汽车霍尔传感器的原理和应用 南京中旭电子科技有限公司 总工程师 汪建军
1引言
霍尔传感器是全球排名第三的传感器产品，它被广泛应用到工业、汽车业、电脑、手机以及新兴消费电子领域。未来几年，随着越来越多的汽车电子和工业设计企业转移到中国，霍尔传感器在中国市场的年销售额将保持20%到30%的高速增长。与此同时，霍尔传感器的相关技术仍在不断完善中，可编程霍尔传感器、智能化霍尔传感器以及微型霍尔传感器将有更好的市场前景。隨着霍尔传感器越来越广泛地应用在汽车电子等领域，关心它的人也越来越多，这里我们将介绍汽车霍尔传感器的原理和应用。
2 霍尔效应原理和霍尔元件
图1
图1中在一块半导体薄片H上A+,A-两电极之间通电，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧电极C1,C2之间会出现一个电压VH，这种现象就是霍尔效应，是由美国科学家爱德文·霍尔在1879年发现的。VH称为霍尔电压。
这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时，片子两侧建立起一个稳定的电压VH，这就是霍尔电压，这个半导体薄片称为霍尔元件。 霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP等等。
3.霍尔集成电路
霍尔集成电路是汽车霍尔传感器的核心部分，它将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。
霍尔集成电路是由霍尔元件、差分放大器等电子元器件集成到同一块半导体芯片上组成，是一种磁敏传感器。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔集成电路是以霍尔效应原理为基础工作的。
霍尔集成电路具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
按照霍尔集成电路的功能可将它们分为:霍尔线性集成电路和霍尔开关集成电路。前者输出模拟量，后者输出数字量。
霍尔线性集成电路的精度高、线性度好；霍尔开关集成电路无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。
霍尔集成电路的分类如下：
3.1 霍尔线性集成电路
它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例，它的功能框图和输出特性示于图2和图3。 这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测，典型的霍尔线性集成电路的技术指标如表1所示。
图2 霍尔线性电路的磁电转换特性曲线 图3功能框图
表1 霍尔线性电路的特性参数
型号
Vcc
V
线性范围mT
工作温度
℃
灵敏度
S/mV/mT
静态输出电压Vo/V
min
mid
max
min
mid
max
SS495
4.5～10
±70
-40～+125
15
--
35
2.4
2.5
2.6
A3503
4.5～6
±90
-40～+125
10
20
30
2.25
2.5
2.75
3.2. 霍尔开关集成电路
霍尔开关集成电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之后，B再增加，仍保持导通态。若外加磁场的B值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。我们称BOP为工作点，BRP为释放点，BOP－BRP=BH称为回差。回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。霍尔开关电路的功能框见图4。图4(a)表示集电极开路(OC)输出，(b)表示双输出。它们的输出特性见图5，图5(a)表示普通霍尔开关，(b)表示锁定型霍尔开关的输出特性。
(a) 单OC输出 (b)双OC输出
图4 霍尔开关集成电路的功能框图
(a)开关型输出特性 (b)锁定型输出特性
图5 霍尔开关集成电路的输出特性
一般规定，当外加磁场的南极(S极)接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正，北极接近标志面时为负。
锁定型霍尔开关电路的特点是：当外加场B正向增加，达到BOP时，电路导通，之后无论B增加或减小，甚至将B除去，电路都保持导通态，只有达到负向的BRP时，才改变为截止态，因而称为锁定型。 典型的霍尔开关电路的性能参数见表2。
表2 霍尔开关电路的特性参数
型号
VCC
V
Bop
mT
BRP
mT
BH
mT
Icc
mA
Io
mA
Vo
V
Ioff
μA
备注
A3144
4.5～24
7～35
5～33
≥2
≤9
25
≤0.4
≤10
开关型
A3140
4.5～24
7～20
5～18
≥2
≤9
25
≤0.4
≤10
开关型
A3175
4.5～24
2～20
-20～-2
≥2
≤8
25
≤0.4
≤10
锁定型
3.3 霍尔集成电路的磁路设计原理
汽车霍尔传感器除了它的核心部分霍尔集成电路以外，相对应的磁路设计是另一个相当重要的部分。
用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。例如，用一个的钕铁硼磁钢，就可在它的磁极表面上得到约200~300mT的磁感应强度。在气隙中，磁感应强度会随距离增加而迅速下降。为保证霍尔集成电路的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。在计算总有效工作气隙时，应从霍尔芯片表面算起。在封装好的霍尔集成电路中，霍尔芯片的深度在产品手册中会给出。
因为霍尔集成电路需要工作电源，在作运动或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，将霍尔集成电路固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。
工作磁体和霍尔集成电路间的运动方式有：(a)对移；(b)侧移；(c)旋转；(d)遮断。如图7所示，图中的TEAG即为总有效工作气隙。
图7 霍尔器件和工作磁体间的运动方式
在遮断方式中，工作磁体和霍尔集成电路以适当的间隙相对固定，用一软磁（例如软铁）翼片作为运动工作部件，当翼片进入间隙时，作用到霍尔器件上的磁力线被部分或全部遮断，以此来调节工作磁场。被传感的运动信息加在翼片上。这种方法的检测精度较高，遮断用的翼片根据不同的功能要求可以设计成不同的形状, 图8就是一些翼片的外形。
图8
图9在霍尔集成电路背面放置磁体
也可将工作磁体固定在霍尔集成电路背面（外壳上没打标志的一面），如图9所示让被检的铁磁物体（例如钢齿轮）从它们近旁通过，检测出物体上的特殊标志（如齿、凸缘、缺口等），得出物体的运动参数。
3.4 霍尔集成电路与外电路的接口
霍尔开关集成电路的输出级一般是一个集电极开路的NPN晶体管，其使用规则和一般的NPN开关管相同。输出管截止时，输漏电流很小，一般只有几nA，可以忽略，输出电压和其电源电压相近，但电源电压最高不得超过输出管的击穿电压（即规范表中规定的极限电压）。输出管导通时，它的输出端和线路的公共地导通。因此，必须外接一个电阻器（即负载电阻器）来限制流过管子的电流，使它不超过最大允许值（一般为20mA），以免损坏输出管。
以与发光二极管的接口为例，对负载电阻器的选择作一估计。若在Io为20mA（霍尔电路输出管允许吸入的最大电流），发光二极管的正向压降VLED=1.4V，当电源电压VCC=12V时，所需的负载电阻器的阻值（4）， 和这个阻值最接近的标准电阻为560Ω，因此，可取560Ω的电阻器作为负载电阻器。
图10表示与各种电路的接口：（a）与TTL电路；(b)与CMOS电路；(c)与LED。
图10 霍尔开关与电路接口举例
4. 霍尔传感器在汽车电子领域的应用
4.1 霍尔曲轴和凸轮轴位置传感器
4.1.1功用与类型
曲轴位置传感器(Crankshaft Position Sensor，CPS)又称为发动机转速与曲轴转角传感器，其功用是采集曲轴转动角度和发动机转速信号，并输入电子控制单元(ECU)，以便确定点火时刻和喷油时刻。
凸轮轴位置传感器(Camshaft Position Sensor，CPS)又称为气缸识别传感器(Cylinder Identification Sensor，CIS)，为了区别于曲轴位置传感器(CPS)，凸轮轴位置传感器一般都用CIS表示。也叫同步信号传感器，它是一个气缸判别定位装置，向ECU输入凸轮轴位置信号，是点火控制的主控信号。
4.1.2结构和工作原理
霍尔曲轴和凸轮轴位置传感器内部都釆用了一个由霍尔开关集成电路和遮断方式的磁路设计（图7中d的磁路方式）制成的霍尔翼片传感器，该传感器主要由霍尔集成电路、永久磁铁和导磁片组成。霍尔集成电路与永磁铁之间有1mm的间隙，导磁片又称信号转子安装在进气凸轮上，用螺栓和座圈固定。信号转子的隔板又叫做叶片，在隔板上有一个窗口，窗口对应产生的信号为低电平信号，隔板对应产生的信号为高电平信号。，当信号转子随进气凸轮轴一同转动时，隔板和窗口从集成电路与永磁铁之间的间隙中转过。当信号转子的隔板进入间隙时，霍尔集成电路中的磁场被旁路，霍尔元件上没有磁力线穿过，霍尔电压UH为零，集成电路输出级三极管截止，传感器输出的信号电压为高电位，约4.8V；当信号转子的隔板离开间隙时，永磁铁的磁通经导磁片和霍尔元件集成电路构成回路，集成电路输出级三极管导通，传感器输出的信号电压为0.2V，为低电位。霍尔传感器工作原理的立体结构图见图11。
图11霍尔传感器工作原理的立体结构图
发动机工作时，曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器产生的信号不断地输人ECU。当ECU同时接收到曲轴位置传感器大齿缺对应的低电位信号（15°）和凸轮轴位置传感器窗口对应的低电位信号时，可以识别出1缸活塞在压缩上止点、4缸活塞处于排气行程，并根据曲轴位置传感器小齿缺对应输出的信号控制点火提前角。由于凸轮轴位置传感器与曲轴位置传感器同时输出信号，凸轮轴位置传感器信号作为判缸信号，所以凸轮轴位置传感器也叫做同步信号传感器，它的安装位置见图12，结构见图13。
桑塔纳2000Gli轿车的霍尔式凸轮轴位置传感器与ECU的连接电路如图14所示。该传感器G40导线连接器有三个接线端子，1为传感器电源正极端子；2为传感器信号输出端子；3为传感器电源负极端子。这三个端子分别与ECU的62、76和67 端子相连。
图12霍尔式凸轮轴位置传感器安装位置
4.2上海别克24X霍尔曲轴位置传感器
4.2.1 24X曲轴位置传感器的功用
提供24X参考信号，24X参考信号用于在发动机低速时改善怠速点火正时控制。在发动机转速低于1200r/min时，PCM利用24X参考信号计算发动机转速和曲轴位置。
4.2.2 安装位置:
如图15所示24X曲轴位置传感器安装在发动机右前部下侧
4.2.3 图16为24X曲轴位置传感器的电路图
图16 24X曲轴位置传感器的电路图
偶看新闻