簡(jiǎn)介

Allegro 擁有豐富的霍爾效應(yīng)和隧道磁阻（TMR）開(kāi)關(guān)及鎖存器產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、工業(yè)和消費(fèi)電子等領(lǐng)域。本應(yīng)用筆記旨在提供分步選型流程，協(xié)助設(shè)計(jì)師為具體應(yīng)用場(chǎng)景選擇適配的 Allegro 開(kāi)關(guān)或鎖存器器件。文中詳細(xì)闡釋了區(qū)分 Allegro 開(kāi)關(guān)與鎖存器的關(guān)鍵參數(shù)，以助力設(shè)計(jì)師精準(zhǔn)定位符合需求的器件。結(jié)論部分總結(jié)了選型流程要點(diǎn)，并梳理了 Allegro 開(kāi)關(guān)和鎖存器的常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)景。

開(kāi)關(guān)還是鎖存器？

在磁性位置傳感中，主要有兩種類(lèi)型的傳感器——開(kāi)關(guān)和鎖存器。開(kāi)關(guān)廣泛存在于各種應(yīng)用中，用于檢測(cè)白色家電、醫(yī)療設(shè)備、便攜式電子設(shè)備、智能電表以及許多其他非接觸式開(kāi)/關(guān)位置感應(yīng)應(yīng)用的開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)。這類(lèi)傳感器通常在磁場(chǎng)存在時(shí)進(jìn)入閉合狀態(tài)，在磁場(chǎng)移除時(shí)進(jìn)入開(kāi)路狀態(tài)。

鎖存器是開(kāi)關(guān)的一種特殊變體，具有雙極感應(yīng)特性。鎖存器常用于電動(dòng)工具、家電泵和風(fēng)扇、電動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)、工業(yè)自動(dòng)化等應(yīng)用中的無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)。與開(kāi)關(guān)不同，鎖存器會(huì)一直維持其輸出狀態(tài)，直到磁場(chǎng)極性發(fā)生改變。

圖 1: Allegro的開(kāi)關(guān)和鎖存器產(chǎn)品系列

磁性開(kāi)關(guān)

當(dāng)磁場(chǎng)超過(guò)工作點(diǎn)閾值 (BOP) 時(shí), 開(kāi)關(guān)打開(kāi)；當(dāng)同極性磁場(chǎng)降低到低于釋放點(diǎn)閾值 (BRP) 時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉。

開(kāi)關(guān)可以是單極性的或全極性的：

? 單極性開(kāi)關(guān)的 BOP和 BRP具有單一磁極性（單極性南或單極性北）。

? 全極性開(kāi)關(guān)對(duì)于南北兩極磁場(chǎng)都有 BOP和 BRP閾值，因此可以響應(yīng)兩種極性的磁場(chǎng)。

輸出極性可以是標(biāo)準(zhǔn)的或反相的：

? 標(biāo)準(zhǔn)極性外加磁場(chǎng)超過(guò) BOP時(shí)輸出為低。這種極性更為常見(jiàn)，因?yàn)樵跊](méi)有外加磁場(chǎng)的情況下，避免了輸出電流的消耗。

? 反相極性為在外加磁場(chǎng)超過(guò) BOP時(shí)輸出為高。

為了選擇最適合設(shè)計(jì)的磁性開(kāi)關(guān)：

? 確定該應(yīng)用中采用什么輸出極性最優(yōu)

? 確定磁性閾值應(yīng)該是正的（單極性南）、負(fù)的（單極性北）還是兩者都有（全極性）。

因?yàn)槿珮O性開(kāi)關(guān)可以感應(yīng)南北兩極，所以它在磁體放置方面具備額外的優(yōu)勢(shì)：磁體可以系統(tǒng)中放置在朝向傳感器的北極或南極。然而，為了避免來(lái)自雜散磁場(chǎng)的誤觸發(fā)，在一些應(yīng)用中使用單極性器件更優(yōu)。

圖 2: 霍爾開(kāi)關(guān)輸出狀態(tài) vs. 磁場(chǎng)

圖 3: 使用單極性開(kāi)關(guān)的應(yīng)用：換擋過(guò)程中，

當(dāng)磁體（紅色和藍(lán)色圓柱體）經(jīng)過(guò)IC時(shí)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作

磁性鎖存器

鎖存器是一種特殊形式的開(kāi)關(guān)電路，其中 BOP和 BRP閾值受不同的極性觸發(fā)；這意味著需要極性相反的磁場(chǎng)來(lái)改變器件的輸出狀態(tài)。因此，如果 BOP閾值是正極磁場(chǎng)，則 BRP閾值為負(fù)極磁場(chǎng)。

圖 4: 霍爾鎖存器輸出狀態(tài) vs. 磁場(chǎng)

對(duì)于鎖存器來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)外加磁場(chǎng)超過(guò) BOP時(shí)所需的狀態(tài)來(lái)選擇輸出極性：

? 標(biāo)準(zhǔn)極性輸出為低 (Vsat)。

? 反相極性輸出為高。

圖 5: 典型的無(wú)刷直流電機(jī)鎖存器應(yīng)用，使用三個(gè)鎖存器進(jìn)行電機(jī)線(xiàn)圈換向

什么是感應(yīng)平面？

Allegro 的開(kāi)關(guān)和鎖存器可以在 X、Y 或 Z 平面上感應(yīng)磁場(chǎng) (見(jiàn)圖 6)。

大多數(shù) Allegro 的器件使用標(biāo)準(zhǔn)平面霍爾傳感器在 Z 軸（垂直于器件）上感應(yīng)磁場(chǎng)。平面感應(yīng)是行業(yè)內(nèi)最常用的配置，也是易于設(shè)計(jì)的。Z 軸感應(yīng)適合大多數(shù)應(yīng)用。然而，某些應(yīng)用和 PCB 設(shè)計(jì)需要感應(yīng)軸位于 X 或 Y 平面上（與器件相同的平面）。對(duì)于 X 或 Y 軸感應(yīng)，可以使用垂直霍爾傳感器（VHT）。Allegro XtremeSense 超低功耗隧道磁阻（TMR）傳感器的開(kāi)關(guān)和鎖存器的解決方案適用于在 X 和 Y 平面感應(yīng)磁場(chǎng)，因?yàn)檫@是其默認(rèn)配置。

圖6: Allegro的開(kāi)關(guān)和鎖存器的感應(yīng)平面

要同時(shí)感應(yīng)多個(gè)軸，二維（2D）和三維（3D）感應(yīng)的其他應(yīng)用場(chǎng)景采用了多個(gè)傳感器。

關(guān)于感應(yīng)平面的最終選擇取決于應(yīng)用場(chǎng)景、磁極狀態(tài)和傳感器在 PCB 設(shè)計(jì)中的位置。

圖 7: 具有兩個(gè)用于X和Y軸感應(yīng)的垂直霍爾板（綠色和藍(lán)色矩形）和一個(gè)用于Z軸感應(yīng)的平面霍爾板（紅色方塊）的器件示例

圖 8: 使用XtremeSense TMR傳感器的開(kāi)關(guān)或鎖存器進(jìn)行X或Y平面感應(yīng)

什么是磁性開(kāi)關(guān)點(diǎn)？

Allegro 的霍爾傳感器具有各種磁性開(kāi)關(guān)點(diǎn)，范圍從10G 到 600G (1mT 到 60mT)。

在使用鎖存器傳感器進(jìn)行直流電機(jī)換向的應(yīng)用中，傳感器所處的磁場(chǎng)形式類(lèi)似于正弦波。由于這種波形會(huì)經(jīng)過(guò)零高斯水平，所以具有較低開(kāi)關(guān)點(diǎn)的傳感器可以更好地覆蓋可能使用各種弱或強(qiáng)磁體類(lèi)型的應(yīng)用場(chǎng)景。磁體越弱，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度越低，該應(yīng)用所需的開(kāi)關(guān)點(diǎn)閾值也越低。

對(duì)于磁性開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，最佳開(kāi)關(guān)點(diǎn)的閾值高度依賴(lài)于最終應(yīng)用的具體情況。例如，開(kāi)啟開(kāi)關(guān)（如洗衣機(jī)門(mén)）的磁場(chǎng)強(qiáng)度必須小于關(guān)閉開(kāi)關(guān)時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，但也不能太低，以免環(huán)境中可能存在的其他磁場(chǎng)導(dǎo)致誤觸發(fā)。此外，工作 (BOP) 和釋放 (BRP) 閾值之間的遲滯應(yīng)足夠高，以防止由于噪聲或雜散信號(hào)而導(dǎo)致的誤觸發(fā)。例如，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)倪t滯，洗衣機(jī)門(mén)（及其磁體）在正常操作期間的機(jī)械移動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的開(kāi)門(mén)信號(hào)。

如果某個(gè)應(yīng)用需要在生產(chǎn)或工作期間調(diào)整或校準(zhǔn)磁閾值，Allegro 可提供具有可編程磁閾值的器件，允許客戶(hù)根據(jù)需要調(diào)整或者設(shè)定開(kāi)關(guān)或鎖存器的磁工作和釋放點(diǎn)。

圖 9: BOP, BRP和 HY 展示

兩線(xiàn)還是三線(xiàn)輸出？

Allegro 的開(kāi)關(guān)和鎖存器可設(shè)計(jì)用于三線(xiàn)或兩線(xiàn)工作：

? 三線(xiàn)器件需要正確連接三根線(xiàn)（VCC、GND 和 OUT）。這些器件通常有個(gè)需要上拉電阻的開(kāi)漏型輸出。大多數(shù)應(yīng)用更傾向于這種產(chǎn)品。

? 兩線(xiàn)器件只需要連接到 VCC 和 GND。受益于更少線(xiàn)數(shù)的應(yīng)用可能更傾向于這種產(chǎn)品。對(duì)于兩線(xiàn)器件，傳感器根據(jù)檢測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)供電電流進(jìn)行調(diào)制，以反映開(kāi)關(guān)的開(kāi)或關(guān)狀態(tài)。因此，在兩線(xiàn)設(shè)備中，開(kāi)關(guān)狀態(tài)的數(shù)據(jù)體現(xiàn)在 IC 供電電流（ICC）中。

兩線(xiàn)器件顯而易見(jiàn)的好處是能夠消除一根連接線(xiàn)，從開(kāi)關(guān)到中央處理器（ECU等）所需的線(xiàn)路距離越長(zhǎng)，所能節(jié)省的成本就越高。兩線(xiàn)器件的缺點(diǎn)是整體解決方案的電流消耗更高，可能高達(dá) IC 本身電流消耗的五倍。

三線(xiàn)（也稱(chēng)為開(kāi)漏）器件更為常見(jiàn)，因?yàn)樗鼈儽葍删€(xiàn)器件更簡(jiǎn)單、便宜且功耗更低。然而，對(duì)于一些特定應(yīng)用，節(jié)省一根線(xiàn)的好處相比于這些缺點(diǎn)更為顯著。

圖 10: 三線(xiàn)接口電路

圖 11: 兩線(xiàn)接口電路

圖 12: 兩線(xiàn)數(shù)字電平

低電壓還是高電壓？

低壓開(kāi)關(guān)和鎖存器通常定義為可以在最低 1.65V 到最高 5.5V 的供電電壓(VCC)下工作的器件。高壓開(kāi)關(guān)和鎖存器定義為可以在高達(dá) 24V 或 26V（通常最低為 2.8V 到 3V）的供電電壓下工作的器件。根據(jù)終端應(yīng)用的需求來(lái)確定高或低的供電工作電壓。

低壓器件通常連接到外部低電壓電源軌或直接連接到電池供電應(yīng)用中的低電壓電池上。低壓開(kāi)關(guān)和鎖存器常用于需要低功耗的智能電表、可穿戴醫(yī)療設(shè)備、遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器和移動(dòng)設(shè)備等應(yīng)用。

高壓開(kāi)關(guān)和鎖存器通常包含一個(gè)內(nèi)部的電壓調(diào)節(jié)器，因此可以將這些器件直接連接到汽車(chē)電池總線(xiàn)或其他高電壓軌，而無(wú)需外部的調(diào)節(jié)器。高壓開(kāi)關(guān)和鎖存器廣泛用于汽車(chē)行業(yè)和高扭矩電機(jī)控制的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖 13: 內(nèi)部集成電壓調(diào)節(jié)器的高壓鎖存器

上電時(shí)間重要嗎？

上電時(shí)間（POT）定義為開(kāi)關(guān)或鎖存器在供電電壓 (VCC)超過(guò)器件的最小 VCC (VCCMIN) 后可以產(chǎn)生有效輸出所需的時(shí)間。對(duì)于某些特定應(yīng)用，短上電時(shí)間至關(guān)重要。

如果某類(lèi)應(yīng)用需要非常短的 POT，可以選擇連續(xù)時(shí)間器件（如 Allegro A110x 或 A120x 系列）。這些連續(xù)時(shí)間器件沒(méi)有采用動(dòng)態(tài)失調(diào)消除技術(shù)，因此 POT 更短——通常為 4μs 或更短。連續(xù)時(shí)間器件通過(guò)修調(diào)技術(shù)而非斬波穩(wěn)定電路來(lái)消除失調(diào)。

如果不需要非常短的 POT（常見(jiàn)于大多數(shù)應(yīng)用），建議使用具有動(dòng)態(tài)失調(diào)消除功能的 Allegro 器件。采用了動(dòng)態(tài)失調(diào)消除技術(shù)的器件無(wú)需進(jìn)行修調(diào)，因此它對(duì)機(jī)械應(yīng)力或溫度漂移引起的失調(diào)不太敏感。大多數(shù) Allegro 的開(kāi)關(guān)和鎖存器使用了某種形式的動(dòng)態(tài)失調(diào)消除技術(shù)。這些器件通常具有約 25μs 的最大 POT。

圖 14: 開(kāi)關(guān)的上電時(shí)間 (POT) 的定義

圖 15: 斬波穩(wěn)定電路

功耗重要嗎？

如果某個(gè)應(yīng)用需要低功耗，例如，手機(jī)、無(wú)人機(jī)、遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)傳感器和可穿戴醫(yī)療設(shè)備等電池供電的設(shè)備，那么低功耗的開(kāi)關(guān)或鎖存器至關(guān)重要。這些器件還需要能夠直接在電池或其他低電壓軌下工作。針對(duì)這類(lèi)應(yīng)用，Allegro 提供了各種可以在低至 1.65V 的供電電壓下工作且功耗非常低的器件。

低壓微功耗器件通過(guò)占空比循環(huán)工作來(lái)降低功耗，僅在短暫時(shí)間內(nèi)（最長(zhǎng)約 60μs）打開(kāi)（喚醒）以感知外加磁場(chǎng)。微功耗開(kāi)關(guān)或鎖存器的開(kāi)啟和關(guān)閉（睡眠）時(shí)間比例可能因器件而異。對(duì)于需要在最低功耗水平下工作的設(shè)備，睡眠期的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，范圍可以從 1.5ms 到 200ms。通過(guò)延長(zhǎng)活動(dòng)喚醒期之間的時(shí)間間隔，像 Allegro APS11753 這樣的微功耗開(kāi)關(guān)可以達(dá)到低于 5μA 的連續(xù)電流消耗水平。

然而，長(zhǎng)睡眠期的一個(gè)缺點(diǎn)在于 IC 處于睡眠模式時(shí)無(wú)法檢測(cè)到磁場(chǎng)變化，因此開(kāi)關(guān)或鎖存器需要更多時(shí)間來(lái)響應(yīng)外部磁場(chǎng)的任何變化。對(duì)于磁場(chǎng)快速變化的高速應(yīng)用，具有長(zhǎng)睡眠期的微功耗器件可能沒(méi)有足夠的帶寬來(lái)準(zhǔn)確檢測(cè)磁場(chǎng)變化。然而，對(duì)于較低帶寬的應(yīng)用，如電池供電的筆記本電腦和便攜式電子設(shè)備中的蓋子開(kāi)/關(guān)檢測(cè)，不存在這個(gè)問(wèn)題。

圖 16: 微功耗工作原理

推挽型輸出是超低功耗的低壓開(kāi)關(guān)和鎖存器的另一個(gè)常見(jiàn)特性。與單個(gè)開(kāi)漏場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）和外部上拉電阻的結(jié)構(gòu)相比，推挽型輸出使用了兩個(gè)晶體管，它們進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作以拉低或拉高輸出。雖然推挽輸出比開(kāi)漏輸出的功耗更低，但推挽輸出無(wú)法提供高的輸出驅(qū)動(dòng)電流。因此需要仔細(xì)分析輸出驅(qū)動(dòng)的要求。開(kāi)漏輸出可以提供高達(dá) 25mA 的驅(qū)動(dòng)電流并且可以根據(jù)外加電壓提供不同的開(kāi)通和關(guān)閉輸出電壓，與此相比，推挽輸出的驅(qū)動(dòng)電路通常限制在約 1mA以?xún)?nèi)；然而，這對(duì)于大多數(shù)高阻型數(shù)字輸入/輸出（I/O）的接口來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。

圖 17:推挽型輸出配置

Allegro 的 XtremeSense TMR 開(kāi)關(guān)和鎖存器產(chǎn)品（CT811x、CT812x、CT813x）通過(guò)使用隧道磁阻（TMR）傳感器代替霍爾板來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)。與霍爾傳感器相比，TMR 傳感器具有更高的靈敏度和更高的帶寬性能，這使得這些器件能夠達(dá)到亞微瓦級(jí)的功耗水平。

圖 18: XtremeSense TMR 開(kāi)關(guān)和鎖存器位置傳感器

圖 19: 更高帶寬和靈敏度的TMR傳感器

是否需要ASIL評(píng)級(jí)？

一些汽車(chē)應(yīng)用要求開(kāi)關(guān)和鎖存器具有汽車(chē)安全完整性等級(jí)（ASIL）評(píng)級(jí)。ASIL 是由 ISO 26262 定義的風(fēng)險(xiǎn)分類(lèi)方案。Allegro 的產(chǎn)品組合中有各種 ASIL 評(píng)級(jí)的開(kāi)關(guān)和鎖存器，因此非常適合汽車(chē)應(yīng)用。這些產(chǎn)品中涵蓋了 X、Y 或 Z 軸感應(yīng)的三線(xiàn)和兩線(xiàn)配置，如 Allegro APS12450、APS11800 和 A113x 系列。

ESD重要嗎？

與其他應(yīng)用相比，汽車(chē)的高壓應(yīng)用通常需要能夠根據(jù)人體模型（HBM）承受更高水平的靜電放電（ESD）。與此相反，低壓應(yīng)用通常具有不太嚴(yán)格的 ESD 要求。Allegro 的高壓開(kāi)關(guān)和鎖存器的 HBM ESD 額定值通常在 4kV 到 6V 范圍內(nèi)。然而，Allegro 還具有一些超過(guò) 12kV ESD 承受能力的器件。

快速選型指南

下表展示了本應(yīng)用筆記中討論的具有代表性的不同選項(xiàng)的 Allegro 器件。如需獲取更詳盡的 Allegro 產(chǎn)品列表與數(shù)據(jù)手冊(cè)，請(qǐng)點(diǎn)擊【閱讀原文】或訪(fǎng)問(wèn)下方鏈接:

https://www.allegromicro.com/en/products/sense/switches-and-latches

Allegro 的開(kāi)關(guān)和鎖存器器件選型