高度可靠的霍耳传感器接口集成方案

摘要：本文简要介绍霍耳传感器，特别是汽车和工业领域的2线、霍耳数字开关的应用。详细介绍了利用完全集成的霍耳传感器接口在汽车和工业应用中增加诊断功能和可靠保护的方法，本文提供了对地电位偏差承受能力的测试结果。

引言霍耳效应的原理是磁场与导体中流过的电流相垂直时，流过电流的导体两侧会出现电势差。

霍耳效应传感器基于这一原理检测磁场的变化，输出与之成比例变化的电压，可以实现无接触检测，因此能够实现可靠的封装，不受环境因素的影响。

由于在恶劣环境中具有较高的可靠性，霍耳传感器被普遍用于工业和汽车领域，从车窗升降和天窗控制电机速度的调节到车门开/关检测及钥匙点火系统。

霍耳传感器的类型目前有各种类型的霍耳传感器，例如3线和2线数字传感器、线性传感器、电流传感器以及双极性或单极性数字开关等。2线传感器有两个连接点：电源/输出和地，3线传感器的电源和输出采用单独的连接点。

2线霍耳数字开关通常用于汽车和工业领域，在这类应用中，抗噪声能力非常关键，要求霍耳传感器与相关电子器件之间的电气隔离。霍耳传感器工作时总会吸收一定的电流，这种电流模式信号抗噪声能力较强，有助于进行简单诊断。

这些传感器提供两种不同的电流电平，具体取决于是否有磁场。电流电平会因为不同的传感器厂商而有所差异，但低电平范围一般在5mA至8mA (没有磁场)，高电平范围在11mA至14mA (有磁场)。

霍耳传感器接口MAX9921是首款用于2线霍耳数字开关与微控制器接口的集成方案。它具有两个独立通道，为两个传感器提供电流通路，监测电流电平，每个通道通过开漏输出为微控制器产生一路数字输出，图1所示为器件结构图和典型应用电路。


图1. MAX9921结构图和典型应用电路

作为一款高靠性IC，MAX9921设计用于恶劣的工作环境，例如工业和汽车等应用。器件工作在6V至18V电池电压范围，可以承受最高60V的瞬变电压(抛负载)。霍耳输入端集成了对地短路保护、电源短路保护以及高达±15kV的静电放电(ESD)保护功能。内部输入保护电路省去了外部电路，从而降低成本和空间。

MAX9921的两个通道独立工作，器件对每路输入提供诊断和故障保护。诊断模式下，诊断输出结合两个独立通道输出，提供基本的诊断信息，监视传感器的工作状态。诊断功能包括：输入开路(没有接传感器)、输入短路至地、输入短路至电池电压(VBAT)以及VBAT超出范围等。诊断功能可以识别出两路输入中的哪一路受到以上故障的影响。集成的诊断输出电路无需固件执行这一功能，也不需要微控制器的模/数转换器(ADC)测量霍耳电流。

较高的地电位差承受能力可减少连线虽然MAX9921是面向2线霍耳传感器应用设计，但该器件也可以用于实现霍耳传感器的单线接口。其高边电流检测拓扑使其能够承受较高的传感器与MAX9921和微控制器地之间的地电位差。较高的地电位差承受力可以避免使用地连接线(例如，汽车底盘的地连接线)，支持霍耳传感器的单线接口。

图2所示电路用于测试MAX9921对地电位差的承受能力。电路没有使用霍耳传感器，而是使用了可编程负载，用于吸收电流，可以在较大范围内设置电流，精度达到所选满量程值的0.1%。试验中选择了10mA满量程值，精度达10µA。如图3所示，MAX9921带滞回的电流门限小于1mA，确保在恶劣环境或嘈杂环境下可靠工作。


图2. 测试MAX9921地电位差承受能力的电路


图3. MAX9921的电流阈值和滞回

在第一个试验中，流入可编程负载的电流置为9.05mA，比MAX9921输出从低电平(~0V)切换到高电平(~5V，上拉电阻接5V)的阈值低50µA。通过直流电压发生器(V)，可编程负载地电位与MAX9921地电位的差。如表1所示，VBAT = 12V，MAX9921的门限能够承受高达±8V的地电位差!

表1. 电流门限为9.05mA时可承受的地电位差 ISENSOR (mA) VGND (V) VIN (V) VOUT (V) 9.05 -8 10.8 0 -4 -2 0 +2 +4 +8 10.9
进行类似试验，测试8.2mA由高电平到低电平切换电流门限的可靠性。电流置为8.25mA，即使地电位相差±8V，MAX9921输出也不会发生翻转(表2)。

表2. 电流门限为8.2mA时可承受的地电位差 ISENSOR (mA) VGND (V) VIN (V) VOUT (V) 8.25 -8 10.8 5 -4 -2 0 +2 +4 +8 10.9
MAX9921的高边电流检测拓扑使该器件能够承受传感器与接口之间高达±8V的地电位差。这在霍耳传感器距离逻辑电路(MAX9921接口和微控制器)较远的应用中特别重要。在类似应用中，MAX9921可以省去器件本身与霍耳传感器之间的地连接线，从而节省了成本和空间。

结论MAX9921较高的地电位差承受力、输入保护电路、高达60V的耐压以及诊断功能使得MAX9921成为汽车、工业等恶劣环境下霍耳传感器与微控制器接口的理想选择，提供完备、可靠的集成方案。