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深度解讀鎖存器和開關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2022-08-05 來源:Melexis 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】與機(jī)械開關(guān)相比,鎖存器和開關(guān)芯片在眾多應(yīng)用中發(fā)揮著更為關(guān)鍵的作用。它們可以提高終端裝配的靈活性、可靠性、功能安全性、可重復(fù)性、準(zhǔn)確性并優(yōu)化尺寸。本文主要介紹鎖存器和開掛的工作原理、不同類型以及 Melexis 鎖存器和開關(guān)芯片產(chǎn)品組合。


智能和互聯(lián)始于鎖存器和開關(guān)芯片


與機(jī)械開關(guān)相比,鎖存器和開關(guān)芯片在眾多應(yīng)用中發(fā)揮著更為關(guān)鍵的作用。它們可以提高終端裝配的靈活性、可靠性、功能安全性、可重復(fù)性、準(zhǔn)確性并優(yōu)化尺寸。本文主要介紹鎖存器和開掛的工作原理、不同類型以及 Melexis 鎖存器和開關(guān)芯片產(chǎn)品組合。


什么是鎖存器和開關(guān)芯片?


磁性鎖存器和開關(guān)芯片基于霍爾效應(yīng)原理,將磁鐵的磁場強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)(1 或 0)。因此,其輸出為 On(開)或 Off(關(guān)),具體取決于所施加的磁場。通過磁鐵的位置,鎖存器和開關(guān)芯片可以確定物體的實(shí)際位置。


開關(guān)原理


輸出在達(dá)到定義的閾值時(shí)發(fā)生變化。


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鎖存器原理


這是基于兩個(gè)相反的閾值進(jìn)行動(dòng)作的咖甘。輸出首先在達(dá)到定義的一個(gè)閾值(例如北極磁場值)時(shí)發(fā)生變化,然后在達(dá)到相反的閾值(例如南極磁場值)時(shí)再次發(fā)生變化。在這兩個(gè)閾值之間,輸出處于鎖定狀態(tài)(保持不變)。


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鎖存器和開關(guān)芯片主要有哪些類型?


鎖存器和開關(guān)芯片分為三大類。對于這三類,關(guān)鍵參數(shù)都是兩個(gè)開關(guān)閾值:BOP,磁場工作點(diǎn);BRP,磁場釋放點(diǎn)。


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第一類是單極開關(guān)芯片。


此類芯片只在一個(gè)磁場范圍中激活,可以是北極磁場或南極磁場。如果施加的磁場強(qiáng)度高于 BOP 閾值,開關(guān)芯片將啟用輸出。移除磁鐵后,磁場強(qiáng)度將低于 BOP 閾值,開關(guān)芯片將禁用輸出。這種開關(guān)芯片主要用于位置檢測。


第二類是雙極開關(guān)芯片,也稱為鎖存器。


鎖存器可以在一個(gè)磁場范圍內(nèi)激活,在施加相反的磁場時(shí)停用。在這種情況下,BOP 定義輸出驅(qū)動(dòng)器何時(shí)激活(On(開)),而 BRP 定義輸出驅(qū)動(dòng)器何時(shí)停用(Off(關(guān)))。鎖存器通常用于 PLC 控制的無刷直流電機(jī)換向或直流電機(jī)索引計(jì)數(shù)。


第三類是全極開關(guān)芯片。


功能與雙極開關(guān)芯片相同,但可以同時(shí)在兩個(gè)磁場范圍內(nèi)工作。換言之,這類開關(guān)芯片在南北極磁場中都能激活,用于檢測兩個(gè)磁場范圍的變化。


鎖存器和開關(guān)芯片應(yīng)用在哪些領(lǐng)域?


鎖存器和開關(guān)芯片無處不在,可應(yīng)用于各種設(shè)備,簡化我們的生活。這些“開-關(guān)”切換器件廣泛應(yīng)用在汽車的制動(dòng)系統(tǒng)、變速箱、車門鎖以及安全帶等組件。在電動(dòng)自行車中,這些器件用于踏板輔助系統(tǒng)、速度計(jì)和電機(jī)換向,而在電動(dòng)摩托車中,這些器件還用于觸發(fā)控制器。


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在居家環(huán)境中,鎖存器和開關(guān)器件廣泛應(yīng)用于各種智能家電。這些器件用于確保洗衣機(jī)的門已關(guān)閉;顯示咖啡機(jī)的水位和水流量;檢測打印機(jī)紙張負(fù)載以及機(jī)蓋是打開還是關(guān)閉;并且可用于各種電動(dòng)工具(電機(jī)換向、位置檢測器等)。


其他應(yīng)用包括智能樓宇(HVAC 電機(jī)換向)、機(jī)器人技術(shù)(開/關(guān)檢測、無刷直流電機(jī)換向、終點(diǎn)位置檢測等)、能源管理(門開/關(guān)檢測等)和數(shù)字健康(健康管理設(shè)備電機(jī)換向、溫度計(jì)防水開關(guān)等)等。


如何選擇正確的輸出功率?


為選擇適合特定應(yīng)用的鎖存器和開關(guān)芯片,首先需要選擇正確的輸出功能。這取決于具體模塊以及用于連接另一個(gè)系統(tǒng)的電線數(shù)量。標(biāo)準(zhǔn)配置為 2 線制、3 線制或 4 線制。這意味著您可以選擇輸出由電源電流表示的 2 線制傳感器芯片;具有開漏輸出的 3 線制傳感器芯片;以及輸出速度(或脈沖)和方向兩個(gè)信號(hào)的 4 線制傳感器芯片。


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在某些消費(fèi)類應(yīng)用中,還可以選擇推挽輸出類型,而不采用開漏輸出。在這種情況下,無需額外使用外部元件(上拉電阻),從而進(jìn)一步簡化模塊裝配。


2 線制


這類芯片通常用于遠(yuǎn)程傳感器應(yīng)用。其主要優(yōu)勢在于,可以替換 2 線制機(jī)械開關(guān),同時(shí)仍然使用相同的線束。芯片的電流用于識(shí)別傳感器芯片是否已達(dá)到工作點(diǎn)或釋放點(diǎn)。


根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):


IDD_LO


當(dāng)磁場強(qiáng)度等于或低于 BRP 時(shí)產(chǎn)生的電流。部件消耗的電流通常為 3.3 mA 或 6 mA,具體取決于所選的傳感器芯片。


IDD_HI


磁場強(qiáng)度達(dá)到 BOP 閾值時(shí)部件消耗的電流。該值通常為 14 mA。


電流水平在整個(gè) VDD 范圍內(nèi)保持不變,即使出現(xiàn)一些波動(dòng),也能確保讀數(shù)穩(wěn)定。檢測電阻 RSENSE 所在的回路可將電流輸出轉(zhuǎn)換為電子控制單元的邏輯輸入。


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3 線制


這類芯片配有開漏輸出。為形成 3 線制,阻性負(fù)載必須連接到 VDD 線。典型負(fù)載介于 10 kΩ 和 100 kΩ 之間。該負(fù)載可以連接在模塊側(cè)或電子控制單元側(cè)。達(dá)到 BOP 閾值時(shí),輸出將接近 0 V。在這種情況下,輸出將被禁用并通過上拉電阻連接到 VDD。


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4 線制


這類芯片輸出兩個(gè)信號(hào):速度(或脈沖)和方向。速度是鎖存?zhèn)鞲衅鞯恼]敵?,而方向輸出表示旋轉(zhuǎn)方向是順時(shí)針還是逆時(shí)針。這類芯片配有兩個(gè)霍爾元件,通過使用 CMOS 工藝確保板間寬度固定。


根據(jù)鎖存磁特性,速度 (SP) 輸出會(huì)在面向封裝頂部的南極或北極磁場強(qiáng)度足夠強(qiáng)時(shí)分別變?yōu)榈碗娖交蚋唠娖?。磁場去除后,器件?huì)保持之前的狀態(tài)。


當(dāng)兩個(gè)霍爾板上存在特定的磁脈沖序列時(shí),方向 (DIR) 輸出會(huì)根據(jù)所施加磁場的運(yùn)動(dòng)方向鎖存為低電平或高電平。


Melexis 鎖存器和開關(guān)芯片有哪些特性?


側(cè)向感應(yīng)選項(xiàng)


側(cè)向感應(yīng)僅需一個(gè)開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)速度檢測,適用于摩托車輪速傳感器等背向偏置應(yīng)用。側(cè)向感應(yīng)還可實(shí)現(xiàn)通常需要傳統(tǒng)通孔組件的表面貼裝器件 (SMD) 解決方案。與其他解決方案相比,回流焊可為其帶來更多優(yōu)勢。典型應(yīng)用包括鼓風(fēng)機(jī)、冷卻風(fēng)扇和泵等。


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此外,側(cè)向感應(yīng)還能提高磁性設(shè)計(jì)的靈活性,從而實(shí)現(xiàn)尺寸更為小巧的電機(jī)設(shè)計(jì),不受間距影響。典型應(yīng)用包括汽車行業(yè)的車窗升降器和天窗等。


雙芯片選項(xiàng)


雙芯片選項(xiàng)可提供另一個(gè)可編程/預(yù)設(shè)輸出,即芯片共包含兩個(gè)獨(dú)立的輸出,芯片功能更為豐富,可實(shí)現(xiàn)反向輸出、報(bào)警檢測和失磁檢測等應(yīng)用。此外,還能實(shí)現(xiàn)更為小巧的 PCB 設(shè)計(jì)。典型應(yīng)用包括變速箱、電子鎖存器和車窗升降器等。


微功率選項(xiàng)


傳感器芯片具有“微功率”的特點(diǎn),兼具低壓運(yùn)行和低電流消耗優(yōu)勢,特別適合電池供電設(shè)備。該器件采用在內(nèi)部進(jìn)行管理的休眠/喚醒策略,功耗得到顯著降低。典型應(yīng)用包括保險(xiǎn)箱的門鎖等。


可編程選項(xiàng)


鎖存器和開關(guān)芯片可由客戶編程,滿足客戶的各種需求。BRP 和 BOP 可以根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。芯片可直接編程,具有很高的靈活性和準(zhǔn)確性。


TC 選項(xiàng)


由于不同類型的磁鐵(鐵氧體磁鐵、釹磁鐵等)在同一溫度下的表現(xiàn)不同,熱補(bǔ)償 (TC) 是某些應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。因此,選擇具有適當(dāng) TC 或可編程 TC 的芯片非常重要。


浮動(dòng)開關(guān)選項(xiàng)


浮動(dòng)開關(guān)芯片采用隔離式輸出(SOI 技術(shù)),只需通電即可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。典型應(yīng)用包括液位計(jì)應(yīng)用、按鈕和負(fù)載直接驅(qū)動(dòng)等。此外,浮動(dòng)開關(guān)芯片也可直接替代機(jī)械簧片開關(guān)。


滿足汽車安全完整性等級 (ASIL) 要求的選項(xiàng)


符合 ASIL 要求的芯片依據(jù) ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。此類芯片適用于汽車安全應(yīng)用,如安全帶扣等。


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不同應(yīng)用適用于哪些不同的磁性芯片?


Melexis 的鎖存器和開關(guān)芯片支持多種應(yīng)用。主要產(chǎn)品描述如下。在選擇傳感器芯片時(shí),仔細(xì)考慮可應(yīng)用于設(shè)計(jì)的磁性芯片,為應(yīng)用選擇最合適的產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)最佳效果。


滑動(dòng)


滑動(dòng)開關(guān)芯片只在一個(gè)磁場范圍內(nèi)工作。在下方示例中,已選擇南極磁場。當(dāng)磁鐵位于芯片正前方時(shí),磁場強(qiáng)度達(dá)到最大值。磁鐵只要在平行于芯片的方向上移動(dòng),就會(huì)減弱磁信號(hào)。在此配置中,建議使用單極傳感器芯片。


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正面接近


接近開關(guān)芯片同樣只在一個(gè)磁場范圍內(nèi)工作。在下方示例中,磁鐵盡可能靠近芯片時(shí),磁場強(qiáng)度達(dá)到最大值。磁鐵只要朝芯片方向移動(dòng),就會(huì)增強(qiáng)磁信號(hào)。對于這種配置,應(yīng)使用單極開關(guān)。


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旋轉(zhuǎn)編碼器磁鐵


圓盤形磁鐵通常用于索引計(jì)數(shù)應(yīng)用。傳感器芯片將通過南極磁場啟用并通過北極磁場禁用。對于每個(gè)磁極對,傳感器信號(hào)將切換兩次。對于這些配置,非常適合選擇鎖存器芯片,因?yàn)檫@類芯片在相反的磁場下工作和釋放。在請求方向信息的情況下,方向傳感器可能是一項(xiàng)優(yōu)勢。


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葉片中斷


亞鐵葉片可用于中斷磁信號(hào)。該葉片會(huì)使磁場強(qiáng)度發(fā)生變化并觸發(fā)傳感器芯片的輸出。可能仍會(huì)對傳感器芯片施加一個(gè)較弱的磁場。對于這類應(yīng)用,首選單極傳感器芯片。


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背向偏置應(yīng)用


對于此配置,可以采用多種實(shí)現(xiàn)方案。第一種方案可以使用成本較高的零高斯磁鐵來實(shí)現(xiàn),在傳感器感應(yīng)點(diǎn)所在的位置形成一個(gè)實(shí)際的零磁場區(qū)域。這種方案支持使用預(yù)編程芯片。


第二種方案可以使用可感應(yīng)側(cè)向磁場分量的傳統(tǒng)磁鐵來實(shí)現(xiàn)。該方案已借助 Melexis 的 IMC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)。采用這種方案時(shí),可以使用普通磁鐵;當(dāng)側(cè)向磁場分量接近于零時(shí),磁鐵在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的表現(xiàn)仍然很穩(wěn)定。對于這種配置,建議在將芯片安裝到磁鐵上后進(jìn)行簡單的編程,以確保平穩(wěn)運(yùn)行。


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下圖表示普通磁鐵配置的磁性分量 Bx 和 Bz。Bz(綠線)顯示應(yīng)用中出現(xiàn)大幅偏移(100 mT),說明溫度變化會(huì)產(chǎn)生很大影響,在整個(gè)溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好運(yùn)行極具挑戰(zhàn)性。對于這類應(yīng)用,通常使用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償傳感器芯片,但會(huì)導(dǎo)致物料清單成本較高。


磁場的側(cè)向分量 (Bx) 在 0 mT 左右對稱,因此具有出色的溫度特性,可提高設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。采用這種方案(經(jīng)過 0 mT),可以使用靜態(tài)開關(guān)傳感器芯片來控制所需的占空比。芯片安裝后可進(jìn)行編程,這對于提高精度非常關(guān)鍵。對于此配置,建議使用較小的磁滯 +/- 1 mT。


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浮動(dòng)開關(guān)


若搭配一排浮動(dòng)開關(guān),磁鐵可用于檢測液位。此外,浮動(dòng)開關(guān)芯片也可直接替代機(jī)械簧片開關(guān)。


Melexis 鎖存器和開關(guān)芯片產(chǎn)品組合


我們提供各類鎖存器和開關(guān)芯片為多種應(yīng)用提供支持


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鎖存器和開關(guān)芯片的應(yīng)用越來越廣泛,這類芯片可用于各行各業(yè)的各類應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)位置、距離、速度或定向運(yùn)動(dòng)檢測。此外,鎖存器和開關(guān)芯片維護(hù)成本低,設(shè)計(jì)堅(jiān)固耐用,可實(shí)現(xiàn)非接觸式無磨損操作,并且可免受水、灰塵和振動(dòng)的影響。Melexis 致力于設(shè)計(jì)、開發(fā)和制造高質(zhì)量的鎖存器和開關(guān)芯片。



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