DIODES亚陶AH32xx系列汽车应用对霍尔传感器的需求

随着电动汽车的发展，到2026年，汽车应用中对紧凑型精确位置传感器的需求将大幅增长至16亿美元(图1)。这些传感器跟踪负责牵引、动力转向和车窗的电机内部的转子位置；确保控制和安全覆盖面。首先，本文回顾了接近度、位置检测的传统方法及其局限性。然后，在讨论限制其在汽车应用中使用的因素之前，它考虑了基于霍尔效应的磁性接近和位置传感器的操作和优点。最后，它介绍了一系列霍尔传感器开关/闩锁，使汽车系统达到最高水平的汽车安全认证:ISO 26262。

图一。车辆电气化推动了对位置和近程传感器的需求

传统位置检测技术的问题

电位计、光学编码器和旋变器是最广泛用于位置检测的器件，但每种器件都有缺点，影响其在汽车应用中的使用。

电位器使用物理接触来测量旋转运动。然而，这意味着它们会受到摩擦引起的机械磨损，并且性能会受到冲击或振动的影响。此外，污垢、灰尘、湿气或油脂等异物对电阻元件的污染会损害性能，甚至导致过早失效。

光学编码器当带有开孔的圆盘(通常称为码盘)在led光源和光电DIODES石英晶振传感器之间旋转时，通过检测交替的亮区和暗区来测量位置。然而，它们容易受到污染，这会干扰光源和检测器，从而降低可靠性。光学编码器的另一个缺点是它们体积庞大(在空间有限的汽车中是一个问题),并且必须精确装配以具有非常低的公差。

下决心者使用电磁传感器在高转速下测量位置。虽然它们是精确的，但是它们又大又重，这增加了成本并且进一步增加了与小空间汽车应用的不兼容性。

磁性传感器——更小、更轻、成本更低

霍尔效应(或霍尔)传感器(图2)通常包括一个或多个嵌入式磁性元件。当外部磁场靠近传感器时，它会改变嵌入磁场的极性和强度。随着这种变化，传感器两端的电势差也发生变化，这可以用来跟踪外部磁场的变化。例如，简单的磁性开关利用霍尔传感器和锁定机构两侧的磁铁来检测窗户或门的打开和关闭(图2)。

图2–霍尔传感器控制电机打开/关闭车窗

霍尔传感器技术的发展使得在许多应用中能够进行精确的线性和旋转定位测量。旋转位置传感器可以使用简单的组件来实现，该组件包括垂直于旋转磁体安装的固定传感器板，该旋转磁体同轴安装在转子的轴上。

制造商开发了在标准互补金属氧化物半导体(CMOS输出晶振)制造工艺的集成电路(IC)中生产霍尔传感器的能力，使其大规模生产更具成本效益。因此，磁性位置传感器比其他传感器技术更小、更轻、更便宜。

汽车对霍尔传感器使用的要求

转向和换挡等功能中的电子控制取代了机械或液压驱动，提高了性能、增加了可靠性、减小了尺寸和重量。这些特性非常重要的一些汽车应用包括:

• 动力转向电机
• 底盘定位
• 双离合器变速器
• 混合动力和全电动车辆中的牵引电机定位
• 转向角度检测
  
  

霍尔传感器的较低重量有助于汽车制造商降低油耗，而较小的尺寸提高了机械设计的灵活性。虽然在汽车应用中使用霍尔传感器技术的吸引力显而易见，但汽车行业对安全关键功能的质量、可靠性和安全性有具体要求，禁止使用商用和通用霍尔传感器。

这些包括:

质量

安全认证和汽车工程委员会的标准详细说明了重复性、可追溯性和生产质量的确切要求。这些不仅适用于单个组件，也适用于整个传感器系统组件。

在每个标题下，通用霍尔传感器都不符合汽车行业的典型性能规格，贴片晶振，这意味着这些通用传感器可能会使汽车原始设备制造商面临更高的故障风险。先前安装在生产车辆中的一些通用磁性位置传感器给车辆制造商带来了可靠性问题和安全问题。

问题的主要原因是外部磁干扰。汽车是电噪声环境，有许多杂散磁场，会使ic检测到的信号失真，干扰磁传感器的工作。这会导致测量误差，影响传感器位置读数的准确性。例如，在电动汽车牵引电机中，这些误差可能会导致扭矩严重下降，甚至完全丧失扭矩，或者导致不可预测的车轮旋转。

可靠性

与消费电子或工业设备相比，关键汽车应用中使用的设备的工作温度范围更宽。它们的额定工作寿命至少为10年。组装生产的可重复性出现了问题。霍尔传感器测量相对于安装在电机轴上的一对磁铁的位置，这对磁铁相对于静态传感器旋转，两者之间有一个小的气隙。一些制造商在生产过程中面临达到装配公差的质量问题。

安全

在采用ISO 26262功能安全标准后，还对磁性位置传感器的使用进行了审查。该标准要求严格的故障模式影响和诊断分析(FMEDA)在系统级执行，并在应对与已知故障机制相关的风险时实施充分的安全对策。商用磁性位置传感器不具备在设备发生故障时保证系统安全所需的功能，也不受符合ISO 26262标准的开发、生产流程和文档的支持。

汽车认证的霍尔传感器开关/闩锁

这AH32xxQ DIODES的双线霍尔传感器单极开关和锁存器系列基于先进的设计，使汽车系统制造商能够实现符合ISO 26262标准的位置和近程传感系统。这些IC通过了AEC-Q100认证，按照IATF 16949认证工厂的最高标准制造，并有PPAP支持文件。它们还提供高灵敏度(AH3270Q/71Q和AH3280Q/81Q)和鲁棒性(8kV ESD耐受能力)。这些传感器IC只需要两根导线，降低了特别是长线束的整体系统成本。与大多数霍尔传感器开关(具有电压输出)不同，这些器件提供的电流输出比存在噪声尖峰时的电压更有弹性(图3)。为灵活起见，这些器件设计用于宽电压范围(2.7V至27V)，采用工业标准SC59和SIP-3封装。

图3 -存在噪声尖峰时，电流输出比电压更有弹性

集成的自诊断功能(进口石英晶振AH324xQ和AH328xQ)使其成为符合ASIL标准的系统的理想选择，这些系统需要高水平的功能安全性(图4)。这些功能在后台运行，无需外部激活。如果检测到错误，器件将进入“安全”工作模式，输出(电源)电流降至1mA，作为系统其余部分的警告标志。此外，集成式自诊断监控电源电压和温度，并对主要功能模块进行自测。

图4 -显示AH324xQ/AH328xQ自诊断功能的功能图

结论

车辆电气化是汽车中电机数量不断增长的重要驱动因素，这反过来又要求使用小型、轻质、可靠、低成本的传感器来跟踪电机的速度和位置。基于霍尔效应的磁性位置和接近传感器提供了这样的解决方案；然而，商用版本不适合汽车应用，因为它们不允许位置感测系统满足像ISO 26262这样的关键安全标准。

DIODES百利通亚陶晶振公司的AH32xx系列霍尔开关/锁存器经过专门设计，具有较宽的工作电压范围，以提高其灵敏度和电流输出信号，从而在出现电压尖峰时提高鲁棒性。该系列的一些器件还具有自诊断功能，使传感器子系统能够获得汽车应用所需的安全认证。