣泛的靈敏度和磁場(chǎng)范圍：低磁場(chǎng) (LF)、高磁場(chǎng) (HF)、超高磁場(chǎng) (VHF) 和極高磁場(chǎng) (XHF)。

  最大的集磁點(diǎn) (LF) 具有強(qiáng)磁增益，非常適合需要高磁靈敏度(高達(dá) 700 mV/mT)的低電流應(yīng)用。最小的集磁點(diǎn) (XHF) 可線性檢測(cè)高達(dá) ±90 mT 的強(qiáng)磁場(chǎng)，適用于具有極高功率密度的電流檢測(cè)應(yīng)用。

  不同尺寸的集磁點(diǎn)將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流范圍的能力，很大程度上取決于屏蔽罩的尺寸。結(jié)合寬度達(dá) 30 mm 的屏蔽罩?jǐn)?shù)據(jù)，我們可以定義每種集磁點(diǎn)的電流范圍。

  抗雜散磁場(chǎng)干擾

  雜散磁場(chǎng)

  磁傳感器芯片設(shè)計(jì)面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中之一是保證芯片的輸出與待測(cè)電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，同時(shí)對(duì)周圍其他磁場(chǎng)(即“雜散磁場(chǎng)”)的免疫能力盡可能強(qiáng)。這是因?yàn)閭鞲衅餍酒貑屋S測(cè)量磁場(chǎng)，無(wú)法區(qū)分磁場(chǎng)源。雜散磁場(chǎng)可能源自附近流過(guò)的其他電流(即串?dāng)_)、附近的永磁體，以及影響程度很小的地磁場(chǎng)。只能通過(guò)合理而巧妙的設(shè)計(jì)盡可能降低它們對(duì)傳感器芯片產(chǎn)生干擾。影響設(shè)計(jì)的考量因素包括：

  1) 避免雜散磁場(chǎng)干擾

  使雜散磁場(chǎng)源盡可能遠(yuǎn)離傳感器芯片。磁場(chǎng)衰減與距離成反比(根據(jù)畢奧-薩伐爾定律)。這種方法行之有效，但是在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，小型化和緊湊型的需求會(huì)給結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)。

  雜散磁場(chǎng)的來(lái)源有多種，其中一種可能是鄰近的銅排。下圖顯示了傳感器芯片測(cè)得的鄰近銅排產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。將銅排放置在距離傳感器芯片 20 mm 到 170 mm 的位置，然后分別將傳感器芯片放在最佳位置以及最佳位置上方 1 mm 處，完成兩次模擬。 

  從圖中可以清楚地看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度呈指數(shù)下降。傳感器芯片在屏蔽罩中的位置越高，對(duì)外部磁場(chǎng)的靈敏度就越高(紅線從綠線上方開始)。因此，建議盡可能將傳感器芯片放置在屏蔽罩內(nèi)較低的位置，并盡可能遠(yuǎn)離相鄰銅排或其他任何雜散磁場(chǎng)源。此外，還要了解雜散磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致哪類誤差。

  ◎ 隨機(jī)雜散磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致偏移誤差 - 如果測(cè)量 0 A 或 1000 A 電流，雜散磁場(chǎng)誤差將保持不變。

  ◎ 如果雜散磁場(chǎng)是由相鄰銅排產(chǎn)生的，則可能不是偏移誤差。如果相鄰銅排的電流與待測(cè)電流相關(guān)聯(lián)(例如 U 形銅排)，雜散磁場(chǎng)誤差將與電流成正比，從而導(dǎo)致靈敏度誤差(即在 0 A 時(shí)生成 0 mT 雜散磁場(chǎng))。

  2) 抑制雜散磁場(chǎng)干擾

  使用盡可能窄的鐵磁屏蔽罩，這樣會(huì)起到雙重作用：

  ◎ 首先，可以讓傳感器采集到更強(qiáng)的信號(hào)，從而提高信號(hào)與外部雜散磁場(chǎng)的比率。

  ◎ 其次，氣隙越窄，抗雜散磁場(chǎng)干擾的能力越強(qiáng)。相比低磁導(dǎo)率(或高磁阻)氣隙，雜散磁場(chǎng)更易通過(guò)磁導(dǎo)率高的屏蔽罩，從而避免了對(duì)傳感器芯片的干擾。

  參數(shù)屏蔽系數(shù) (SF) 可用于量化對(duì)外部雜散磁場(chǎng)的抗干擾能力。系數(shù)越大，抗雜散磁場(chǎng)干擾能力越強(qiáng)。該系數(shù)定義為，外部施加的均勻磁場(chǎng) (Bext) 與傳感器芯片測(cè)得的衰減磁場(chǎng) (Bint) 之比。工業(yè)中使用的典型(代表性)雜散磁場(chǎng)強(qiáng)度為 1.25 mT，是在 1000 A/m 條件下產(chǎn)生的 (ISO 11452-8)。本質(zhì)上，它取決于系統(tǒng)以及根據(jù)第一段中所述的雜散磁場(chǎng)源選擇的抗干擾方法。

  請(qǐng)注意，此處不涉及電流，我們只關(guān)注雜散磁場(chǎng)及其影響。SF 為 10 表示傳感器芯片測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度是環(huán)境中磁場(chǎng)強(qiáng)度的十分之一。

、

  本圖展示了使用盡可能窄的屏蔽罩的重要性，有時(shí)必須減小局部銅排的寬度。這種幾何形狀(見右圖)稱為頸縮，它可以通過(guò)兩種方式提高傳感器芯片性能：

  ◎ 芯片感應(yīng)到更強(qiáng)的信號(hào)磁場(chǎng)，從而增大信噪比 (SNR)

  ◎ 更有效地屏蔽雜散磁場(chǎng)。

  因此，Melexis 建議使用寬度為 12 mm 或 15 mm 的屏蔽罩。

  機(jī)構(gòu)裝配誤差和組裝

  機(jī)械裝配誤差

  組裝過(guò)程中，位移的偏差會(huì)引入測(cè)量誤差(也稱為靜態(tài)誤差)，這種誤差可以被補(bǔ)償，但動(dòng)態(tài)誤差無(wú)法補(bǔ)償。IMC-Hall 技術(shù)是應(yīng)對(duì)機(jī)構(gòu)裝配誤差的開環(huán)霍爾解決方案。

  上表展示了 X、Y 和 Z 三個(gè)方向上誤差的近似值。從表中可以清楚地看到，屏蔽長(zhǎng)度 (Y) 是最不敏感的方向，而最敏感的是屏蔽高度 (Z) 方向。沿 Y 軸和 X 軸的誤差為 3 倍關(guān)系，沿 Y 軸和 Z 軸的誤差為 15 倍之多。根據(jù)數(shù)據(jù)可以作出合理假設(shè)，Y 軸誤差是 X 軸誤差的 3 倍，Y 軸誤差是 Z 軸誤差的 15 倍。

  換句話說(shuō)，Z 軸產(chǎn)生 0.1 mm 位移，會(huì)導(dǎo)致 Y 軸產(chǎn)生 1.5 mm 的位移，引起的誤差相似。由此可見，IMC-Hall 技術(shù)能夠可靠地應(yīng)對(duì) X 和 Y 軸方向的機(jī)械裝配誤差。為優(yōu)化設(shè)計(jì)，建議將固定螺絲放在靠近傳感器芯片和屏蔽罩組件的位置，增強(qiáng) Z 軸固定效果。

  機(jī)械裝配為達(dá)到最佳實(shí)踐，請(qǐng)?jiān)L問?PCB 封裝頁(yè)面，查閱在 PCB 上組裝芯片的相關(guān)指南

  模塊校準(zhǔn)

  Melexis 提供具有多種不同標(biāo)準(zhǔn)靈敏度(以 mV/mT 表示)的磁校準(zhǔn)芯片。大多數(shù)情況下，這些標(biāo)準(zhǔn)版本可以直接使用，不需要執(zhí)行任何 EOL(生產(chǎn)線最后階段)校準(zhǔn)。

  同時(shí)可進(jìn)一步補(bǔ)償，提高最終精度：

  通過(guò) PTC-04 執(zhí)行 EOL 校準(zhǔn)

  施加兩個(gè)電流(例如 0 A 和一個(gè)正電流)后，PTC-04 編程器通過(guò)更新芯片 EEPROM 對(duì)芯片進(jìn)行重新校準(zhǔn)。

  通過(guò)微控制器執(zhí)行校準(zhǔn)

  施加兩個(gè)電流(例如 0 A 和一個(gè)正電流)后，微控制器可以校正傳感器芯片測(cè)量值的偏移和斜率。